基于红外热成像的古建筑墙内暗柱材料缺失检测.pdf

DOI:10.12171/j.10001522.20230307基于红外热成像的古建筑墙内暗柱材料缺失检测王皓宇1,2彭林1,2张厚江1,2雷智勋1,2王辉3张典3唐家英3管成1,2（1.北京林业大学工学院，北京100083；2.北京林业大学木材无损检测国际联合研究所，北京100083；3.故宫博物院，北京100001）摘要:【目的】墙内暗柱是木结构古建筑的重要承重构件之一，因其处于潮湿和缺乏通风的环境，故多存在腐朽及由严重腐朽导致的材料缺失等缺陷，容易失去原有的承载能力和稳定性。墙内暗柱自身构造导致现有的检测手段受限，易造成不可逆的损坏。故本研究基于红外热成像原理开展墙内暗柱材料缺失缺陷检测理论与试验研究，以期为基于红外热成像的墙内暗柱缺陷状况无损检查方法的建立奠定部分前期基础。【方法】首先，从理论角度探讨古建筑墙内暗柱传热过程，推导稳态下木柱区域与纯墙体区域的温度公式，分析影响木柱材料缺失缺陷区域温度变化的因素；然后，建立试验模型，进行墙内暗柱缺陷红外检查试验，采集红外图像；最后，通过分析所获得的红外热图，探讨墙内暗柱材料缺失缺陷大小与墙体表面温度分布之间的关系。【结果】（1）理论研究表明：由于木材的横向导热系数远小于墙体导热系数，加热面加热温度相同的情况下，木柱墙体外表面所对应的温度偏低；墙内暗柱的检测效果主要受到缺陷尺寸，即缺陷高度、缺陷深度的影响。（2）试验结果表明：在稳态热传导下，木柱处的墙体外表面温度要低于纯墙体，即木柱处红外图像的颜色更浅；木柱缺陷的存在会使缺陷处墙体表面温度变高，红外图像颜色变深；木柱缺陷高度越大，缺陷导致的高温范围越大；木柱缺陷深度越大，缺陷区域温度值越高。（3）在非稳态热传导下，木柱中线温差分别与木柱缺陷高度（R20.964）、深度（R20.951）呈极强的正相关。（4）在木柱缺陷较小的情况下，墙体表面温度不因缺陷的存在而发生明显改变。【结论】木柱的缺陷高度与深度是影响缺陷红外热成像检测效果的主要因素，红外热成像法应用于古建筑墙内暗柱材料缺失缺陷的筛查与评估是可行的。关键词：古建筑；墙内暗柱；缺陷；红外热成像；无损检测中图分类号：TU366.2；TN29文献标志码：A文章编号：10001522(2024)03013213引文格式：王皓宇，彭林，张厚江，等.基于红外热成像的古建筑墙内暗柱材料缺失检测 J.北京林业大学学报，2024，46(3)：132144.WangHaoyu,PengLin,ZhangHoujiang,etal.Materialdeficiencytestoffully-concealedwoodcolumninwallsofancientbuildingsbasedoninfraredthermalimagingJ.JournalofBeijingForestryUniversity,2024,46(3):132144.Material deficiency test of fully-concealed wood column in walls of ancientbuildings based on infrared thermal imagingWangHaoyu1,2PengLin1,2ZhangHoujiang1,2LeiZhixun1,2WangHui3ZhangDian3TangJiaying3GuanCheng1,2(1.SchoolofTechnology,BeijingForestryUniversity,Beijing100083,China;2.JointInternationalResearchInstituteofWoodNondestructiveTestingandEvaluation,BeijingForestryUniversity,Beijing100083,China;3.ThePalaceMuseum,Beijing100001,China)Abstract:ObjectiveFully-concealedwoodcolumnisoneoftheimportantload-bearingcomponentsofancientwoodbuildings.Duetoitshumidityandlackofventilation,itoftenhasdefectssuchasdecayandmaterialdeficiencycausedbyseriousdecay,anditiseasytolosetheoriginalcarryingcapacityandstability.Thestructureoffully-concealedwoodcolumninwallsmakestheexistingdetectionmethodslimitedand收稿日期:20231106修回日期:20240104基金项目:故宫博物院科研项目（201909012）。