基于红外热成像技术的结构表面裂缝识别研究

张泽群 要会涛 陈嬿婷 郭筱雨 俞毛宁

摘要：暴露在自然条件下的混凝土结构，在长期的光照、雨水和风力等多种环境荷载作用下，其结构表面容易产生伤损裂纹，降低服役寿命，严重时甚至会引发安全问题。目前，针对混凝土结构的伤损检测工作通常在夜间进行，在弱光照条件的客观因素影响下，结构表面的伤损裂缝往往难以发现，相关隐患不能得到及时有效地排除。基于此，本文提出利用混凝土缺陷处和非缺陷处的温度差异特性，采用红外热成像技术对混凝土表面伤损裂缝进行准确有效地检测并根据像素映射关系对裂缝尺寸进行预估和计算。

关键词：红外热成像;表面裂缝;实验设计;伤损识别

服役状态下混凝土结构，其导热性能差和传热不均匀，内部温度出现周期性的变化，使得结构表面会产生温度裂缝，影响结构板结构的可靠性和耐久性。现阶段混凝土结构表面伤损的检查多采用人工方式，同时常在夜间进行。但夜间光照条件差，人眼易受到光照条件限制，无法及时准确的发现结构伤损病害。采用红外热成像检测的方式，可以极大地避免夜间受光照条件的限制，使检修人员能够及时准确的发现结构病害，并对其进行维修处理，减少事故发生的危险。

一、实验设计

在实验室制作边长为150mm的正方体混凝土试块。首先将水泥、细砂、石子、水按一定配比进行充分搅拌。完成后，将拌合物缓慢注入到预涂凡士林的模具中，在注入拌合物达到二分之一模具高度时放入加热垫片并进行固定。继续加入拌合物，直至模具表面。将一定长度的细木条半埋在模具表面，以此模拟试块表面伤损裂缝。在实验室条件下静置养护，混凝土试块制作完成。（见图1）

混凝土试块模型成品如图2所示：

二、实验过程与数据采集

利用预埋加热垫片对混凝土试块进行加热，在加热过程中，利用普通可见光摄像机和红外热像仪分别对试块进行拍摄，采集实验数据，如图3所示。

从图像中可以看出，在夜间条件下，用普通可見光摄像机模拟人眼进行拍照，几乎无法捕捉到试块表面的伤损裂缝，也不能够确定裂缝的具体位置，尺寸等相关信息。而通过红外热成像仪镜头，可以清楚地看到试块表面有明显的温度分层，且出现一道形状细长，温度较高的高亮区域，经过对比分析确认该处即为预先设置的裂缝区域。因此，通过对比发现，红外热成像技术能够准确地在夜间条件下对混凝土结构表面的伤损裂缝进行识别与检测。

三、数据分析

在红外热像图中，每个像素点即对应一区域温度。利用这一特性，将所摄红外热像图的温度数据导出，利用origin软件绘制温度分布等温线图。通过像素映射关系可以确定混凝土试块表面预裂缝的位置，并通过相关数抓计算预估裂缝的相关尺寸信息。（见图4）

对温度数据进行拟合获得的效果图：（见图5）

通过拟合软件对温度数据分析，从温度分布图中可以观察到温度最高的红色区域大致为一条斜线段，即混凝土试块表面的斜裂缝。从导入的温度数据可以发现，红外温度图像为：640*480像素点矩形，通过计算可知，斜裂纹的长度为135.8mm，与实际用钢尺所量取的长度148.4mm相比，误差仅为8.5%，可满足实际工程的需要。通过进一步的完善卖验方法和数据处理方法，可实现更好的分析效果。

四、实验结论

通过对实验试块进行地热成像对比实验和对实验数据的分析，得出以下结论：

（一）利用红外热成像检测技术能够在夜晚光照条件差，视线不良情况下对混凝土结构物表面进行检测识别，并准确发现相关伤损病害。

（二）通过对热成像检测数据的分析，可以确定伤损裂纹的位置及尺寸大小，效果较好，误差仅为8.5%。可实现非接触式的高效检测。

参考文献：

[1]冯立强，王欢祥，晏大伟，刘吉林.建筑外墙饰面层内部缺陷红外热像法检测试验研究[J].土木建筑与环境工程，2014，36（2）：57-61.

[2]陈大鹏，毛宏霞，肖志河.红外热成像无损检测技术现状及发展[J].计算机测量与控制，2016，24（04）：1-6+9.

基金项目：上海工程技术大学大学生重点科研平台创新训练资助项目（cs1810009）。