水泥基材塗裝材料加速劣化之紅外線熱像特性檢測分析

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(1)水泥基材塗裝材料加速劣化之紅外線熱像特性檢測分析. 內政部建築研究所自行內政部建築研究所自行研究報告中華民國 98 年 12 月.

(2) 水泥基材塗裝材料加速劣化之紅外線熱像特性檢測分析. PG9803-0258 098301070000G2007. 水泥基材塗裝材料加速劣化之紅外線熱像特性檢測分析. 研究人員：林谷陶研究員. 內政部建築研究所自行內政部建築研究所自行研究報告中華民國 98 年 12 月.

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(5) 目次. 目. 次. 表次…………………………………………………………………… 表次……………………………………………………………………Ⅲ ……………………………………………………………………Ⅲ 圖次…………………………………………………………………… 圖次……………………………………………………………………Ⅴ ……………………………………………………………………Ⅴ 摘要…………………………………………………………………… 摘要……………………………………………………………………Ⅶ ……………………………………………………………………Ⅶ 第一章緒論…………………………………………………………1 …………………………………………………………1 第一節研究緣起與背景……………………………………… 研究緣起與背景………………………………………1 ………………………………………1 第二節研究目的……………………………………………… 研究目的………………………………………………2 ………………………………………………2 第三節研究內容與方法……………………………………… 研究內容與方法………………………………………4 ………………………………………4 第二章文獻分析 ………………………………………………………5 ………………………………………………………5 第一節紅外線熱影像在非破壞性檢測的應用領域紅外線熱影像在非破壞性檢測的應用領域………… 破壞性檢測的應用領域…………6 …………6 第二節紅外線熱影像建築物非破壞性檢測的介紹 ………7 ………7 第三節紅外線熱影像在土木建築實驗研究的介紹 ………1 ………11 第三章紅外線理論紅外線理論與技術理論與技術 …………………………………………21 …………………………………………21 第一節紅外線基礎紅外線基礎 …………………………………………21 …………………………………………21 第二節紅外線熱影像技術 …………………………………2 …………………………………25 第三節紅外線熱像儀的選用紅外線熱像儀的選用 ………………………………2 ………………………………27 第四章實驗規劃與檢測方法實驗規劃與檢測方法 ………………………………………31 ………………………………………31 第一節紅外線熱像儀介紹 ………………………………… …………………………………31 ………………………31 第二節第二節水泥基材塗裝後耐候性能 ………………………… …………………………3 ………………34 第三節實驗規劃 …………………………………………… ……………………………………………3 …………………………………35 第四節試體設計與製作 ……………………………………40 …………………………………40 第五章實驗結果與分析 …………………………………………… ……………………………………………4 ………………………………………47 第一節實驗數據檢視 ………………………………………47 ………………………………………47 第二節降溫微分方程式分析及繪圖 ………………………49 ………………………49 第三節試體降溫能力之比較分析………………………… 試體降溫能力之比較分析…………………………52 …………………………52 第六章結論與建議 ……… …………………………………………………55 …………………………………………55 第一節結論 ………………………………………………… …………………………………………………55 ………………55 第二節建議 …………………………………………………56 …………………………………………………56 I.

(6) 水泥基材塗裝材料加速劣化之紅外線熱像特性檢測分析. 參考文獻 …………………………………………………………… 57 附錄 A 期初簡報會議紀錄 …………………………………………59 …………………………………………59 附錄 B 常用外牆飾面層材料的輻射率……………………………… 常用外牆飾面層材料的輻射率………………………………61 ………………………………61 附錄 C 詞彙…………………………………………………………… 詞彙……………………………………………………………63 ……………………………………………………………63 附錄 D 紅外線熱像儀影像溫度紀錄彙整表 ………………………69 ………………………69 附錄 E 影像紀錄表( 影像紀錄表(部分) 部分) …………………………………………73 …………………………………………73. II.

(7) 表次. 表. 次. 表 2.1.1 .1.1 紅外線熱影像檢測項目紅外線熱影像檢測項目……………………………………7 …………………………………7 表 4.3.1 紅外線熱像儀 B660 建議參數值 …………………………39 …………………………39 表 4.4.1 水泥砂漿配比表…………………………………………… 水泥砂漿配比表……………………………………………41 ……………………………………………41. III.

(8) 水泥基材塗裝材料加速劣化之紅外線熱像特性檢測分析. IV.

