超声红外热像技术进展及在混凝土应用的新探索.pdf

2 0 1 2 年 第 3 期 (总 第 2 6 9 期 ) Nu mb e r 3 i n 2 0 1 2 ( T o t a l No 2 6 9 ) 混 凝 土 Co nc r e t e 理论研究 THEORETI CAL RES EARCH d o i ： 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 2 0 3 0 0 3 超声红外热像攘术避晨及在混凝土应用的新探索 汤雷。蒋金平 ( 南京水利科学研究院，江苏 南京 2 1 0 0 2 4 ) 摘要： 综述了红外热像技术现状和进展， 红外热像技术对于缺陷与本体存在热容或者导热系数差异时检测效果较好， 并且检测效率 高。 分析了超声红外热像技术进展 ， 从复合材料、 金属材料损伤以及疲劳裂纹 3 个方面说明其应用现状， 超声热像技术具有适应复杂结构 的特点 ， 并且检测速度快， 具有对内部缺陷进行检测的潜在能力。 探索了超声热像检测技术在混凝土结构中应用的特点， 并建立混凝土结 构超声热像检测技术系统， 对混凝土墩的超声热像检测技术进行了探索。 关键词： 超声；红外； 检测；混凝土 中图分 类号： T U5 2 8 0 1 文献标 志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 2 ) 0 3 0 0 0 8 0 4 De ve l opmen t o f ul t r a s on i c i n f r ar ed t he r mogr a phy t ec hn ol ogy a nd t he s t udy on i t s a ppl i c a t i on i n c onc r e t e T ANG Lc i nANG i n - pin g ( Na n j i n g H y d r a u l i c R e s e a r c h I n s t i t u t e ， Na n j i n g 2 1 0 0 2 4 ， C h i n a ) Abs t r a c t ： T a k e s a r e v i e w o f i n f r a r e d t h e r mo g r a p h y t e c h no l o g yTh e inf r a r e d t h e r mog r a p h y h a v e g oo d e ffe c t s a n d h i g h d e t e c t i o n e ffic i e n c y wh e n t h e d e f e c t s ha v e h e a t o r t h e r ma l c o n d u c t i v i t y d i ffe r enc e s wi t l l o the r p a r t s Ana l y z e s the p r o g r e s s e s o f u l t r a s o n i c infra r e d t h e r mo g r a p h y t e c h no l o g y， i l l us t r a t e s the a p pl i c a t i o n f r o m t h e d a ma g e s o fc o mp o s i t e ma t e r i a l ， me t a l ma t e ria l a n d f a t i g u e c r a c k s Ul t r a s o n i c inf r a r e d thermo g r a p h y t e c hn o l o g y c a n b e a p p l i e d t o c o mp l e x s t r u c t u r e s wi t h f a s t d e t e c t i o n s p e e d， an d h a v i n g c a p a b i l i ty t o d e f e c t l a t e n t d e t e c t i o n s E x p l o r e s the a p p l i c a t i o n o f t h e u l - t r a s o n i c i n fra r e d the rm o g r a ph y t e c h n o l o g y i n c o n c r e t e s t r u c t u r e s ， e s tab l i s h e s u l t r a s o ni c i n