■ 梅正君 Mei Zhengjun

不同拍攝條件對紅外熱像圖溫差的影響

■ 梅正君 Mei Zhengjun

采用現(xiàn)場測量、軟件處理、歸納總結(jié)等手段，研究在不同拍攝條件下（包括不同拍攝距離、拍攝仰角等），熱像圖溫差的變化規(guī)律，從而優(yōu)化紅外熱像檢測方法，以更好地指導(dǎo)現(xiàn)場檢測工作。

紅外熱像；熱像圖；無損檢測；陽光強(qiáng)度

0 引言

由于紅外熱像檢測是建立在無接觸溫度測量和熱狀態(tài)分析基礎(chǔ)上，因此，熱像圖能否準(zhǔn)確、清晰地反映物體表面溫度差別是檢測技術(shù)的關(guān)鍵。嚴(yán)格按照紅外熱像法檢測技術(shù)規(guī)程進(jìn)行現(xiàn)場測量，是準(zhǔn)確拍攝紅外熱像圖的技術(shù)保證，例如對拍攝距離、拍攝時(shí)間、拍攝仰角等方面的操作要求[1-3]。但在實(shí)際工程中，往往因?yàn)楝F(xiàn)場條件和檢測設(shè)備的限制，無法完全按照技術(shù)規(guī)程操作[4、5]。本文將采用現(xiàn)場測量、軟件處理、統(tǒng)計(jì)歸納等手段，研究在不同拍攝條件下，熱像圖中物體表面溫差的變化規(guī)律，從而優(yōu)化紅外熱像檢測方法，以更好地指導(dǎo)現(xiàn)場檢測工作。

1 理論基礎(chǔ)

熱像圖是一種利用紅外熱像儀拍攝的，能反映物體表面溫度的照片。紅外熱像儀可以捕捉人眼看不見的紅外線，主要由紅外透視目鏡、傳輸線、探測器組成。探測器將紅外輻射轉(zhuǎn)化為電子信號，經(jīng)過信號處理后，可在熱像儀的顯示器上顯示出熱像圖[6]。

自然界中,所有絕對零度(-273℃)以上的物體都連續(xù)不斷地輻射紅外能,而紅外能與溫度具有對應(yīng)的關(guān)系。根據(jù)斯蒂芬-波爾茨曼定律，物體在某一溫度T時(shí)所輻射的總能量E為：

式中，E—物體輻射能,K/m2；

σ=5.673×10-8W/m2K4；

ε—物體表面的發(fā)射率；

T—物體表面溫度，K。

從公式（1）可以看出，物體輻射的總能量隨著溫度的4次冪非線性關(guān)系而迅速增加。紅外熱像儀不是直接測量物體表面溫度，而是測量物體的紅外輻射信號，然后對輻射信號進(jìn)行線性化，根據(jù)所測得的能量計(jì)算出溫度值[7]。

2 在不同拍攝條件下的紅外熱像

上海某13層的框架結(jié)構(gòu)建筑，建于2006年，外墻采用灰白色的陶瓷外墻面磚，面磚局部存在不同顏色區(qū)域。采用TH9100 WRI8.5紅外熱像儀對其進(jìn)行檢測。該紅外熱像儀采用氧化釩晶體材料探測器，圖像細(xì)膩穩(wěn)定；可同時(shí)拍攝紅外熱圖像和可見光圖像，獲得紅外/可見光組合圖像，便于找出熱點(diǎn)位置；自動(dòng)糾正熱圖像和可見光圖像的視差，適合在明亮或較暗的光線下使用；自帶IEEE1394接口，可由計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)控制儀器并采集圖像，曝光時(shí)間亦可以延長，最多達(dá)64倍。其主要技術(shù)參數(shù)如下：①溫度分辨率=0.03℃；②空間分辨率=1.2mrad；③視場角/最小對焦距離為21.70×16.40/0.3m。

2.1 測試點(diǎn)的布置

為了研究不同拍攝仰角、不同距離對建筑物熱像圖溫差的影響，在建筑物東面的不同距離布置熱像儀拍攝點(diǎn)（A~I），具體如圖1所示。

2.2 不同距離拍攝

在6月30日10:00~20:00，在A~I拍攝點(diǎn)對建筑物一層墻面的測點(diǎn)a~d，每隔2～3h進(jìn)行熱像圖拍攝，其中，測點(diǎn)a、b選擇在窗臺(tái)的角上，測點(diǎn)c、d選擇在移動(dòng)窗框的中點(diǎn)和頂部（圖2）。

選取4個(gè)時(shí)間段，觀測測點(diǎn)溫差在不同拍攝距離的變化（圖3~6）。其中,10:00和13:00時(shí)陽光強(qiáng)度較大，16:00時(shí)陽光強(qiáng)度弱，20:00時(shí)沒有陽光。從圖中可以看出，溫差隨著拍攝距離呈波動(dòng)變化，且溫差變化在1℃以內(nèi)。由于每拍一張熱像圖需要一定操作時(shí)間，因此，每個(gè)時(shí)間段內(nèi)的熱像圖本身包含由時(shí)間差產(chǎn)生的一定溫差。

圖1 拍攝布置點(diǎn)圖

圖2 一層墻面a~d點(diǎn)(可見圖)