第一作者:王皓宇。主要研究方向：木材无损检测。Email：地址：100083北京市海淀区清华东路35号北京林业大学工学院。责任作者:张厚江，教授，博士生导师。主要研究方向：木材无损检测。Email：地址：同上。本刊网址:http:/；http:/第46卷第3期北京林业大学学报Vol.46，No.32024年3月JOURNALOFBEIJINGFORESTRYUNIVERSITYMar.，2024easytocauseirreversibledamage.Therefore,basedontheprincipleofinfraredthermalimaging,thisstudycarriedouttheoreticalandexperimentalresearchonthedetectionofmaterialdeficiencyoffully-concealedwoodcolumninwalls,inordertolayapartofthepreliminaryfoundationforthefinalestablishmentofthenon-destructive inspection method of fully-concealed wood column defects in walls based on infraredthermalimaging.MethodFirstly,theheattransferprocessoffully-concealedwoodcolumninwallsofancientbuildingswasdiscussedfromthetheoreticalpointofview,andthetemperatureformulaofthewoodcolumnareaandthepurewallareaundersteadystatewasdeduced,andthefactorsaffectingthetemperaturechangeinthematerialdeficiencydefectareaofthewoodcolumnwereanalyzed.Then,thetestmodelwasestablished,andtheinfraredinspectiontestoffully-concealedwoodcolumninwallswascarriedouttocollect the infrared image.Finally,by analyzing the infrared heat map,we discussed the relationshipbetweenthematerialdeficiencydefectsizeoffully-concealedwoodcolumninwallsandthetemperaturedistributionofthewallsurface.Result(1)Thetheoreticalresearchshowedthatthetransversethermalconductivityofwoodwasmuchsmallerthanthatofthewall,andthetemperaturecorrespondingtotheoutersurface of the wood column wall was lower given the same heating temperature on the surface.Thedetectioneffectofthefully-concealedwoodcolumnsinthedetectionwallwasmainlyaffectedbythedefectsize,i.e.,thedefectheightandthedefectdepth.