frare d the r mo g r a p h y s y s t e m o n c o n c r e t e s t r u c t u r e s ， an d p r o b e s the d e t e c t i n g t e c hn o l o gy o n c o n c r e t e p i e r s Ke y wor ds ： u l t r aso n i c； i n frare d； d e t e c t i o n； c o n c r e t e 1 红外热像技术现状和进展 1 1应用情 况 红外热成像检测技术是依据自然界中物体均会连续辐射 红外线的这一物理现象 ， 通过被测物体的热量和热流， 非接触 式地检测被测物体质量的一种方法。 最初应用在军事领域 ， 近 年来随着高灵敏度 0 o 3、 高速红外热像仪的出现， 以及数字 热图像处理软件功能完善， 使得该技术的应用瓶颈已经突破 ， 目前该技术主要成功应用于电力设备老化， 石化管道渗漏， 冶炼温度和炉衬损伤， 航空胶结材料质量， 以及医疗诊 断等 。 在混凝土缺陷检测方面的应用包括： 利用缺陷与完好混 凝土热容与导热性能的差异 ， 对混凝土裂缝、 疏松 、 空洞等缺 陷进行检测1 2 l ； 渗漏处混凝土含水量较高 ， 利用水对混凝土 热容和导热性能的影响， 对隐蔽的渗漏点进行探查 1 3 ； 利用 过火后混凝土的热学参数的变化来检测混凝土的过火温度 ； 利用空气导热系数较混凝土低， 检测混凝土梁黏钢、 黏碳纤 维布或建筑外墙饰面层的粘贴质量 1 5 ； 通过检测热量泄出 点评价建筑节能性能。 总的看来 ， 红外热像检测技术在混凝土 缺陷方面的应用还不广泛深入 ， 缺乏混凝土裂纹等微细缺陷的 检测能力 1 6 - 1 7 】 。 收稿 日期 ：2 0 1 1 - 0 9 3 0 基金项 目：国家 自然科学基金项 目( 5 1 0 7 9 0 8 7 ) 8 1 2激励 方式 温差需要通过激励来生成， 因此激励设计是热像检测的关 键。 目前混凝土工程中热像检测的激励方式主要有 6 种【 S - 2 2 ： 自 然激励： 利用环境温度或 E t 照的自然变化实现激励 ； 辐射激 励： 外置热源如大功率的红外灯照射 ； 热风激励； 自激励 ： 缺陷部位 自发产生温度升高或降低； 电加热激励： 混凝土中 内嵌电热合金丝或表面粘贴的碳纤维本身通电加热 ； 加载激 励： 利用加载过程中混凝土红外辐射随应力变化而变化的物理 现象。 自 然激励、 辐射激励和热风激励是综合利用了热的辐射、 对流和传导的热传递方式， 从外部向被测构件传递热量 ， 属于典 型的外部激励。 实际应用中， 自然激励受天气限制。 辐射和热风 激励难以均匀， 并且由于是外部激励 ， 微缺陷与其基底温升差别 不大， 从而限制了细微缺陷的辨别能力。 自激励、 电加热激励和 加载激励属于特定条件下的激励方法， 仅应用于特定检测对象。 热像检测技术发展在混凝土材料领域相对滞后， 在航空复 合材料和金属材料领域热像检测的激励方式已经经历了三个 阶段。 第一阶段是 1 9 8 3 年 B u s s c t 提出利用强度调制的激光激 发被测物使之温度升高， 称为光热辐射激励。 其缺点是光束聚焦 照射被测物， 必须快速扫描才能保证均匀激励； 第二阶段 1 9 8 9 年 是 K u 0 提出利用氙灯闪光源大面积照射被测物， 称为辐射激 励 ， 如图 1 所示。 优点是实现了较大面积的激励， 缺点是灵敏度 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 和信噪比不高， 因为微小缺陷与其基底对光热的吸收差别不大。 第三阶段是 1 9 9 2年 B u s s e 2 捌 提出将低频调幅超声波输入被测 物和 2 0 0 0年 F a v r o提出将高能脉冲超声波输入被测物 ， 对缺陷 实现选择性加热， 称为超声激励。 超声激励是目前最先进的激励 方式之一， 它利用声能在缺陷部位损耗大实现了激励的选择性 ， 当前已成为研究的前沿热点。 我国首都师范大学丁友福、 张小 川开展了飞机前起落架旋转臂微裂纹的超声热像检测试验 ， 南京大学米小兵还研究了超声波引起固体微裂缝局部发热的 理论计算【3 1 ， 缪鹏程开展了超声热像检测铝合金板缺陷的试验 和瞬态温度场的有限元分析3 2 1 。 试块 n 实时成像 处理系 统 工 计算机 厂 显 示器 图 1 光热红外成像检测 系统 红外热 像仪 I 叁 兰 H 茎 垫H 里 墼 垄圭 墨I 图 2 调幅超声热波红外成像 系统 1 3 信号采集与分析 红外热像的检出信号是温度场， 早期采用红外扫描仪采集， 目前在缺陷检测领域主要采用热像仪采集。 