拍摄角度对红外热成像裂缝检测的影响分析

陶骏杰 TAO Jun-jie；王宇晨 WANG Yu-chen；姚正军 YAO Zheng-jun

（南京邮电大学通达学院，扬州 225200）

0 引言

随着我国城市化进程的迅猛发展，大量的混凝土构件被运用到各种形式的基础结构中，如基础梁、板等，由于基础设施所处的服役环境比较复杂，且混凝土徐变周期较长，因此导致混凝土构件出现了不同程度的表面裂缝，如不及时发现和处置，所产生的后果不堪设想，所以，对混凝土裂缝进行经济高效的检测具有十分重要的工程实践意义。

红外热成像作为一种新型的非接触式无损检测技术[1]，主要是利用外部的热激励源对待检测的物体进行加热，使得物体存在的病害以表面温度场异常的形式表现出来，并可以通过数字图像来定位病害的位置、形状以及大小，具有快速、非接触等优点[2]，使得其在建筑、水利等行业内应用广泛[3]。既有的红外热成像研究主要集中于热激励源与材料之间的相互作用机理[4-5]、红外热像图的处理分析[6-7]、和红外热成像图中缺陷的定量化检测[8-9]等方面，对于红外热像设备及测试中拍摄角度的讨论较少，这无疑不利于工程实践应用。

本文利用实验室模型试验的方法，通过选用两种不同规格的红外热成像设备，讨论了拍摄角度对于混凝土裂缝检测的影响，确定了混凝土裂缝红外热成像的使用条件。

1 红外热成像设备

红外热像仪根据其探测器类型可分为两种类型：非制冷型和制冷型。尽管非制冷型的响应速度比制冷型红外热像仪慢且热灵敏度低，但非制冷型红外热像仪具有较低的成本和更广泛的光谱响应的特点，因此得到了较为普遍的应用。

本文采用了两种规格的红外热成像仪（TESTO，Inc.生产的TESTO869 和FLUKE，Inc.生产的TIX620），对混凝土裂缝检测进行比较，考虑到两种设备价格相差巨大，若价格较低的TESTO869 与价格昂贵的TIX620 检测效果均满足工程实践要求，则无疑为后期红外成像的工程应用提供了一种有效的途径，这也是本文的主要出发点之一。两种设备的具体规格参数如表1 所示。从表1 可知，TIX620 的成像分辨率、热灵敏度和测温精度均优于TESTO869。

表1 两种红外相机及其主要规格

2 实验方案

混凝土试块的尺寸为150*150*150mm，采用分层浇筑方法，在第一层混凝土浇筑完毕之后放入一块电热片，随后继续浇筑第二层混凝土，待整个混凝土试块浇筑完毕之后，对试块表面进行抹平，插入表面涂有凡士林的铁块来模拟表面裂缝，最后对浇筑完成的混凝土试块进行养护，并在养护完成之后对试块表面的铁块进行拆除（图1）。因整个实验在实验室内进行，所以采用电热片这种主动加热方式来模拟自然环境下的太阳辐射加热。

在实验过程中，红外热像图是由两个不同的红外热像仪同时以0°、30°和45°（其中0°为红外热像仪垂直于试块表面）的角度从40cm 的距离来拍摄的。在实验过程中选择不同的拍摄日期来对试块进行不同角度的拍摄，以保证试块在每次拍摄开始之前可以保持相同的温度状态。实验过程中的拍摄条件如下：

条件1：红外热像仪与试块表面法线之间的夹角为0°（图2（a））；

图2 试验条件示意图

条件2：红外热像仪与试块表面法线之间的夹角为30°（图2（b））；

条件3：红外热像仪与试块表面法线之间的夹角为45°（图2（c））。

本次为实验室内试验，试块的热源仅为电热片，设置在两层混凝土材料之间，由于室内使用空调，室温基本保持稳定，对试块加热时间为8 分钟。

3 实验结果分析

为了研究拍摄角度对于红外热成像法表面裂缝检测效果的影响，本次室内实验比较了试块降温过程中两种红外热像仪所拍摄的试块表面温度数据。在这个红外热像仪读取数据的对比当中，从每个红外热像图中读取了如图3所示的两个标记点的温度数据，即裂缝区域和非裂缝区域。在通过红外热像仪读取每幅红外热像图中两个标记点的温度数据的同时，利用测温仪对试块表面非裂缝区域进行同步的记录。