(2)Thetestresultsshowedthatundertheconditionofsteadyheatconduction,theexternalsurfacetemperatureofthewallatthewoodcolumnwaslowerthanthatofthepurewall,i.e,thecoloroftheinfraredimageattheformerwaslighter.Thesurfacetemperatureofthewallbecamehigherandthecoloroftheinfraredimagebecamedarker.Thehigherthedefectheightwas,thegreatertherangeofhightemperaturecausedbydefectswas.Thehigherthedefectdepthwas,thehigherthetemperatureinthedefectareawas.(3)Inthecaseofunsteadyheatconduction,thetemperaturedifferenceinthemiddlelineofthewoodcolumnshowedastrongpositivecorrelationwiththeheight(R20.964)anddepth(R20.951)ofwoodcolumndefects.(4)Inthecaseofsmallwoodcolumndefects,thesurfacetemperatureofthewalldidntchangesignificantlyduetotheexistenceofdefects.ConclusionTheheightanddepthofdefectsoffully-concealedwoodcolumnarethemainfactorsaffectingthedetectioneffectofdefectsbyinfraredthermalimaging.Itispossibletouseinfraredthermalimagingmethodtoscreenandevaluatethematerialdeficiencydefectoffully-concealedwoodcolumninwallsofancientbuildings.Key words:ancientarchitecture;fully-concealedwoodcolumninwalls;defect;infraredthermalimaging;nondestructivetesting中国木结构古建筑是人类文明长河中最悠久持续的传统建筑之一，其体系的完备和规范无与伦比，堪称中华文化瑰宝中的璀璨明珠1。木柱是木结构古建筑的关键承重构件之一，支撑着建筑顶部的全部重量。古建筑木柱根据其与墙体间的位置关系，可分为露明柱、半露明柱和墙内暗柱 3 类2。其中，墙内暗柱是指完全被墙体包裹的木柱，因其根部处于易潮湿和缺乏通风的环境，易产生腐朽及由严重腐朽导致的材料缺失等缺陷。这些缺陷会使木柱丧失原有的承重能力，给整个古建筑的安全带来隐患。为了检测古建筑木柱内部以及被墙体遮挡处的缺陷，往往需要采用无损检测技术，这类非破坏式检测可在尽量保持材料和结构完整的前提下，利用现代物理手段和仪器对其缺陷情况以及物理力学性能进行检测与分析34。根据 T/CECS7142020古建筑木结构检测标准5和 DB11/T1190.12015古建筑结构安全性鉴定技术规范第一部分6，目前用于检测古建筑木柱缺陷的方法主要有微钻阻力法和应力波法等。陈勇平等7通过分析微钻阻力曲线的轮廓和走势，实现了对瓜棱柱露明柱内部结构的精确探测，从而推断出早期和后期瓜棱柱维修的差异。段新芳等8采用应力波测定仪 FAKOPP 对塔尔寺大金瓦殿部分木构件中的木柱进行了检测，结果表明应力波技术可以判断和测量木构件内部的缺陷情况和力学强度。张典等2、于永柱等9对故宫养心殿墙体木柱（半露明柱和墙内暗柱）缺陷状况进行了无损检测研究，对半露明柱的检查充分利用了木柱外露表面提供的仪器操作空间，而墙内暗柱利用透风墙体的通风口拆除部分砖块形成的拆口，作为仪器操作空间进行检查，并利用有限元进行了安全性分析。Kandemir-Yucel 等10利用超声波速测量技术与其他技术结合对土耳其清真寺中的木结构进行无损第3期王皓宇等：基于红外热成像的古建筑墙内暗柱材料缺失检测133检测，评估包括木柱在内的结构木构件的保存状态、潮湿情况与修复情况。