[发明专利]混凝土结构红外热成像无损检测用热激励装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于混凝土内部缺陷的红外热成像无损检测的热激励装置。

背景技术

寻求一种无损、快速、低成本、大范围的混凝土普查方法是土木工程界极为关注的问题，具有非常现实的意义。红外成像检测技术就是在这种情况下被引入土木工程领域的。对红外成像技术应用方面的研究，最早出现在20世纪60年代的美国。20世纪70年代末，已经有学者应用红外成像技术诊断建筑物的热损耗、屋顶渗水、围墙缺陷以及查找路面的次表面缺陷等。此技术在我国起步较晚，在20世纪90年代初，我国才有学者将红外成像诊断技术和土木工程结合起来，在建筑物热损耗、建筑材料缺陷探测和建筑外墙施工质量等方面进行了初步的应用研究。红外成像技术是一种全新、灵敏的检测方法，也是一种很好的监测方法，其重要的特点是可以快速、非接触、大面积地扫查检测物表面，并且不损伤检测物，结果直观形象，易于实现自动化和实时观测。

目前利用红外成像技术对混凝土无损检测的研究热点集中在对红外成像获取的热源的改进。针对混凝土的有关检测过程中如何改进热源这一问题，国内外研究人员主要是采用大功率的红外脉冲加热装置、红外灯照射、超声红外技术和高能闪光灯等热源。德国的Ch Maierhfer和Hwiggenhuaser等人在对混凝土中的缺陷及碳纤维增强表面粘结层的脱胶情况进行检测的过程中，采用了大功率的红外脉冲加热装置。Takahide Sakagami等研究人员利用红外灯照射对混凝土内部的层离缺陷进行了分析研究，得出了混凝土内部缺陷随埋设深度及缺陷的几何大小变化的关系曲线。S Vallerand和X Maldague在脉冲加热的红外热激励条件下，比较了数理统计法和神经网络法对材料的内部缺陷检测的优劣，指出了各种方法的适用条件。李卓球、黄莉、伍颖和宋显辉等在通电的情况下，利用碳纤维混凝土的电热效应，对含预制裂纹的碳纤维混凝土缺陷体进行红外无损检测，为优化和评估电热红外成像检测方案提供了重要的数值依据。国内外的科研人员在检测过程中尝试了不同的热源，但使用外加热源时，在检测物上产生的温度场具有以热源对应点为中心，向外围梯度递减的特点，影响检测结果的准确性。寻找空间梯度小、时间梯度大的新式热源是红外成像检测技术的一个主要研究方向。

根据热量注入的方式不同红外辐射检测有如下多种检测形式：

①脉冲辐射检测（PT：Pulsed Thermography）

脉冲辐射测量过程是：先对被测物体加热，然后对温度变化进行测量。在热注入后由于热扩散物体温度快速变化，同时由于辐射和对流造成热损失，表面下缺陷的存在改变了热扩散速率，在缺陷处形成与周围不同的温差，通过测量表面温度完成检测。

②矩形脉冲辐射检测（SPT：Square Pulsed Thermography）

常规的脉冲辐射检测中，对高热导率物体（如金属）热激励脉冲时间只有几毫秒，而对低热导率物体（如塑料）热脉冲时间则持续几秒钟。但对于混凝土材料而言，这么短的加热时间往往对被测物没有明显影响，所以一般需要采用更长的加热时间，这样的热量注入方式与脉冲辐射检测中的热量注入方式有较大的不同，被测物体内部热传导方式也不同。

③阶跃辐射检测（SH：Step Heating）

在阶跃辐射检测中，对辐射加热过程中的表面温度变化进行监测。主要用于涂层厚度检测（包括多层涂层）、涂层与基底结合检测以及复合结构检测等。

④调制辐射检测（Lock-in）

调制辐射检测的过程是：在试件表面注入周期调制的热量（如正弦调制的激光），在试件中形成周期变化的温度分布即热波，对产生变化的温度场进行检测。调制是指必须对输出信号与参考输入信号（如周期调制的热激励）之间的时间关系进行精确测量。在采用激光激励的点测量中是通过锁相放大器实现的，在全场加热方式中通过计算机处理可以得到相位和振幅两个方面的图像。检测深度与辐射调制频率成反比，所以高频调制主要用于近表面分析。

⑤振动辐射检测（Vibrothermography）

振动辐射检测也属于主动检测。在外部机械振动作用下，在缺陷（如裂缝和分层）处由于存在摩擦机械能转化为热能，从而在试件中产生热激励。

对于混凝土材料而言，矩形脉冲辐射检测（SPT：Square Pulsed Thermography）是一个比较适合的方法。

发明内容