(9) 圖次. 圖. 次. 圖 2.2.1 外牆滲水的熱影像圖 ………………………………………8 ……………………………………8 圖 2.2.2 屋內插座接線不良的熱影像圖 ……………………………9 ……………………………9 圖 2.2.3 屋內保險老化過熱的影像圖 ……………………………10 ……………………………10 圖 2.2.4 建築物隔熱缺陷熱影像圖 ………………………………10 ………………………………10 圖 2.3.1 土木工程脈衝式熱影像實驗裝置的概要圖土木工程脈衝式熱影像實驗裝置的概要圖 ……………1 ……………12 圖 2.3.2 整體實驗裝置及位置的照片 ……………………………1 ……………………………13 圖 2.3.3 鋼筋混凝土樑支承及千斤頂受力配置圖 ………………15 ………………15 圖 2.3.4 施加 4545-55 Kn 反覆載重時之熱影像 ……………………16 ……………………16 圖 2.3.5 試體破壞瞬間的熱影像 …………………………………1 …………………………………17 圖 2.3.6 1.2 公尺 GFRP 補強的混凝土樑破壞後的實體照片 ……17 ……17 圖 2.3.3 儀器高度、 …………………19 儀器高度、牆面距離及整體儀器架設 …………………19 圖 3.1.1 電磁頻譜 ………………………………………………… …………………………………………………23 …………………23 圖 4.3.1 實驗規劃構想 ……………………………………………36 ……………………………………………36 圖 4.3.2 實驗配置圖 ………………………………………………37 ………………………………………………37 圖 4.4.1 細骨材粒徑分佈圖………………………………………… 細骨材粒徑分佈圖…………………………………………41 …………………………………………41 圖 4.4 4.4.2 試體測溫配置圖試體測溫配置圖 …………………………………………42 …………………………………………42 圖 4.4.3 實驗室夜間較佳位置 ……………………………………44 ……………………………………44 圖 4.4.4 紅外線熱像儀未受外部溫度輻射干擾 …………………4 …………………44 圖 5.1.1 N 列前 25 筆資料分佈及配適擬合 2 次曲線圖 …………48 …………48 圖 5.1.2 5.1.2 N 列後 38 筆資料分佈及配適擬合 2 次曲線圖 …………49 …………49 圖 5.2.1 水泥基材未塗裝素面未劣化之降溫曲線 ………………50 ………………50 圖 5.2.2 水泥基材未塗裝素面已經劣化試片之降溫曲線 ………51 ………51 圖 5.2.3 水泥基材塗裝環氧樹脂未經劣化試片之降溫曲線 ……51 ……51 圖 5.2.4 水泥基材塗裝環氧樹脂已經劣化試片之降溫曲線 ……52 ……52 圖 5.3.1 四種試片降溫曲線 ………………………………………53 ………………………………………53. V.

(10) 水泥基材塗裝材料加速劣化之紅外線熱像特性檢測分析. VI.

(11) 摘要. 摘要關鍵詞：紅外線熱影像、非破壞性檢測、塗裝材料、劣化實驗紅外線熱像分析檢測技術之試驗研究於歐美、日本地區，除了於大型工廠、電力設備、半導體等電子電路等方面為成熟之檢測應用外，建築領域相關研究亦進行多年，已可運用於建築結構、外牆飾材、節能、防災等等之非接觸、非破壞性之檢測應用。為熟悉紅外線熱像儀設備之操作及相關實驗需注意事項，本年度將首先嘗試與本年度「塗裝材料對水泥質基材耐候性能改善之試驗研究」協同研究案配合，藉由其水泥基材試體之耐久耐候劣化實驗後，進行本案紅外線熱影像之特性偵測，以比對試體劣化試驗後降溫特性，分析水泥基材塗裝材料劣化之耐候性質。本案年度實驗研究成果為：一、熟悉新式儀器之操作，累積相關整體實驗設備整合操作經驗，對耐候耐久、非破壞性檢測實驗室建置與營運有所助益。二、收集各國紅外線熱影像技術方展及應用現況，並探討分析國內在非破壞性檢測領域可能之應用研究方向。三、獲得水泥基材素面、耐候塗料之加速劣化試驗之紅外線熱影像，並比對分析水泥基材塗裝材料之耐候性質與溫度降溫特性，其實驗結果分析： 1.比較水泥基材素面劣化前後，可知劣化後材料降溫較快，保溫效能較差；塗裝環氧樹脂漆後進行之劣化前後比較，其劣化後試體降溫較快，保溫效能較差。 2.水泥基材塗裝後，不論是否已進行劣化試驗均具有較佳的保護作用，具有較高之保溫效果。四、紅外線熱像儀具有全面快速檢測物體表面溫度，並即時影像顯現的功能，建議持續累積大量實驗數據，建立建築材料受熱之升降溫特性資料庫，應可用來進行建築物非破壞性之老化檢測。 VII.

(12) 水泥基材塗裝材料加速劣化之紅外線熱像特性檢測分析. VIII.

(13) 第一章緒論. 第一章緒論第一節研究緣起與背景當物質的溫度高於絕對溫度零度(即－273.15℃)時，由於物質內部分子或原子的熱運動，而持續不斷地向外放射輻射能量，即使我們認為很冷的冰塊也是如此。物體在不同的溫度下，物體都會放射出不同波長的輻射能量。因此利用高敏感度的熱輻射感測器，偵測來自物體表面放射出的紅外線輻射強度，透過計算機高速運算，就可用以不必直接接觸到物體。以非接觸的方式得知物體表面的溫度，這就是利用紅外線測量溫度的技術。建築物在整個生命週期中，猶如人體一般經常需要進行身體健康檢查，儘早發現問題儘早醫治。而身體健康檢查也分非侵入式檢查及侵入式採取檢體的化驗方式，而正常一般都是先進行非侵入的檢查。例如 X 光照相、核磁共振、超音波掃描等等，於發現不正常現象及位置後，得以評估傷害最小的方式檢體採樣及化驗分析。既有建築物亦復如是，尤其建築工程更為非破壞性檢測需求的趨勢，因此除了原有耐候耐久實驗室外，即積極建議增設非破壞性檢測實驗設備，希望引進便利、穩定的方法與技術，發展建築工程領域的身體健康檢查。為能熟悉本項設備之軟硬體操作及相關實驗需注意事項，將首先嘗試與本年度「塗裝材料對水泥質基材耐候性能改善之試驗研究」協同研究案配合，藉由其水泥基材試體溫度之紅外線特性偵測，比對協同研究案試體之劣化試驗後紅外線熱影像特性，以分析水泥基材塗裝材料之耐候性質與溫度輻射之關係。. 1.