图3 通过红外热像图进行温度比较的标记点

图4给出了每种拍摄条件下每个标记点在不同时刻下通过两种红外热像仪所读取的温度数据。由图可知，拍摄条件1 下两种红外热像仪所获取的非裂缝区域温度数据都与测温计数据更加接近，尽管FLUKE TIX620 所获取的非裂缝区域的温度数据要略高于TESTO869。对比拍摄条件2 和3 下裂缝区域与非裂缝区域的温度数据，可以发现在不同的拍摄角度下，两种红外热像仪所获取的裂缝区及非裂缝区域温度数据都各自以相似的速率下降，但同一时刻不同拍摄角度下同一种类型的红外热像仪因拍摄角度而获取的同一标记点的温度数据会相差大约0.5 到1.5℃。通过Nishikawa[10]等人的研究发现，这些温度差异可能是由于目标物体的红外辐射在红外热像仪的发射角上的反射所引起的。尽管在三种拍摄条件下因拍摄角度的差异使得两个红外热像仪读取的标记点温度数据不同，但在三种情况下每个红外热像仪都可以看到裂缝区域与非裂缝区域之间的温度差异，而不管其他红外热像仪的温度读数如何。

图4 不同拍摄条件下的裂缝区域与非裂缝区域的红外温度数据

对于红外热成像无损检测来说，虽然混凝土表面温度数据的准确性是最重要的，但是裂缝与非裂缝区温度差才是实现裂缝检测的关键。图5 给出了三种拍摄条件下的温差计算结果，可知虽然因拍摄角度的差异、红外热像仪的规格差异使得获取的试块表面温度值发生变化，但若裂缝区域与非裂缝区域之间的温度差异达到红外热像仪的热灵敏度、测温精度的要求，裂缝区域依旧可以通过红外热成像法进行检测。

图5 三种拍摄条件下试块表面裂缝区域与非裂缝区域的温差

红外热成像仪除了能给出区域温度值外，还可以通过红外热像图的方式对测试结果进行直观展示，如图6 为拍摄角度为0 度的情况下两种红外热像仪获取的红外热像图。

图6 拍摄角度为0 度的情况下两种红外热像仪获取的红外热像图

由图6 可知，TIX620 所拍摄的红外热像图可以清晰地展现试块边缘和裂缝边缘，并且因为TIX620 在热灵敏度和分辨率上比TESTO869 更加具有优势，使得TIX620所拍摄的红外图像中可以清晰地以不同的颜色来区分试块表面不同的温度梯度，同时对于裂缝区域和非裂缝区域在红外热像图上的可见性来说，TIX620 所拍摄的红外热像图更具有优势。这些结果表明，红外热像仪的性能参数会对红外热像图上的表面裂缝病害的指示可见性具有明显的影响。

综上分析可知，从垂直于目标物体表面的角度进行检测时所获取的测试数据最为准确，虽然测温精度会导致测试结果精度有差别，但拍摄角度对于红外热像仪的测温准确性的影响更大，特别是在裂缝检测仅考虑温差的情况下，只要工程条件满足了红外热像仪的热灵敏度，便可以应用符合条件的设备进行检测，价格昂贵的设备不是符合工程应用的唯一选择。

4 结论与建议

①红外热成像设备在满足热灵敏度的条件下，可以实现混凝土表面裂缝的有效检测。

②垂直于目标物体的角度进行检测时所得到的温度测量数据较其他角度而言更为准确。

③与设备的测温精度相比较，拍摄角度对于红外热像仪的测温准确性的影响更大。

④建议在满足工程精度的条件下，推广使用非接触式的红外热成像裂缝检测技术。