到目前为止，古建筑木柱无损检查研究和应用多针对的是露明柱和半露明柱，而对墙内暗柱缺陷状况检测相对很少，且往往需要利用墙内暗柱透风口并拆除部分砖块形成的拆口进行检测。这种墙内暗柱检查方式在一定程度上会破坏古建筑原有结构与形貌，且由于仪器无法全面铺开，存在检测死角，检测效果并不理想。因此，亟需一种不破坏古建筑结构的墙内暗柱无损检查方法。红外热成像技术利用物体会按照温度辐射不同波长电磁波的原理，将检测物体发出的红外辐射转换为可视化温度场，实现对物体的缺陷测量11。有研究者将红外热成像技术应用到墙壁外保温层的热工缺陷、表面开裂和墙面间空鼓等的检测中。Grinzato 等12通过热像仪记录温度的空间分布与时间演变过程，基于最合适的局部热参数对数据进行处理，以检测出墙体的缺陷分布，但无法检测具有较低热信号特征的缺陷。Tavukuolu 等13将红外热成像技术与超声波相结合，有效地检测了历史砌体的裂缝，并区分裂缝深度，但需要对区域进行连续热监测，以升温速率判断深度。Afshani 等14基于被动热成像检测损伤的混凝土结构中的缺陷，解释了由于传导、对流和辐射机制引起的混凝土管片、隧道空气和空隙内部空气中的热量传递，并分析了空洞类型、温差和空洞深度对检测精度的影响。Martnez 等15利用被动红外热成像技术评估西班牙马德里木质屋顶建筑的缺陷情况，证明该技术可以检测热变化的缺陷，但环境因素与检测时间会影响热检测的效果，且没有进行主动热成像的缺陷检测研究。本研究团队针对古建筑墙内暗柱缺陷状况检测困难的问题，基于红外热成像无损检测技术开展了相关研究。首先，从理论上分析墙体与木柱传热机理，以及缺陷参数对热传导的影响；然后，建立试验模型，进行墙内暗柱材料缺失红外检查试验，采集红外图像；最后，通过分析获得的红外热图，探讨墙内暗柱缺陷大小与墙体表面温度分布之间的关系。以期为基于红外热成像的墙内暗柱缺陷状况的材料缺失无损检测方法的建立，奠定部分前期基础。1热成像检测理论基础1.1 红外热成像检测原理因为墙内暗柱根部最易腐朽，所以按照外表面垂直剖面介质的不同，将古建筑墙内暗柱观测面分为 3 个部分：纯墙体区域 P1、完整木柱区域 P2、缺陷木柱区域 P3（图 1）。本研究模拟冬季暖气等加热设备加热室内墙体的环境，近似认为加热设备给墙面施加均匀稳定的热。此时室内的墙体表面靠近热源，被定义为内表面，远离热源的室外墙体表面被定义为外表面。当 P3 区域木柱出现缺陷缺失时，热量辐射到墙壁内表面并传热至观测面（外表面），导致观测面上 P1、P2、P3 区域的温度存在一定差异，从而产生不同的红外表征，红外热像仪利用这种辐射差异，在形成的红外热图上出现其相对应的“热区”和“冷区”。因此，可以通过红外热像图红外表征分析古建筑墙内暗柱缺陷情况。热量Quantity of heatZXY内表面Inner surface木柱墙体WallP1P2P1P3外表面Outer surfaceWood columnP1.纯墙体区域Purewallarea；P2.完整木柱区域Completewoodcolumnarea；P3.缺陷木柱区域Defectivewoodcolumnarea图1墙内暗柱观测区域划分Fig.1Divisionofobservationareaoffully-concealedwoodcolumninwalls1.2 传热机理1.2.1墙体与木柱传热机理以 Y-Z 平面为剖面剖切墙体，图 2a 为 P1 区域单层砖墙体导热16示意图，其两个表面分别维持在均匀且恒定的温度 T0、T1中，图 2b 为 P2 区域 3 层导热示意图，第一层和第三层为砖墙体，第二层为木柱，两个表面分别维持在均匀且恒定的温度 T0、T3中。该导热问题的数学描述为d2Tdx2=0(1)式中：T 为温度，；x 为表示长度的横坐标，m。将式（1）连续积分两次，并将边界条件 x=0，T=T0和x=d（墙体厚度），T=T1分别代入其中，可得出温度分布。T=T1T0 x+T0(2)因为、T0、T1为定值，所以温度呈线性分布，即温度分布曲线的斜率是常数。dTdx=T1T0(3)对于表面积为 A（m2），两侧表面各自维持均匀温度的墙壁，将式（3）代入傅里叶定律的表达式可得134北京林业大学学报第46卷q=A=dTdx(4)式中：q 为热流密度，W/m2；为热流量，W；为导热系数，W/（m）。R 为单位面积热阻，m2/W，它表示热量传递过程中的阻力，热阻越小则单位面积热流量越大。