(14) 水泥基材塗裝材料加速劣化之紅外線熱像特性檢測分析. 第二節研究目的紅外線熱像分析檢測技術之試驗研究於歐美、日本地區，除了於大型工廠、電力設備、半導體等電子電路等方面為成熟之檢測應用外，建築領域相關研究亦進行多年，已可運用於建築結構、外牆飾材、節能、防災等等之非接觸、非破壞性之檢測應用。因為國內建築物大多以鋼筋混凝土構造為主，其外牆又幾乎都以磁磚為表面裝修材料，於施工方式多以人工方式鋪貼，其品質本來就參差不齊，加上台灣地區高溫多濕及日照老化影響，都市地區大樓往往隱藏磁磚掉落的安全性隱憂。事實上日本早就導入紅外線熱影像技術進行外牆檢測，國內也有研究生以紅外線熱影像儀（Infrared camera）拍攝磁磚表面溫度熱影像圖（Infrared images），觀察溫度分佈差異處而找出黏貼不完整的範圍及位置，其判斷結果準確且快速，且可現場檢測較大範圍之磁磚。甚至目前大陸已訂出紅外線熱像儀檢測外牆工程品質的「技術規程」。本研究先選擇外裝塗料方面進行實驗，主要是目前相關研究只見於汽車、木材有利用紅外線光譜進行相關研究，尚未有建築物外裝塗料之相關紅外線熱影像應用研究。因此，本研究除可與協同研究案「塗裝材料對水泥質基材耐候性能改善之試驗研究」相輔相成外，亦可首先以紅外線熱影像進行建築物塗料方面之檢測研究。為發展此一紅外線熱影像的非破壞性檢測領域，相關紅外線物理知識，及專門操作及分析技術必不可少，並必須配合嚴謹的實驗步驟，逐漸建立相關的基本能力。因此期望藉由實際參與本所年度協同研究案的實驗研究，學習相關材料、耐候耐久、劣化等相關實驗技能，並利用相同之水泥基材試體、外牆塗料塗裝劣化實驗後，再模擬太陽曝曬後之溫度紅外線熱影像特性偵測，比. 2.

(15) 第一章緒論. 對協同研究案試體之劣化試驗前後紅外線熱影像特性，以分析水泥基材塗裝材料之耐候性質與溫度輻射之關係。. 3.

(16) 水泥基材塗裝材料加速劣化之紅外線熱像特性檢測分析. 第三節研究內容與方法本研究除將收集國內外有關紅外線熱像檢測技術之發展及研究現況，在建築物非破壞性檢測領域之可能應用，並收集此一領域研究試驗文獻，吸取實驗經驗，及環境、試體等條件及參數設定。並與協同研究案合作，在其塗裝材料對劣化環境中的水泥質材料耐候性能改善之機理與成效試驗研究過程中，進行溫度對水泥質材料耐候性質的改變。以及不同塗料於加速環境下水泥砂漿基材的防護效果的比較研究。主要進行步驟如下：一、題目確認－水泥基材塗裝材料加速劣化之紅外線熱像特性檢測分析二、文獻蒐集及實驗變數訂定三、試體製作與養護、儀器採購與操作四、水泥基材受熱後紅外線熱影像檢測及特徵分析。五、水泥基材塗料塗裝後，受熱之紅外線熱影像檢測及前後特徵分析。六、水泥基材塗料塗裝，並試體加速劣化實驗後，受熱之紅外線熱影像檢測及前後特徵分析。七、水泥基材塗料塗裝，並試體加速劣化實驗後，受熱之紅外線熱影像檢測及前後特徵分析。八、紅外線熱影像檢測特徵與加速劣化機理(透水性能與氯離子侵入評估試驗)試驗結果之關係探討。. 4.

(17) 第二章文獻分析. 第二章文獻分析紅外線熱像儀作為一種紅外線熱影像攝取的儀器，不但在軍事應用中。佔有很重要的地位，在產業方面也有很大的發揮空間，它除了具有非接觸、快速、能對運動目標和微小目標測溫等優點之外，還具有下列優點：以直觀方式顯示物體表面的溫度場：紅外線測溫儀可以顯示物體表面某一區域內各點的實際溫度值。並以影像方式呈現出來，很容易判定溫度分佈情形。 1. 溫度辨識度高由於各種因素影響，紅外線熱影像儀很難分辨 0.1℃以下的溫度差異，而紅外線測溫儀則以較高準確度計算出物體表面的真正溫度值，所以能夠更精確分辨很小的溫度差，有些可達到 0.0l ℃。 2. 可採用多種顯示方式：紅外線熱像儀輸出的視頻訊號中，包括大量的訊息，可用多種方式顯現出來。例如，對視頻訊號進行假色處理，便可用不同顏色標示不同溫度，使得熱影像更容易辨識物體或溫差，或將視頻訊號經由溫度換算公式，用數字顯示物體各點的溫度值。 3. 可進行數據儲存與計算機處理：紅外線熱像儀輸出的視頻訊號，經由個人電腦的影像擷取卡轉換成數位影像，紀錄於電腦的資料儲存裝置內，可長期保存又可用電腦作後續運算處理。. 近幾年來，紅外線熱像儀由軍事用途逐漸擴大應用民生用途，在工業界熱診斷與分析、製程監視、產品研發或產品檢驗，甚至應用在醫療診斷方面，日益受到各界重視，司時具有溫度分 5.

