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红外热像仪在建筑方面的应用

菜鸟
2013-11-12 15:39:58    评分

一、红外热像仪的发展历史

自从1800年赫谢尔利用水银温度计制作的最原始的热敏探测器发现了红外辐射以来,人们就开始不断运用各种方法对红外辐射进行检测,并根据红外光的特点而加以应用,相继制成了各种红外探测器,如热敏型辐射探测器(温差电偶探测器、电阻测辐射热计、热释电探测器)和半导体光电探测器(光电导探测器、光伏型探测器等)。最初,人们只能以单个探测单元通过光机扫描的方式并协同低温制冷器来实现图像探测;后来,则出现了探测单元数目在一万以上,且自带有信号读出电路的二维N×M元焦平面阵列(FPA)探测器;而现今,集成了探测器后续信号处理电路,包括信号读出电路、前放、模数转换器等的第三代被称为“灵巧” (smart)凝视的大阵列焦平面也已开始崭露头角。

红外焦平面热像仪是一种可探测目标的红外辐射,并能通过光电转换、电信号处理等手段,将目标物体的温度分布图像转换成视频图像的设备,是集光、机、电等尖端技术于一体的高科技产品。因其具有较强的抗干扰能力,隐蔽性能好、跟踪、制导精度高等优点,在军事及民用领域获得了广泛的应用。

 

二、红外热像探测器的分类

红外热像探测器的焦平面上排列着感光元件阵列,从无限远处发射的红外线经过光学系统成像在系统焦平面的这些感光元件上,探测器将接受到光信号转换为电信号并进行积分放大、采样保持,通过输出缓冲和多路传输系统,最终送达监视系统形成图像。

红外焦平面阵列分类有:
1、根据制冷方式划分制冷型和非制冷型。

2、依照光辐射与物质相互作用原理划分为光子探测器与热探测器两大类。

3、按照结构形式划分为单片式和混成式两种。

4、按成像方式划分为扫描型和凝视型两种

5、根据波长划分:1~3μm的短波红外、3~5μm的中波红外、8~14μm的长波红外三种不同波长的探测器。

 

三、红外热像技术在国内应用状况

    随着科技的进步,目前红外热像技术除在军事领域外,在民用领域也得到了长足的发展。现在在民用领域使用的红外热像仪探测波段为8~14μm长波的非制冷焦平面凝视型红外热成像仪,其体积、重量、操作性均比第一代制冷型红外热像仪有了很大的改进。

红外热像仪在国内现主要应用于如下行业:

l 建筑检测:检测房屋的节能、渗漏和空鼓等状况。

l 设备预测性维护:主要对设备的工作状态进行巡检,提前发现设备存在的问题。

l 研发与品质管理:主要对产品的发热状态进行检测,提高产品的质量。

l 消防:搜救和日常防火安全检测。

l 其他:如科研、教育、医疗等。

 

四、红外热像技术在国内建筑检测的应用状况

目前,红外热像仪在国内部分建筑行业已经开始使用,主要应用有:

建筑安全检测:建筑渗漏检测

              白蚁防治

              空鼓及外墙饰面粘贴缺陷检测

              建筑电气检测

       

建筑节能检测:节能材料检测

              建筑密封性检测

              暖通系统检测

  

第二部分:红外热像仪的工作原理

 

1800 年英国的天文学家William Herschel 用分光棱镜将太阳光分解成从红色到紫色的单色光,依次测量不同颜色光的热效应。他发现,当水银温度计移到红色光边界以外,人眼看不见任何光线的黑暗区的时候,温度反而比红光区更高。反复试验证明,在红光外侧,确实存在一种人眼看不见的“热线”,后来称为“红外线”,也就是“红外辐射”。自然界任何物体,只要温度高于绝对零度(-273.15 C?),就会以电磁辐射的形式在非常宽的波长范围内发射能量,产生电磁波(辐射能)。

红外线在大气中穿透比较好的波段,通常称为 “大气窗口”。红外热成像检测技术,就是利用了 “大气窗口”。

 

 

维恩位移定律

 

X轴:波长

Y轴:每单位波长对应波谱区域的辐射量——光波辐射量(W/m2x µm)

 

从普朗克定律可以得知,物体的温度越高,其辐射得峰值能量就越偏向短波方向,故红外热像仪,特别是用以建筑检测得红外热像仪,其工作波段通常在8-14μm的长波波段,建筑用红外检测的温度范围一般在-20-100℃范围内。

红外热像仪是一种新型的光电探测设备,可将被测目标表面的热信息瞬间可视化,快速定位故障,并且在专业的分析软件的帮助下,可进行分析,完成建筑、节能、安全检测和电气预防性维护工作。

热像仪由两个基本部分组成:光学器件和探测器。

光学器件将物体发出的红外辐射聚集到探测器上,探测器把入射的辐射转换成电信号,进而被处理成可见图像,即热图。

 

 

第三部分:红外热像仪在建筑安全检测方面的应用

 

一、建筑渗漏检测

建筑渗水可导致混凝土表面炭化,使得混凝土表面出现裂缝后锈蚀钢筋,钢筋锈蚀后直径变粗,并继续扩大裂缝,从而危害建筑的结构强度;同时,建筑渗漏也会对居民的正常生活造成很大影响。

当发生渗漏,渗水部位与正常部位的热容量不一致,在环境温度发生变化的过程中,渗漏部位与正常部位的温度将会出现差异,这样虽然表面的颜色一致,但温度的差异可以在热像仪上及时、清晰地反映出来。