R=Txq=(5)式中：为墙体沿 x 轴方向的厚度，m；Tx为平壁两侧的温差，。由式（5）可知热传导中热阻与材料厚度和导热系数有关。将 P2 区域的稳态导热过程简化为 3 层平壁导热，理想状况下假设墙壁与木柱界面无接触热阻，则热流密度的计算式为q=T0T31w+2t+3w(6)式中：w、t分别为墙体和木柱横向导热系数，W/（m）。木材细胞中空，内部空气是热电不良导体，故木材是一种天然的、隔热性能较好的材料。落叶松的横向导热系数远小于墙体导热系数，即 wt。根据式（5）可知墙体单位面积热阻 Rw完整木柱区域热流密度 qP2。故相比于 P1 区域，P2 区域的单位热阻较大，传导能力较弱。加热面加热温度相同的情况下，P2 区域所对应的温度偏低，故可以通过区域的温度差异实现墙内暗柱位置的判断。1.2.2缺陷处传热原理为了简化计算我们将木柱看成墙体结构中连续的一部分（图 3），无接触热阻。由于古建筑墙体木柱的墙壁面积与厚度之比很大，将其近似为一个无限大平壁，符合如下条件17。x(Tx)=cTt(7)T/xT/x式中：为墙体的密度，kg/m3；c 为墙体的比热容，J/（kg）；Tf为对流换热的流体温度，；h 为表面换热系数，W/（m2）。当时间 t=0 时，T=T0；当x=0 时，=0；当x=d 时，=h（T Tf）。热量Quantity of heatT0T/TP2TP3qTfh砖墙体Brick wall木柱dx/m空气 Air1O23Wood columnT0.加热温度 Heatingtemperature；1.第一层墙厚度Firstlayerwallthickness；2.第二层墙厚度/木柱直径Secondlayerwallthickness/woodcolumndiameter；2.第三层墙厚度Thirdlayerwallthickness；q.热流密度Heatflux；h.传热系数Heattransfercoefficient；Tf.流体温度Fluidtemperature；TP2.P2 区域温度P2areatemperature；TP3.P3 区域温度P3areatemperature图3墙内暗柱热传导示意图Fig.3Heatconductiondiagramoffully-concealedwoodcolumninwalls对于无缺陷的墙体传热，引入过余温度 =T Tf，则导热微分方程可表示为t=2X2(8)式中：当 t=0 时，=0=TTf；Tf为环境流体温度，；为热扩散率，=/c。将数据进行无量纲化，F=/0作为替代后的无量纲温度变量，X=x/d 作为替代后的无量纲坐标变量，从而得到F(t/d2)=2FX2(9)F/X=0F/X当 t=0 时，F=F0=1；当 X=0 时，；当X=1 时，=hdF/。本研究涉及流体，傅里叶数为 Fo=t/d2，表示墙体热传导过程替代后的时间变量；毕渥数为 Bi=hd/，表示墙体内部单位面积的热阻与表面处外部热阻之比，其中 d 为墙体厚度（特征长度）。从而得到无量纲化的温度变量 F，F 是傅里叶数 Fo、毕渥数Bi 和无量纲化后的坐标变量 X 的函数，可写为F=g(Fo,Bi,X)(10)热量Quantityabof heat木柱column砖墙体Brick wallT0T0T2T3qqdxOoddx/mx/m123T1T1T/T/WoodT0.加热温度Heatingtemperature；T1.单层墙外表面温度Single-layerwallexteriorsurfacetemperature；T1.3 层墙第一、二层之间温度Temperaturebetweenthefirstandsecondlayersofthethree-layerwall；T2.3 层墙第二、三层之间温度Temperaturebetweenthesecondandthirdlayersofthethree-layerwall；T3.3 层墙外表面温度Three-layerwallexteriorsurfacetemperature；d.墙体厚度Wallthickness；1.第一层墙厚度Firstlayerwallthickness；2.第二层墙厚度/木柱直径Secondlayerwallthickness/woodcolumndiameter；2.第三层墙厚度Thirdlayerwallthickness；q.