(18) 水泥基材塗裝材料加速劣化之紅外線熱像特性檢測分析. 佈及影像書面的熱影像設備而言，準確、快速、簡單、易用及非破壞等特性是被廣泛應用的主要原因。紅外線熱像儀被廣泛應用，其基本的特性在於： 1. 屬於非破壞性檢測。 2. 是非接觸式的遙測技術。 3. 操作簡單，單人即可操作。 4. 提供整個畫面的熱分佈結果，而非單點溫度數值。 5. 量測過程即時顯示連續畫面，以及統計分析結果。 6. 熱影像畫面上，每一個像素皆對應一個溫度值，根據需求，可設定正常的操作溫度範圍，監視危險場所是否有溫升現象。. 第一節紅外線熱影像在非破壞性檢測的應用領域紅外線熱影像儀分為固定及手持兩種，固定式的設計方式是將熱像儀固定在監視塔台或建築物的支架上，利用旋轉平台來移動熱像儀，在鏡頭可掃瞄到的範圍內，重複來回監視相關的危險場所。固定式監測系統的優點，在於可以長時間密集監視危險場所，透過熱像儀本身的測溫功能，設定溫度容許上限值，並連接警示系統，或是將影像輸入電腦，利用電腦進行影像辨識及溫升記錄，並連接警示系統，來達到工安連續自動監視的功能。在工業生產中，許多設備處於高溫、高壓和高速運行狀態，應用紅外線熱像儀對這些設備進行檢測與監控，不僅保證設備的安全運轉，也能夠早期發現異常狀況，以便及時預先排除。同時，利用紅外線熱像儀也可以進行工業產品的品質確保與管制。. 6.

(19) 第二章文獻分析. 表 2.1.1 紅外線熱影像檢測項目 ▼紅外線熱影像檢測項目輸電系統：絕緣礙子、電纜接續套管、跳接線、夾板電力輸配電系統. 配電系統：配電盤、匯流排、斷電器、接觸器、變壓器、電力熔絲變電系統：變壓器、空斷開關、隔離開關、斷路器、匯流排、比壓器、比流器、合成器、電容器、電抗器、接觸器、避雷器. 轉動機械系統. 軸承、馬達、馬達冷卻埠、發電機渦輪葉片、壓縮機、齒輪. 輸送儲存系統. 泵浦、管路、漏斗、桶槽、球形槽、輸送帶. 加熱冷卻系統. 壁爐、爐管、爐火、鍋爐、冷凍櫃、管路、冷卻水塔、洩壓閥. 建築物系列. 鋼筋、屋頂、壁內暗管、混凝土壁、磁磚、門窗、外牆、大型建築物、混凝土路面、瀝青路面. 資料來源：鄭益志、林明洲，《紅外線熱影像檢測技術應用》工安環保報導 NO.7，2002.04. 第二節紅外線熱影像建築物非破壞性檢測的介紹一、濕氣和水損害使用紅外線熱像儀通常可以偵測房屋中的濕氣和水損害。原因之一是受損害的區域具有不同的導熱特性，而另一個原因則是這些的區域與周圍的區域相比，具有不同的儲熱熱容量。在決定濕氣或水損害是如何出現在紅外線影像上的原因時，許多因素都有影響。例如，根據材料和一天中的時間不同，這些部分的受熱和冷卻過程在以不同速率發生著。由於這個原因，在進行濕氣和水損害的檢查時，必須考慮其他檢測方式併行採用。 7.

(20) 水泥基材塗裝材料加速劣化之紅外線熱像特性檢測分析. 下面的影像顯示了在外牆上的大面積水損害，由於窗框的安裝不當，水已經穿透外牆表面。. 圖 2.2.1 外牆滲水的熱影像圖資料來源：FLIR B660 中文使用手冊二、插座接觸不良根據插座的連線類型不同，連接不當的電線可能造成局部的溫度升高。這樣的溫度升高是由於插入線與插座之間的接觸面積減小所致，並可能導致電氣火災。插座的結構因製造廠商不同可能有很大的差別。由於這個原因，不同的插座故障可能導致紅外線影像上，有著相同的典型特徵。局部的溫度升高還可能是由於電線與插座之間的不良接觸和負載的差異造成的。圖下面的影像顯示的纜線與插座之間的連線狀況，由於連線的接觸不良造成了局部的溫度升高。. 8.

(21) 第二章文獻分析. 圖 2.2.2 屋內插座接線不良的熱影像圖資料來源：FLIR B660 中文使用手冊三、插座老化(接觸銅片的氧化) 根據插座的類型不同以及插座的安裝環境不同，氧化可能發生在插座的接觸表面上。當插座處於加載狀態時，這些氧化可能導致局部的電阻增加，表現出的是紅外線影像上就是局部的溫度升高。插座的結構因製造廠商不同而可能有著很大的差異，局部的溫度升高還可能是由於電線與插座之間的不良接觸和負載的差異造成的。下面的影像顯示了一系列的保險絲，其中的一根在與保險絲支架的接觸表面上出現了溫度升高。由於保險絲支架為裸露金屬，溫度增加不在於此，而是表現在保險絲所連接的陶瓷部分。. 9.

(22) 水泥基材塗裝材料加速劣化之紅外線熱像特性檢測分析. 圖 2.2.3 屋內保險老化過熱的影像圖資料來源：FLIR B660 中文使用手冊. 四、建築物隔熱缺陷建築物隔熱缺陷會隨著時間的流逝導致隔熱層體積的減小，從而無法填滿構架牆中間的空間。由於這些缺陷與正確安裝的隔熱層相比要麼有著不同的導熱特性，因此空氣可以穿透建築的構架的區域。當檢視一棟建築時，內外側的溫差應該至少有 10°C (18 °F)。而立柱、水管、水泥柱以及類似的構件可能在紅外線影像上非常類似於隔熱缺陷。微小的差別可能也會自然發生。在下面的影像中，屋頂構架的隔熱層不足，空氣在氣壓的作用下會進入屋頂結構，這個區域因此在紅外線影像上表現出不同外觀特徵。. 10.