圖3 10:10時(shí)間段測點(diǎn)（a~d）溫差隨拍攝距離的變化

圖4 13:15時(shí)間段測點(diǎn)（a~d）溫差隨拍攝距離的變化

圖5 16:00時(shí)間段測點(diǎn)（a~d）溫差隨拍攝距離的變化

圖6 20:00時(shí)間段測點(diǎn)（a~d）溫差隨拍攝距離的變化

圖7 四層墻面a1~f1點(diǎn)(可見圖)

根據(jù)熱像圖的溫差分析結(jié)果，熱像圖測點(diǎn)溫差在5~70m拍攝距離變化時(shí)較平穩(wěn)，說明這段距離變化對溫差影響較?。坏S著拍攝距離越大，熱像圖中物體的輪廓邊緣越模糊，判斷空鼓區(qū)域的準(zhǔn)確性越低。根據(jù)《紅外熱像法檢測建筑外墻飾面層黏結(jié)缺陷技術(shù)規(guī)程》（CECS 2004：2006）規(guī)定，拍攝距離宜控制在10~50m以內(nèi)，拍攝距離越大，熱像圖中越不容易分辨面積小的空鼓區(qū)域。

一般來講，紅外熱像儀檢測空鼓在所測墻面能分辨的最小測點(diǎn)直徑在50mm左右[7]。TH9100 WRI8.5紅外熱像儀的空間分辨率是1.2mrad, 為了滿足能分辨直徑50mm的目標(biāo)，其拍攝距離宜控制在40m左右。

2.3 不同仰角拍攝

在建筑的四層墻面位置選擇典型測點(diǎn)a1~f1（圖7）。根據(jù)已知的四層墻面測點(diǎn)高度和拍攝點(diǎn)(A~I)距離，利用三角函數(shù)關(guān)系，可以計(jì)算出熱像儀與墻面測點(diǎn)形成的不同拍攝仰角，從而研究不同拍攝仰角對墻面選擇點(diǎn)溫差的影響。拍攝點(diǎn)和仰角的對應(yīng)關(guān)系見表1。

在4個(gè)時(shí)間段中，a1~f1溫差與拍攝仰角的變化關(guān)系如圖8~10所示。其中，10:00和13:00時(shí)陽光強(qiáng)度較大，16:00時(shí)陽光強(qiáng)度弱，20:00時(shí)沒有陽光?？梢钥闯觯瑹嵯駡D測點(diǎn)溫差隨拍攝角度的變化較平穩(wěn)，溫差變化在1℃以內(nèi)；在20:00沒有陽光的時(shí)間段，測點(diǎn)溫差基本為0℃；當(dāng)拍攝仰角大于45°時(shí)，易造成熱像圖溫度場范圍大，而忽略局部大于標(biāo)準(zhǔn)溫差的區(qū)域。由于傾斜拍攝，在熱像圖中，建筑物易產(chǎn)生變形而導(dǎo)致位置偏差。

3 結(jié)語

綜合上述試驗(yàn)結(jié)果，筆者認(rèn)為，選擇合適的拍攝距離和拍攝角度，對熱像圖的清晰度及后期圖片的處理工作非常重要。同時(shí)，增大紅外熱像儀的分辨率及視場角，將會(huì)使紅外熱像儀更好地應(yīng)用于工程實(shí)際。

[1]周云,趙為民,趙鴻.紅外熱像技術(shù)在房屋檢測中的應(yīng)用[J].住宅科技,2008(2):42-45.

[2]王靖.紅外熱像技術(shù)在建筑中的檢測與分析[D]:[碩士學(xué)位論文].遼寧：遼寧工程技術(shù)大學(xué),2013.

[3]袁仁續(xù),趙鳴.紅外熱像技術(shù)在無損檢測中的應(yīng)用進(jìn)展研究[J].福州大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）增刊,2005.

表1 拍攝距離與拍攝仰角

圖8 10:10時(shí)間段測點(diǎn)（a1~f1）溫差隨拍攝仰角的變化

圖9 13:15時(shí)間段測點(diǎn)（a1~f1）溫差隨拍攝仰角的變化

圖10 16:00時(shí)間段測點(diǎn)（a1~f1）溫差隨拍攝仰角的變化

圖11 20:00時(shí)間段測點(diǎn)（a1~f1）溫差隨拍攝仰角的變化

[4]杜紅秀,張雄,韓繼紅.混凝土火災(zāi)損傷的紅外熱像檢測與評估.同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào),2002,30(9).

[5]代博洋.紅外熱成像技術(shù)在震后房屋損壞快速鑒定中的應(yīng)用研究[D]: [碩士學(xué)位論文].中國地震局地質(zhì)研究所,2009.

[6]Walter Wild. Application of infrared thermography in civil engineering. Proc.Estonian Acad.Sci.Eng.,2007,13(4):436-444.

[7]Silvia Mart?n Oca?a, Ignacio Ca?as Guerrero, Ignacio González Requena. Thermographic survey of two rural buildings in Spain. Energy and Buildings, 2004(36):515-523.

Effect of Different Shooting Conditions on Temperature Difference of Infrared Thermal Image

By using such methods as on-the-spot measurement, software processing and induction, the paper studied the change rules of thermal image temperature variation under different shooting conditions (including different shooting distance, shooting elevation etc.), so as to optimize the infrared detection method and better guide the inspection work at site.

infrared thermography, thermal image, nondestructive testing, sunlight intensity

2016-10-18）

梅正君，上海巖土工程勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司房屋質(zhì)量檢測站項(xiàng)目負(fù)責(zé)人，工程師。