热流密度Heatflux图2墙体一维热传导Fig.2One-dimensionalheatconductionofwall第3期王皓宇等：基于红外热成像的古建筑墙内暗柱材料缺失检测135假设木柱缺陷部位的墙体外表面温度为 TP3，木柱无缺陷部位的墙体外表面温度为 TP2，那么可以得到有木柱缺陷和无木柱缺陷部位墙体外表面的温度之差，即T=TP2TP3(11)考虑到木柱环形套筒式缺陷和尺寸，即缺陷高度 l、缺陷深度 w 与木柱直径 2的作用，T 可以表示为T=g(0,t,d,h,l,w,2)(12)式中：0为初始时刻的过余温度，；t 为时间，s；为热扩散率，m2/s；d 为墙体厚度，m；为导热系数，W/（m）或 J/（ms）；h 为传热系数，J/（m2s）；l 为缺陷高度，m；w 为缺陷深度，m；2为木柱直径，m。则基本量纲为 s、m、J。依据量纲分析法基本原理 定理，选择 T、t、和 d 这 4 个有量纲的物理量，则剩余物理量在所参与物理过程中的函数关系可表示为1=0T1ty1z1dw1,2=T2ty2z2dw2,3=hT3ty3z3dw3,4=T4ty4z4dw4,5=wT5ty5z5dw5,6=wT6ty6z6dw6(13)应用量纲和谐原理，各 项的指数为A1=0T，A2=td2，A3=hd，A4=ld，A5=wd，A6=2d(14)则得到无量纲方程T=f(td2,hd,ld,wd,2d)0(15)式中：傅里叶数 t/d2、毕渥数 hd/为热力学参量，其大小跟温度环境与材料自身性质有关；0表示初始时刻的过余温度，与温度环境有关；直径 2为定值。故缺陷高度 l、缺陷深度 w 与为主要研究变量。利用热成像技术检测墙内暗柱的检测效果主要受到缺陷尺寸（即缺陷高度 l、缺陷深度 w）的影响。本理论分析将为后续试验组的设置和试验结果的分析提供依据。2材料与方法2.1 材料2.1.1墙体模型图 4 为试验用墙体模型及其尺寸。古建筑各部位和构件之间的比例关系构成了古建筑设计和施工的固定法则，清式营造则例18规定“隔断墙，在柱之里外，每面加厚，按柱径四分之一，故墙厚合一柱径半”，即墙厚度为柱厚度的 1.5 倍。因为实际模型尺寸与质量较大，很难在实验室环境下加工放置与全面加热，故按清式带斗拱建筑檐柱尺寸中九等材的三分之一建造，木柱直径为 130mm，墙壁厚度为200mm。根据实地检测，发现墙体与木柱间有很小的空隙，几十至几百年间空隙中积累的碎土、灰尘等导致墙体与木柱间大部分相接触。故在墙体模型设计与建造中，在中心位置设置一个直径 130mm、高度500mm 的圆柱空洞，每次试验开始前将不同的木柱试件放入其中，木柱试件与墙体的配合状态为接触性过渡配合。另外，古建筑墙体木柱往往设有“透风”，即通风口，起到空气交换、循环的作用。但长年累月的碎土、灰尘沉积使通风口空气流通受到很大的限制，通风口几乎失去作用，故设计试验模型时忽略了通风口因素。墙内暗柱模型尺寸如图 4b 所示。在古建筑建造过程中，工匠将木柱底部与建造于地面上的柱础相接，以防木柱受潮腐蚀。为了最大程度地模拟实际情况，本研究在制造模型时，于底部构造了台基与墙体相连，此台基尺寸为 500mm（长）500mm（宽）65mm（厚），试验墙体模型如图 4c 所示。500565500200500 a 墙内暗柱Fully-concealed wood column in wallsb 墙体和木柱尺寸c 试验墙体模型Test wall model500130单位 Unit:mmWall and wood column dimensions图4试验墙体模型及其尺寸Fig.4Modelandsizeofwallfortest136北京林业大学学报第46卷2.1.2木柱试件结合参考文献与课题组现场检测经验，古建筑墙内暗柱缺陷主要发生在其下部，根部最严重，往上逐渐减轻。缺陷形式主要是木柱与墙壁接触表面的腐朽，以及由腐朽严重后形成的材料缺失，形状为三角形截面的环形套筒（图 5a、b）。为便于试验开展，本研究选用北京古建筑木构件常见树种落叶松（Larixgmelinii）木材加工木柱试件，且用去除部分木材的形式模拟木柱缺陷，后文中提到的缺陷均为材料缺失缺陷。将落叶松木材自然风干，使用 YM-50A 含水率测试仪测得试件平均含水率约为 8%。参照GB/T180001999木材缺陷图谱19，沿顺纹方向对木材试件进行车削从而获得落叶松缺陷木柱。为探究木柱材料缺失的缺陷尺寸对红外热成像检测效果的影响趋势，采用控制变量法，对不同缺陷高度 l 与缺陷深度 w 进行组合。