(23) 第二章文獻分析. 圖 2.2.4 建築物隔熱缺陷熱影像圖資料來源：FLIR B660 中文使用手冊. 第三節紅外線熱影像在土木建築實驗研究的介紹因為建築物結構體，如混凝土本身具有很低的傳導性，紅外線熱影像應用在土木工程依大部分就被應用在建築物外殼隔熱性能的被動式調查方面。而更進一步的土木工程領域的發展及應用，通常是利用太陽為天然的熱源，例如檢查橋梁的版面及鋪面。不過，最近幾年的案例，已經開始運用主動式熱影像技術至土木工程，而其紅外線熱影像技術應用也有文獻案例，成為土木工程上量化非破壞性檢測方法。例如，紅外線熱影像在定位橋梁版脫層的應用已有 ASTM 標準的規定。另外，這項技術也被引伸應用於檢測典型建築物結構的各種表層不均勻性，及一般表層附近的缺陷。實務上，例如定位混凝土中的裂縫及蜂窩、混凝土及圬工構造面層砂漿剝離、混凝土砂漿粘著面磚下隱藏的裂縫及剝離、碳纖強化積層黏結混凝土，以及鋼骨瀝青填縫劑剝離的分析。 11.

(24) 水泥基材塗裝材料加速劣化之紅外線熱像特性檢測分析. 一、數值模擬進行土木工程主動式紅外線熱影像定量分析(Active Infrared Thermography in Civil Engineering -Quantitative Analysis by Numerical Simulation) 在非破壞性檢測的許多領域，主動式紅外線熱影像技術是一項快速建立且可予信賴的工具，並且在一些產業的材料試驗分項的裂縫及脫層檢測上，已經被熟知。因為“熱波”的低滲透深度和緩慢擴散的特性，通常被應用在薄型及具高溫度傳導性的材料 (例如金屬板)。德國聯邦材料研究暨試驗研究所(BAM ,柏林)2003 年，進行了一項建築結構於外部輻射加熱後的冷卻過程中，以紅外線熱影像及雷達探測混凝土內部及表面下的不同裂縫尺寸及深度的數值分析，並以 BAM 開發的有限差分程式比較了實驗與數值模擬結果。. 圖 2.3.1 土木工程脈衝式熱影像實驗裝置的概要圖資料來源：Non-Destructive Testing in Civil Engineering 2003. 12.

(25) 第二章文獻分析. 圖 2.3.2 整體實驗裝置及位置的照片，詳細說明如下。資料來源：Non-Destructive Testing in Civil Engineering 2003 本研究案例所示的量測方法，是以外部熱源加熱試體表面，並於冷卻過程進行相關的研究。加熱脈衝產生的不穩定熱流，可描述為熱波的擴散及衰減，而熱波的擴散，與材料特性如熱傳導、比熱、質量密度等極為相關。因為結構構件內不均值性的不規則溫度性質，而影響了熱流及表面溫度分布的均勻性。當以紅外線熱像攝影機觀察短暫的表面溫度分布變化，表層的不均質會被偵測出來。其差異是因為未損壞區域的表面溫度瞬變曲線，與損壞參數如深度、橫向尺寸及材料類型等不均質的資訊所產生。溫度加熱模組包含三組遠紅外線加熱器，每組功率 2400W。加熱程序通常會在試體表面動態的移動加熱器，俾能平均加熱。因此，加熱器架設成一直排，並且自然地平行排列於試體表面 15 公分處。觀察試體表面冷卻的過程，是以商品化的紅外線照相機 (Inframetrics SC1000)。照相機具有 256X256 焦點平面陣列、矽 13.

(26) 水泥基材塗裝材料加速劣化之紅外線熱像特性檢測分析. 化鉑半導體檢知器，可以檢測試體表面 3~5mm(?)範圍波長。所測到輻射強度值，就可以由灰階或彩色階層圖對照表轉換為溫度值（溫度紀錄圖）。當在資料擷取中，溫度影像資料傳輸至電腦的最大畫面更新率(框速、格率)為 50Hz，儲存波形深度為每像素 12 位元，資料傳送完成後，再於電腦內以特定軟體進行分析。本案研究證實脈衝式(遠紅外線加熱方式)熱影像作為土木工程的良好非破壞性檢測工具，可以成功找出混凝土表面 10 公分內的缺陷。它是快速有效的非破壞性方法，也不需接觸就可獲得表面影像，也能進行實驗資料的量化分析。數值模擬對環境狀態影響及材料參數的研究是有用的，並且藉著比較模擬與量側值（逆向問題），可以決定真正空洞深度。而更深入的脈衝式熱影像研究也顯示這個方法，可以應用於偵測表面脫層現象（混凝土或石牆面的灰漿、碳纖強化水泥面層、磁磚嵌入混凝土表面砂漿的剝離），以及找出過度潮濕的表面區域。因此本研究案例主要證實並推薦主動式紅外線熱影像技術的應用，就是藉著快速傅立葉轉換完成了頻率域代替時間域的實驗數據分析，即脈衝式熱影像技術。二、混凝土樑受到反覆載重試驗的破壞預測本研究案例為英國 University of Glamorgan, Pontypridd, Mid Glamorgan C W Hu, J K C Shih+, R Delpak*, D B Tann 等人的研究。為紅外線熱影像在 FRP 混凝土補強構件中氣泡及裂縫擴張之檢測應用其中的一部分，旨在探討鋼筋混凝土樑破壞初期之裂縫形成及延伸預測等二項的檢測應用。因為關心基礎公共建設的維護已經成為 21 世紀全世界關鍵的，同時也是這一世代的主要挑戰課題。公共建設工程上使用的材料，通常被認為是在不同階段的結合與破壞，這是因為：(i) 14.