热像检测技术发展 一 直到 2 0世纪 9 0 年代还受采集设备的制约， 随着电子技术的 迅速发展， 目前热像仪温度分辨率已可达 0 o 3、 采集速度也 显著提高， 这一瓶颈已经打破。 在信号分析方面， 也经过了三个阶段的发展。 第一阶段是直 观判断法 ， 就是利用热图像的直观属性 ， 直接判断图像中的高 温或低温区为缺陷区域。 表面缺陷等简单检测主要采用直观判 断法。 第二阶段是经验分析法， 该方法一般建立在试验研究的基 础上， 利用试验总结的规律分析判断缺陷。 如东南大学、 北京航 空航天大学对玻璃钢内部脱黏、 复合材料内部分层缺陷的大小、 深度、 厚度与红外热图像特征之间的关系进行了试验 ， 并得出 了缺陷深度和大小的计算方法 ， 如根据缺陷表面温差到达峰值 时间与缺陷深度之间的关系计算缺陷深度的一维传热模型。 第 三阶段是数值反演法， 对被测构件热激励和热量传播过程进行 数值仿真， 利用采集到的红外热图像反演出缺陷。 经验分析法和 数值反演法一般用于较复杂的内部缺陷检测 。 、 2 超声红外热像技术进展 2 1 超声热像的原理及其特点 当试件被超声激发振动时， 缺陷或不均匀区域引起振动显著 衰减。 主要是由于热弹效应和滞后效应。 金属在无损伤应力的 作用下热弹效应比滞后效应更明显 ， 非金属材料 ， 则滞后效应 是不可忽略的。 另一方面， 固体中声衰减随着声波频率的增加单 调递增 ， 典型地与频率的平方成正比。 因此为了获得检测所需的 热能， 激发较高频率的超声波只需较小的振幅。 因此采用高频超 声能达到更高灵敏度的检测。 超声红外热像技术在无损检测中 的应用主要基于两个方面的因素 ： 首先 ， 由于缺陷或非均匀区 域与邻近区域的弹性性质不同， 其声衰减及其产生的热比无缺 陷或均匀区域的多 使得该区域获得选择性的附加加热。 其次， 样品中的热流量与样品热学性质有关 ， 一般情况下缺陷区域比 无缺陷区域的热流量小， 因此缺陷或非均匀区域的热扩散比相 邻区域少。 由于这两个结果的共同影响， 缺陷或非均匀结构就可 以通过样品的温度异常升高表现出来， 通过使用红外热像仪就 可以很方便地观察和测量其异常结构。 较之脉冲闪光热激励， 超声热激励的优势在于无需考虑非 均匀加热问题， 即使试件有非常复杂的几何形状 ， 也可设计合 适的声发射激励头进行热激励 ， 这对于飞机承力构件( 如起落 架旋转臂和螺栓孔) 等疲劳裂纹或应力腐蚀裂纹的早期预报和 诊断具有重要意义。 对于大多数固体 ， 声波传到裂纹几乎是瞬时的， 例如横波 在钢中的传播速度约 3 2 k m s ， 对于帧频为 5 0 H z 的红外热像仪 ， 在两帧的时间间隔内 声波可以传 6 4 m， 由于声波衰减相对较 低， 因此对于某些材料 ， 声波能够在距离激发源较远或较深的 地方产生有效的激励。 故较脉冲闪光热激励方式， 超声激励方式 可以对更深的内部分层或裂纹等进行热激励。 超声热成像检测 中有效信号的产生过程取决于所注入的声能与试样机械性能 之间的相互作用， 试样表面的热特l生和热辐射特性影响不大。 较 常规脉冲闪光热成像检测法， 超声热成像检测法中对裂纹信号 和背景信号之间的辨别要简单得多。 因为脉冲闪光热成像检测 法是对整个试样表面进行加热， 整个被加热表面都会产生热辐 射， 因此无缺陷或损伤部位的热图像会影响到对有缺陷或损伤 部位的判别。 超声热成像检测法则利用声波对裂纹部位进行热 激励 ， 而无缺陷或损伤部位的温度变化很细微甚至没有 ， 从而 降低了背景信号， 更易于对缺陷或损伤的判别。 目前超声红外热像技术常用试验装置是如图 3 所示的试 验装置方框图。 超声激发源包括超声电源和超声发射器。 超声 电源的驱动既可以通过手动控制也可以通过计算机远程控制， 给超声发射器提供一个电信号。 超声发射器包含超声换能器和 一 个与样品接触的聚能杆。 通常还需要一些耦合剂如硅胶或凡 士林等为样品和聚能杆之间提供良好的声耦合。 红外热像仪用 来对样品表面温度进行检测和记录。 0 计算 机 超声 电源 图 3 超声 红外热像技术试验装置示意图 2 2 超声红外热像技术的应用 2 2 1 碳纤维增强复合材料桁条结构中缺陷检测 航空零件 中的碳纤维增强复合材料 C F R P桁条破裂是一 种严重故障隐患。 因为桁条隐藏在蒙皮或面板后面， 从飞机的外 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 表 4 2 8 d水化产物的重金属浸 出量 mg ， L 注 ： N D 指 未 检 出 。 明显低于 G B 5 0 8 5 3 1 9 9 6 规定的重金属元素允许浸出标准。 