缺陷木柱试件编号以 DCl-w 表示，l 表示为缺陷高度编号，w 表示为缺陷深度编号（图 5e）。例如 DC2-3 表示缺陷高度200mm、缺陷深度 32.5mm 的缺陷木柱试件（图 5c）。无缺陷木柱试件编号为 DC0；缺陷木柱试件编号从DC1-1 到 DC4-4，共 16 组（表 1）。2.2 红外热成像检测方法搭建墙体木柱缺陷红外热成像检测系统，主要构成如图 6a 所示。试验控制在室温（200.5）的环境下进行，试验前将墙体和检测系统提前 48h 放置在室温为（200.5）的室内静置。实验室环境光线会影响结果的准确性，为了减少光照对本试验的影响，本试验在暗室内进行，并使用遮光布完全遮盖住检测系统。为保证加热的均匀性，基于 GB/T102952008绝热稳态传热性质的测定标定和防护热箱法20设计均匀热激振装置。该装置通过恒定温度接触式电加热层发热，接触式电加热层外侧填充保温隔热材料，通过紧贴的铝板将热激振均匀传导到墙体加热面。采用 FlukeTi55 红外热成像仪拍摄红外热图，热像仪探测类型为 320240 像素的焦平面阵列，带有 25m 间距的 VanadiumOxide 非制冷微量热型探测器，其捕获光谱带为 814m，温度测量量程为20350，能满足实验所需精度。拍摄时将红外热像仪放置于距离墙体模型 2m 处，设置电加热装置温度为 70，加热时间为 24h，墙体表面发射木柱2lw13020032.5材料缺失MaterialdeficiencyMaterial deficiency木柱示意图Classification diagram of material deficiencySchematic diagramof DC2-3木柱仰视图Bottom view of circularmaterial deficiencyDC0DC2-1 DC2-2 DC2-3 DC2-4DC1-2 DC2-2DC3-2 DC4-2单位 Unit:mma 材料缺失木柱b 环形材料缺失c DC2-3 示意图e 材料缺失分类示意图d 环形材料缺失IIIIIIWood columnwood columnwood columnSchematic diagram of circularmaterial deficiency wood columnl.缺陷高度Defectheight；w.缺陷深度Defectdepth；2.木柱直径Woodcolumndiameter图5木柱试件材料缺失缺陷及其分类示意图Fig.5Materialdeficiencydefectsandclassificationschematicdiagramofwoodcolumnspecimens第3期王皓宇等：基于红外热成像的古建筑墙内暗柱材料缺失检测137率为 0.9，采集观测表面红外热图的频率为每小时一张，使用 ElitechBT-3 型温度计进行室温的检测并记录。选择拍摄墙内暗柱墙壁的 4 个直角点进行透视变换，获得的正视图的热图序列混有随机噪声与图像信息，采用中值滤波的方法去除（图 6a 的 1.2）。然后将红外热图按照时间顺序排列（图 6a 的 1.3），获得连续热图序列（以试件 DC2-3 为例，图 6b）。最后，对采集到的非稳态、稳态温度数据进行数据分析。3结果与分析以图 6b 所示的木柱试件 DC2-3 试验红外热图为例，自加热第 6 小时起，纯墙体区域 P1 与木柱区域 P2、P3 的温度存在显著差异，纯墙体区域温度高于木柱区域表面，即木柱区域颜色更浅。这是因为在传热方向上木柱的传热系数远小于墙体，相比纯墙体，包含木柱的墙体热阻更大，传热能力更弱。在其他木柱试件的红外热图上，均有相似的现象。另外，由图 6b 还可观察到墙体底部存在一个热流相对密集、温度较低的热桥21区域，这是由台基吸热造成的。从图 6b 中同时可以发现：完整木柱区域 P2 与缺陷木柱区域 P3 的温度在加热过程中也存在差异，自加热第 4 小时开始，P3 区域的温度大于 P2 区域的温度，即缺陷木柱区域颜色比完整木柱区域更深。从热传导的角度，这种现象可以解释为：在加热初期，由于墙体较厚，传导、辐射、对流所传递的热表1木柱试件几何参数表Tab.1Geometricparametersofdefectivewoodcolumnspecimen模型编号ModelNo.