(27) 第二章文獻分析. 過長的使用期間，(ii)超過負荷或是使用限制，(iii)設計錯誤， (iv)施工或是監造錯誤，(v)環境因素或是化學物品侵蝕；本文也引述一份由美國土木工程學會所做有關美國公共建設的報告指出，估計矯正及翻修的費用高達 1.3 兆美元（約 915 億英鎊），ASCE (2001)。英國的調查也指出在公共建設的類似耗費，每年逾 50 億英鎊，NCE (2001) 本研究試體為 100 x 200 x 1200 mm 玻璃纖維複合材料組成薄片的鋼筋混凝土樑並三根 10mm 直徑鋼筋加勁。其中 GFRP 薄片以兩層環氧樹脂上黏結，另外，鋼筋混凝土樑支承及千斤頂受力如下圖. 圖 2.3.3 鋼筋混凝土樑支承及千斤頂受力配置圖資料來源：《Detection of air blisters and crack propagation in FRP strengthened concrete elements using infrared thermography》，inframation 2002 實驗逐漸加載至極限載重，然後反向逐漸減輕載重，以週期性加載至設定的時間次數。本研究中加載的高峰至高峰幅度，設定為靜載重的上下 20%。振動頻率設定為 3Hz。樑中間的位移依每 5Kn 的靜載重及反覆載重反應紀錄。併同紅外線熱影像系統量測，. 15.

(28) 水泥基材塗裝材料加速劣化之紅外線熱像特性檢測分析. 量測精確度為±1°C, ±1%，而其溫度靈敏度為工作環境 25°C 下 0.02°C。在監測每個加載階段時拍攝一系列的紅外線熱像圖，作為鑑別潛在破壞的區域。以記錄到破裂時摩擦及磨損所產生的熱能，因此採納被動式熱影像法(PTA)進行研究。期望這個區損區域自然產生的熱能存在，因此就不用外部刺激的方式產生。. 圖 2.3.4 施加 45-55 Kn 反覆載重時之熱影像資料來源：《Detection of air blisters and crack propagation in FRP strengthened concrete elements using infrared thermography》，inframation 2002。連續的反覆載重行為預計加速裂縫的形成，也因此形成了該不連續區域，並產生摩擦及熱能。如上圖為施加 45-55 Kn 反覆載重時之熱影像，其中白色圈圈標示出來的三角形，為破裂尖端摩擦的游離能量。由此影像就可斷定這個溫度較高的區域將會是破壞發生的地方，而破壞也會沿著三角形的 45 ° 斷面。施加 67.5-82.5 Kn 反覆載重破壞瞬間之熱影像. 16.

(29) 第二章文獻分析. 圖 2.3.5 試體破壞瞬間的熱影像資料來源：《Detection of air blisters and crack propagation in FRP strengthened concrete elements using infrared thermography》，inframation 2002。其實體破壞斷面，幾乎如圖 2.3.4 所標示出來預期的預測圖示。. 圖 2.3.6 1.2 公尺 GFRP 補強的混凝土樑破壞後的實體照片資料來源：《Detection of air blisters and crack propagation in FRP strengthened concrete elements using infrared thermography》，inframation 2002。. 17.

(30) 水泥基材塗裝材料加速劣化之紅外線熱像特性檢測分析. 本研究範例經由幾個控制條件下的實驗，獲致的結論為紅外線熱影像的辨識功能，可以做為結構破壞當時預警功能。主要原因有： 1. 游離能量(因為延滯作用的關係，如反覆載重的影響)，在可能的破壞面，可由很明顯的紅外線熱像技術出來，而可以在工程維護方面應用，提供結構損壞狀態的質及量方面資訊。 2. GFRP 補強混凝土樑的部位，在反覆載重下之破壞前可立即由紅外線熱影像偵測出來。 3. 建議因應科技的進步，有機會進行更深入的研究，協助眼睛進行不可見潛在破裂部位的檢測。. 三、應用紅外線攝溫影像術檢測磁磚黏貼完整性磁磚在國內為廣受青睞的牆面裝修建材。台灣地處亞熱帶，屬於海島型氣候，溫度與濕度之變化導致磁磚、黏著層與牆面結構體界面的破壞，加上施工品質不良，常造成磁磚剝落的情形。磁磚剝落不僅對建築物外觀造成影響外，甚至可能危害他人的安全。因此，陳俊菁(朝陽科技大學，2003，碩論) 研究應用紅外線熱像技術檢測磁磚黏貼完整性，係使用紅外線熱像儀拍攝磁磚表面溫度熱影像圖，觀察溫度分佈差異處而找出黏貼不完整的範圍及位置，其判斷結果準確且快速，且可現場檢測較大範圍之磁磚。其實驗檢測方法為利用紅外線熱影像儀與石英鹵素燈搭配使用以縮短檢測時間。石英鹵素燈產生人為入射熱源，照射磁磚表面使溫度上升（吸熱），關閉鹵素燈使磁磚溫度下降（放熱），以紅外線熱影像儀偵測磁磚表面吸熱及放熱溫度分佈情形。再依據其他實驗案例制訂檢測時間為 12 分鐘，包括石英鹵素燈照射磁磚表面 10 分鐘，紅外線熱像儀每隔 2 分鐘拍攝一張熱影像圖共 5. 18.

(31) 第二章文獻分析. 張；關閉石英鹵素燈停止照射磁磚表面 2 分鐘，紅外線熱像儀每隔 1 分鐘拍攝一張熱影像圖共 2 張。因為當石英鹵素燈產生人為入射熱源造成熱傳遞從牆面磁磚表面向內流動時，由於磁磚黏貼不完整處內含有空氣，而空氣之熱導率較低因此會降低牆面吸收熱傳遞之能量，所以磁磚黏貼不完整處之表面溫度會較磁磚黏貼完整處溫度高，本研究案例即根據此準則來判斷磁磚黏貼不完整處。. 圖 2.3.3 儀器高度、牆面距離及整體儀器架設資料來源：陳俊菁，《應用紅外線攝溫影像術檢測磁磚黏貼完整性》，朝陽科技大學，2003，碩士論文。. 19.