3结论 ( 1 ) 利用城市垃圾分拣残渣配料煅烧水泥， 在一定程度上 改善生料的易烧性， 熟料矿物类型、 水泥水化产物类型和水泥 性能与普通的硅酸盐水泥相同。 ( 2 ) 重金属含量浸出试验表明， 实验室掺烧 2 0 城市垃圾 分拣残渣的水泥 2 8 d 水化产物中 c d 、 c o 、 N i 、 P b 元素未发现有 检出， 而 As 、 C r 、 c u 、 Z n 元素仍有少量浸出， 浸出量分别为 As ： 0 0 0 92mg L； Cr ： 0 0 0 9 5 mg L； C u： 0 0 0 80mg L； Z n： O 0 0 95mg L。 明显低于 GB 5 0 8 5 3 一l 9 9 6规定的重金属元素允许浸出标准。 上接第 7页 5 】S UN We i ， MU R u ， L U O X i n ， e t a 1 E f f e c t o f c h l o ri d e s a l t ， f r e e z e t h a w c y c l i n g a n d e x t e rna l l y a p p l i e d l o a d o n t h e p e r f o r m a n c e o f t h e c o n c r e t e J C e me n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h 2 0 0 2 ( 3 2 )： 1 8 5 9 1 8 6 4 6 6 孙洋， 刁波 混合侵蚀与冻融环境下混凝土力学性能劣化试验 J 】 _建 筑科学与工程学报， 2 0 0 8 ， 2 5 ( 2 ) ： 4 1 4 4 7 1壬军强， 等 混凝土中冻融循环和氯离子侵蚀的耦合效应试验研究 混凝土 ， 2 0 0 8 ( 1 1 ) ： 2 9 3 1 【 8 覃丽坤 ， 宋玉普， 等 冻融循环对海水中混凝土抗压性能的影响【 J 混 凝土 ， 2 0 0 4 ( 1 ) ： 1 6 1 8 上接第 1 1页 【 2 O I 朱建堂， 陈向东 激光、 红外、 微波 N D T 新技术的应用与发展 J 】 _ 实用 测试技术， 1 9 9 6 ( 4 ) 【 2 l 】 符艳 红外热波检测技术介绍一访红外热波无损检测联合实验室 J 1 无损检测， 2 o o 4 ( 1 1 ) 2 2 陈磊， 刘方文， 戴前伟 水工混凝土质量无损检测技术研究进展 J 】 _工 程地球物理学报， 2 0 0 6 ( 4 ) 【 2 3 B U S S E G J d e P h y s i q u e ， 1 9 8 3 ， 4 4 ( 1 0 ) ： 4 7 1 4 7 8 2 4 I K U O P K， A HME D T ， F A V RO L D， e t alJ N o n d e s t r u c t E v alu a t ， 1 9 8 9 ， 8 ( 2 ) ： 9 7 1 0 6 2 5 B U S S E G J ， WU D， KA R P E N W J A p p 1 P h y s ， 1 9 9 2 ， 7 1 ( 8 ) ： 3 9 6 2 3 9 6 5 2 6 D I L L E NZ A， B US S E G， WU D U l t r a s o u n d l o c k i n t h e r mo g r a p h y ： f e a s i b i l i t i e s a n d l i m i t a t i o n s C D i a g n o s t i c I m a g i n g T e c h n o l o gi e s a n d I n d u s t ri a l A p p l i c a t i o n s ， M u n i c h ， G e r m a n y ， 1 9 9 9 ( 1 4 1 5 ) ： 1 0 1 5 【 2 7 B U S S E GN o n d e s t r u c t i v e e v a l u a t i o n o f p o l y me r s ： s o me n e w d e v e l o p m e n t s C 2 0 0 1 ： 1 7 1 7 - 1 7 2 4 2 8 1 R I E G E R T G， B U S S E G， e t a 1 A c o u s t i c l o c k i n t h e rmo g r a p h y o f i mp e r - f e e t s o l i d s f o r a d v a n c e d d e f e c t s e l e c t i v e N D E C I n n o v a t i o n s i