缺陷高度Defectheight（l）/mm缺陷深度Defectdepth（w）/mmDC000DC1-11009.0DC1-210019.0DC1-310032.5DC1-410065.0DC2-12009.0DC2-220019.0DC2-320032.5DC2-420065.0DC3-13009.0DC3-230019.0DC3-330032.5DC3-430065.0DC4-14009.0DC4-240019.0DC4-340032.5DC4-440065.011.1.1.2Schematic diagram of fully-concealed wood columndefect detection system in walls1.344.44.34.24.130.029.529.028.528.027.527.026.526.025.525.024.524.023.523.022.522.021.521.020.520.0234a 墙内暗柱缺陷检测系统示意图02 4681012141618202224加热时间 Heating time/hb DC2-3 连续红外热图Continuous infrared heat map of DC2-3T/1.电脑（1.1Smartview4.3 所得红外热成像图像，1.2透视变换、中值滤波，1.3 时序排列）Computer（1.1InfraredthermalimagingimagesobtainedbySmartview4.3,1.2Perspectivetransformation,medianfiltering,1.3Timingarrangement）；2.红外热像仪 Infraredthermalimager；3.墙内暗柱模型 Fully-concealedwoodcolumninwalls；4.均匀热激励装置（4.1 自热式工业电加热装置，4.2 保温后盖，4.3 支撑桁架，4.4 铝板）Uniform thermal excitation device（4.1 Thermal industrial electric heating device,4.2 Thermal insulation back cover,4.3 Support truss,4.4Aluminumplate）图6红外热成像检测系统和结果示意图Fig.6Infraredthermalimagingdetectionsystemandresultdiagram138北京林业大学学报第46卷量无法在观测面上体现出来，此时各区域温度一致；加热中后期，P3 区域木柱缺陷处存在的热辐射与热对流现象，增强了热量对墙体的穿透力，造成缺陷木柱区域 P3 墙体外表面温度高于非缺陷区域 P2。由此可以得出，红外热成像检测技术可以对墙内暗柱材料缺失缺陷进行检测。图 7 为 DC2-3 不同区域的中点位置温度变化图。当墙体加热 2024h 时，墙体表面的温度增长率不足 5%，并长期维持稳定。此时墙体内部的物理量在一段时间内保持稳定，或者变化缓慢，因此可以认为此时墙体已经达到稳态热传导。而 020h 时，其内部物理量在持续变化，因此被认为是墙体的非稳态热传导阶段。2827262524232221200510152025时间 Time/h墙体外表面温度Temperature of outersurface of wall/非稳态热传导Unsteady heatconduction稳态热传导conductionSteady heatP1P2P3图7DC2-3 不同区域的中点位置温度变化图Fig.7TemperaturechangediagramofmidpointindifferentregionsofDC2-3加热 2024h 的 P3 温度大于 P2 温度，验证了1.2.1 节的理论分析。式（5）、（6）所体现的理论结果也可用于无透风口情况下墙内暗柱位置的判断。3.1 稳态下红外热图分析3.1.1缺陷高度对热成像影响图 8 分 别 为 稳 态 下 木 柱 试 件 DC0、DC1-4、DC2-4、DC3-4、DC4-4 的红外热图。结果为固定变量重复验证试验所得，结果显示：DC0 木柱区域 P2的温度由上至下逐渐减少，DC1-4 缺陷区域 P3 的温度与完整木柱区域 P2 温度基本一致，DC2-4、DC3-4、DC4-4 上的缺陷区域 P3 颜色比非缺陷区域 P2 颜色更深，即温度更高。随着木柱缺陷高度 l 的增加，温度分布形状由原先的“11