(32) 水泥基材塗裝材料加速劣化之紅外線熱像特性檢測分析. 20.

(33) 第三章紅外線理論與技術. 第三章紅外線理論與技術第一節紅外線基礎紅外線基礎一、溫度量測方式依照陳國杰先生的整理(陳國杰，2004)，溫度量測方式有以下幾種： 1. 接觸式：常見的溫度量測方式，是將感測器接觸待測物表面，經由熱傳導方式，感應物體表面的熱量，轉換成溫度顯示，以得知物體表面溫度。 a. 玻璃溫度計 b. 熱電耦(TC，Thermo couple) c. 電阻式溫度感測器(RTD， Resistance Thermal Detector) 這些測量溫度的方法，都必須使感測器接觸待測物的表面，並且需要一段時間進行熱傳遞，使感測器的溫度與待測物一致(達到熱平衡)後，感測器的讀數才是真正的溫度。 2. 非接觸式：許多移動中或溫度變化較快的待測物，缺乏足夠的時間進行熱傳導。而無法精確重測其溫度，此外有些是無法接觸待測物表面的情況，就必須採用非接觸式溫度量測技術。目前常見的非接觸式溫度量測技術，是量測物體表面發射的紅外線熱輻射，將輻射強度換算成為溫度值。. 二、紅外線物理自然界一切溫度高於絕對零度的物體(物質)，無時無刻都在產生發射著紅外線輻射，且每種物體所發出輻射都有著不同的特徵信息，這就提供了檢測和識別各種目標或物體的理論基礎。自從英國天文學家赫謝耳(Hershel)在 1800 年發現紅外線以來，隨著紅外輻射理論、紅外探測器、紅外光學以及紅外探測及 21.

(34) 水泥基材塗裝材料加速劣化之紅外線熱像特性檢測分析. 追蹤系統等的發展，紅外線檢測技術在民生經濟、國防和科學研究中，均有大量而廣泛的應用，並成為現代光電子科技的重要發展項目。(張建奇，2004) 在光譜上，紅外線的波長介於可見光與微波之間，通常在可見光區中的紅光，波長超過 0.75μm 之後的不可見光開始，稱為紅外線(Infrared)，而繼續延伸到波長 1000μm 的遠紅外線，之後才是微波(Microwave)的部份，在紅外線涵蓋的波長範圍內，依照應用領域的不同，有各種不同的分段方式。通常光譜學上，將紅外線區分為三個波段：0,75 ~ 2.5μm 稱為近紅外線(near IR)，2.5~25μm 稱為中紅外線(middle IR)，超過 25μm 部份，則稱為遠紅外線(far IR)。在熱影像應用上，將波長範圃分為 3~-5μm 及 8~12μm 兩個波段，通常將檢測波長 3~-5μm 的熱影像系統，稱為短中波段(SW) 紅外線熱像儀；而接收波長 8~13μm 的熱像儀，則稱為長波段(LW) 紅外線熱像儀。不論按用何種分段方式，採用紅外線作為工作光源的儀器。目前已廣泛應用在化驗室或廠房的各個角落。幾個常見的應用包括：. 22.

(35) 第三章紅外線理論與技術. 圖 3.1.1 電磁頻譜(□ 1 ：X 光；□ 2 ：UV；□ 3 ：可見光；□ 4 ：紅外線； □ 5 ：微波；□ 6 ：無線電波。) 1. 近紅外線方面：包括以近紅外線為工作光源的近紅外線氣體分析儀、應用可見光及部份近紅外線光源間低照度電耦合裝置 (Charge Couple Device CCD)攝影機、點對點式移動感應偵檢器、火焰偵測器及各種光纖傳輸與遙控裝置。 2. 中紅外線方面：以紅外線氣體分析儀及紅外線熱影像儀為兩個主要應用領域。 3. 遠紅外線部份：除了加熱用途之外，及少部份應用在氣體分析方面。至日前為止、遠紅外線之應用及重要性，都不如近、中紅外線來得的廣泛。紅外線之所以如此重要。是因為許多自然界物質的運動現象 (分子的轉動與振動)，所釋放或吸收的輻射線，都在紅外線的區域內，因此常用紅外線來探測待測物存在種類、數量甚至外觀形像等。將紅外線光譜的整個波長範圍細分為許多微細的子波段(波段的寬窄即解析度)，根據每個子波段內紅外線光源被吸收的多 23.

(36) 水泥基材塗裝材料加速劣化之紅外線熱像特性檢測分析. 寡，即可用來分析待測物的濃度。由吸收波段的位置(波長)，即反應待測物的結構。相反地，不將紅外線分光或細分波段，這就是熱影像系統之應用方式。. 三、紅外線測溫原理當物質的溫度高於絕對溫度零度(即－273.15℃)時，由於物質內部分子或原子的熱運動，而持續不斷地向外放射輻射能量，即使我們認為很冷的冰塊也是如此。物體在不同的溫度下，物體都會放射出不同波長的輻射能量。普朗克黑體輻射公式： M. 2 π hc 2 ( ) T = λ 5. λ. 1 e. hc. λ KT.  W  2 - 1  cm µ m.   . 根據普朗克定律 (Plancks Law) 及偉恩位移定律 Wiens Displacement Law)，物體的總輻射能量是波長與溫度的函數，當溫度愈高則輻射能量愈大，而且在輻射能量最大的峰值波長會隨著溫度的上升而縮短。輻射能最大的峰值波長λ與絕對溫度 T 的關係，可以用λT=2898 表示，即物質表面輻射能最強的波長與物體絕對溫度成反比。當溫度愈高，則峰值波長愈短。在室溫(~27 ℃)下的物體。其熱輻射的峰值波長λ位於 10μm，分佈範圍從 5.5 μm 至 23μm 左右，當物體溫度昇高至 200℃，峰值波長則移至 7 μm 附近。此外根據史蒂芬波茲曼定律 (Stefan-Boltzmann Law)，物體的總輻射能量與其放射率(Emissivity)及物體絕對溫度的四次方成正比。因此在已知物體放射率的前提之下，只要能夠量測特定波長範圍內物體的總輻射能量，根據上述理論，就可以推算得到物體的表面溫度。. 24.