n N o n l i n e a r t Ac o u s t i c s 2 0 0 6： 1 0 8 1 l 1 【 2 9 1 R I E G E R T G， B U S S E G， e t a1 A c t i v e t h e r mo g r a p h y f o r d e f e c t d e t e c t i o n 】 4 参考文献 ： 1 】李俊峰， 贺军， 肖家云利用现代化回转窑水泥厂处理工业和城市生 活垃圾叨环境工程， 1 9 9 7 ， 1 5 ( 4 ) ： 4 7 5 0 2 】辛美静， 杨学权 利用水泥回转窑处理城市生活垃圾f J 】 _ 能源研究与 利用 ， 2 0 04 ( 1 ) ： 4 8 5 0 3 刘大伟， 李伟光， 夏术军城市垃圾焚烧处理中的二次污染与防治 J 1 工业锅炉， 2 0 0 0 ( 3 ) ： 3 4 3 5 4 】 钱斌 城市垃圾焚烧炉中二恶英的污染及控制 J 】 工业炉, 2 0 0 0 ， 2 2 ( 1 ) ： 2 0 2 2 5 】 杨力远 ， 杨俊， 马军涛 利用污水厂污泥配料煅烧水泥熟料研究 J 】 武 汉理工大学学报， 2 0 0 7 ， 2 9 ( 1 1 ) ： 1 1 - 1 3 6 】 高长明利用水泥厂协同处置城市垃圾势在必行 J 1 _水泥工程， 2 0 0 7 ( 2 ) ： 3 - 6 f 7 乔龄山水泥厂利用废弃物的有关问题( 三) f J 1 _水泥， 2 o o 2 ( 1 2 ) ： 1 - 8 8 杨力远， 许艳丽 ， 马军涛， 等 污泥配料煅烧水泥对重金属固化行为 影0 NJ 硅酸盐通报， 2 0 0 8 ， 1 7 ( 5 ) ： 1 0 2 3 1 0 2 7 作者简介 ： 联 系地址 ： 联 系电话 杨力远( 1 9 6 4 一 ) ， 男， 副教授。 博士。 河南省郑州市科学大道 1 00 号 郑州大学材料科学与工程 学院( 4 5 00o 1 ) 1 5 9 3 6 2 51 9 6 6 【 9 】 G B J 8 2 8 5 ， 普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准 s 1 O 慕儒， 缪昌文， 刘加平， 等 氯化钠、 硫酸钠溶液对混凝土抗冻性的影 响及其机理 J 】 硅酸盐学报， 2 0 0 1 ， 2 9 ( 6 ) ： 5 2 3 5 2 9 作者简介 联系地址 联系电话 张健( 1 9 8 4 一 ) ， 男， 博士研究生， 主要从事混凝土耐久性结 构研究。 北京市海淀区学院路 3 7 号 北京航空航天大学土木工程 系( 1 0 0 1 9 1 ) 1 3 81 0 91 3 3 7 7 i n c a r b o n fi b e r r e i n f o r c e d c o m p o s i t e ma t e ri a l s C R e v i e w of P r o g r e s s i n Q u a n t i t a t i v e N o n d e s t r u c t i v e E v alu a t i o n ， 2 0 0 7 ： 1 0 44 1 0 5 1 3 0 -3 - 友福， 等热超声技术在裂纹检测中的应用叫 无损检测， 2 0 0 6 ( 1 2 ) 【 3 1 】 米小兵 超声波引起固体微裂纹局部发热的理论计算J 】 _ 自然科学进 展 ， 2 0 04( 6 ) 3 2 1 缪鹏程 ， 等 超声红外热像检测中缺陷发热的瞬态温度场的有限元 分析 J 】 南京大学学报 ： 自然科学， 2 0 0 5 ( 1 ) 【 3 3 博 大鹏， 张利群， 赵岩松红外无损检测中的裂纹特征提取和图形重 建方法研究 J 计算机测量与控制， 2 0 0 5 ( 7 ) 3 4 刘志才， 李志广红外热像仪图像处理技术综述田红外技术， 2 0 0 0 ( 6 ) 【 3 5 1 李晓霞， 伍耐明， 段玉霞， 等 碳纤维层合板低速冲击后的红外热波 检测分析田 复合材 料学报， 2 0 1 0 ， 2 7 ( 6 ) ： 8 8 9 3 3 6 1 杨小林， 吕伯平 超声热成像检测应用实例【 J 无损检测 ， 2 0 0 7 ， 2 9 ( 5 ) ： 2 7 5 2 7 7 作者简介 联 系地址 联 系电话 汤雷( 1 9 7 2 一 ) ， 男， 博士， 教授， 从事水工结构工程和地下结 构工程等方面的研究。 江苏省南京市虎踞关 3 4 号材结所( 2 1 o o 2 4 ) 0 2 5 8 5 8 2 9 6 2 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m