在建筑物经受了热负荷之后(例如在高温、干燥的晴天中阳光照射之后),对建筑物的外墙和屋顶进行红外热像检查。东面的墙壁可在下午进行检查,南面和西面的墙壁和屋顶可在日落后进行检查。在识别出外墙和屋顶中渗漏点之后,要在建筑物内部进行检查,以进一步确认外部检测结果。红外热像检测还可指示出天花板和墙壁中由泄漏、水管断裂等所带来的部位。

 

 

 

从其不规则的扩散形状判断为外墙渗漏(TiR32热像仪拍摄)

 

案例一:上海市某来水公司办公楼楼顶渗漏检测

该楼房一共五层,顶楼为两排空调机组外机,上班时间持续运行。由于空调冷凝水的缘故,造成屋顶上空调安放区域一直有水。从而引起五楼房间内以及4楼房间内墙壁有水渗漏;当时怀疑在屋顶某处有渗漏点,但该屋顶面积较大,若全部修复成本太高,故使用热像检测为缩小修复工作提供位置参考。

先将屋顶分为几个区域,在现场操作只需两名操作人员:一位在楼顶对待确认区域浇热水,还有一位在房间内对渗漏部位进行热像跟踪,当渗漏区域被浇上热水后,5分钟内在房间进行热像跟踪的人员就可以发现至少0.7℃以上的温升。

 

 

通过五次热像检测渗漏点范围缩小在屋顶面与西山墙的连接墙缝处的1米范围内,该部分面积仅是原先怀疑渗漏面积的1%,后通过施工已证实和修复了该渗漏点。

使用浇热水的方式可以使渗漏部位发生明显的温度分布变化,高水温、大水量将使热像检测效果更为明显,该检测方法适合外墙表面因物品安装位置、潮湿等原因无法直接进行热像检测的现场,利用水温的变化,在房间内部发现渗漏部位并加以验证。

 

二、白蚁防治

由于在施工和装潢过程中大量使用未经白蚁预防处理的木构件以及现场环境比较潮湿,为白蚁的生存提供了必需的水份,使这部分建筑及木构件也极易遭受白蚁危害,从而威胁到建筑本身的安全。

白蚁具有隐蔽性强的特点,红外热像仪与传统的检测工具相比,可在几米或几十米之外快速扫描整个建筑物的各个部分,能快速方便地确定建筑物白蚁可能发生的部位,不仅能节省检查的时间,还能提高检测的准确性。

使用红外热像仪进行白蚁防治主要突出两点:

1、防

对于潮湿部分,由于表面的水分蒸发形成温差,热像仪可以进行快速检测,及时更换或维修表面潮湿的建筑木构件部分。

 

                         

2、治

 

   由于白蚁蚁穴的热容量和热传导系数正常建筑材料不一致,故可以方便地通过温差对白蚁的蚁穴进行定位。

 

 

案例二、广州市白蚁防治所使用红外热像仪进行白蚁探查

以前在检查住所或办公地点是否出现白蚁时,通常采用两种探测法:肉眼检查和可识别白蚁所发出的声波的仪器。

不过这些探测方法各有局限。例如,肉眼可能无法探测到隐藏在木头内的白蚁、声波仪器可能探测到其他类似的声响等,红外热像仪则可以避免该问题。

  

 

三、空鼓及外墙饰面粘贴缺陷检测

   在2006年11月由上海房地产科学研究院主编、中国工程建设标准化协会批准的《红外热像发检测建筑外墙饰面层粘结缺陷技术规程》公布,该标准对使用红外热像进行建筑外墙由于空鼓、裂缝等原因造成外墙饰面脱落隐患的排查进行了科学、详实的指导。

检测时间以早晨太阳升起前1小时、下午太阳落山后1小时为佳,中午检测需要避开阳光直射。

 

案例三、上海建科院对建筑质量和节能检测时拍摄的建筑外立面空鼓的情况。

 

 

案例四、泰州某小区新房交验时进行的红外热像检测(建筑型红外热像仪拍摄)

 

                       FLIR热像仪成像图

 

 

第四部分:红外热像在建筑节能检测方面的应用

2009年底中国建筑科学研究院制定了两份建筑节能行业标准,并下发国家建筑工程质量监督检验中心执行,这两份标准是:

《居住建筑节能检测标准》 JGJ/T 132 – 2009

《公共建筑节能检测标准》 JGJ/T 177 – 2009

该标准在外围护结构热工缺陷、外围护结构热桥部位内表面温度及外围护结构隔热性能等方面描述了红外热像的功能和使用方法,通过检测热工缺陷,热桥缺陷,外墙保温节能等方面确保建筑性能及质量。

                         

 

第五部分:总结

使用便携式红外热像仪在日常巡检中对建筑质量问题情况进行检查,发现问题后拍摄红外热图(含可见光),并使用语音记录功能说明问题发生的地点,后根据热像图进行问题点进行维修;或者对可以部位特别是平时无法判断的渗水部位进行确认,从而大大提高维修准确性和维修效率。

红外热像仪是—款轻便小巧、操作简便的建筑检测仪器,它具有灵敏度高、检测快速、无须照明等优点,只须简单地扣动扳机,便可以得到高质量的热像图。红外热像仪为“建筑行业的诊断”提供了一项新的检测方法,大大提高了检测的准确性、实效性、合理性,让建筑无损检测变得更加科学、进步与实用。




关键词: 红外热像仪     热像仪    

菜鸟
2015-01-29 09:51:21    评分
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菜鸟
2016-11-24 11:09:29    评分
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