(37) 第三章紅外線理論與技術. 以人體為例，正常人的體溫為 37℃，由偉恩位移定律可以計算出幅射能量最大的波長為 9.3438μm，而皮膚是一個良好的輻射體，其放射率約為 0.99。非常接近理想黑體(放射率=1)，根據以上所述的人體輻射特性，選擇對涵蓋峰值波長範圍內具有相當敏感度的熱輻射感測器，測量從人體皮膚放射的輻射量。己知輻射量及已知放射率，就能根據史蒂芬波茲曼定律推算出體溫，這就是耳溫槍或額溫槍運作的原理。同樣的道理．利用高敏感度的熱輻射感測器，偵測來自物體表面放射出的紅外線輻射強度，透過計算機高速運算，就可用以不必直接接觸到物體。以非接觸的方式得知物體表面的溫度，這就是利用紅外線測量溫度的技術。. 第二節紅外線熱影像技術一、紅外線熱影像原理將許多紅外線感測器排列成方陣的形式，同時偵測物體表面上不同位置所發射的輻射強度，將輻射源平面座標對應到感測器的相對位置，即構成所謂的「熱影像」。紅外線熱像儀就是同時偵測物體表面不同位置的輻射能，產生熱影像，結合影像處理技術，以各種方式呈現熱影像的儀器。由於熱像儀偵測的是紅外線而非可見光，理論上熱影像與色彩並無直接關係，但是為了凸顯物體表面溫度分佈的差異，常以人為方式將熱影像的溫度值，對應到一系列的色彩，稱為虛擬顏色(pseudo Color)，使人更易於分辨物體表面的溫度分佈情形。(陳國杰，2004) 二、紅外線感測器. 25.

(38) 水泥基材塗裝材料加速劣化之紅外線熱像特性檢測分析. 紅外線感測器是紅外線系統的核心組件，紅外線熱影像技術發展的重要關鍵。每一次性能更好的新型紅外線感測器的研發，都代表著紅外線技術的進步。20 世紀 50 年代中期，由於高靈敏度硫化鉛紅外線感測器的出現，使得紅外線空對空飛彈的實現，並且在實戰中得到應用；60 年代初期，應用長波紅外線感測器的飛行掃瞄儀出現在高空飛機偵察的應用；60 年代中期，戰鬥機配備了紅外線前視裝置，並且在越戰中使用；70 年代初期，由於碲鎘汞等三元系化合物製作的半導體紅外感測器的出現和其他技術的發展，使得紅外線技術在衛星預警、偵察、民用遙感探測等各種領域大量應用。此後，軍事紅外線裝備，如紅外線夜視鏡、機載紅外線前視、紅外線追蹤飛彈、紅外線偵察等成為現代軍事裝備的重要部分。近 30 年來，紅外線感測器技術已從第一代的單元和線陣列發展到了第二代的二維掃瞄和 InSb 凝視陣列。目前紅外線感探測器技術正在由第二代陣列技術向第三代微型化高密度和高性能紅外線焦平面陣列技術方向發展。目前紅外探測器具有如下特點： 1.高度集成的焦平面感測器元件像可見光 CCD 之類的攝像陣列一樣，要提高系統成像的分辨率和目標識別能力，大幅度地提高系統焦平面紅外線感測元件的集成度是一種重要的途徑。 2.高性能採用諸如微機械加工技術及 CMOS 這樣的大型或特大型積體電路傳輸元件，實現了如 1024X1024 元、2048X2048 元這樣的大型二維凝視紅外線焦平面陣列的高速大容量的信號處理，而且獲得了高度均勻性的陣列焦平面響應特性，進一步提高了陣列的性能。 3. 高密度小像素尺寸. 26.

(39) 第三章紅外線理論與技術. 目前的紅外線焦平面陣列由於採用次微米加工技術，像素感測尺寸大為縮小，實現了小像素高密度的紅外線焦平面集成的發展。 4. 多色工作目前先進的紅外線焦平面陣列技術正處在從第二代向第三代更為先進的陣列技術發展的轉變時期。世界各國正在加緊確定第三代紅外焦平面陣列技術的概念，各有關公司和廠家機構的注意力已轉向第三代紅外線焦平面陣列傳輸器的發展。第三代紅外線焦平面陣列技術要滿足以下幾種要求（張建奇，2004）： a. 焦平面上感測器元件的集成技術提高，至少雙色工作。 b. 高的工作溫度，以便實現低功耗和小型輕量化的系統應用。 c. 非致冷工作紅外線焦平面陣列傳感器的性能達到或接近目前第二代致冷工作紅外集乎面陣列傳感器的水準； d. 必須是極低成本的微型傳感器，甚至是一次性應用的傳感器。紅外線熱影像技術發展己有三十幾年。已從當初的機械掃瞄機構發展到了目前的固體小型化全電子自掃瞄聚焦攝影，特別是非致冷技術的發展使紅外線熱影像技術從長期的主要軍事目的擴展到諸如工業監控測溫、執法緝毒、安全防範、醫療衛生、遙感、設備先期故障診斷與維護、海上救援、天文探測，以及車輛、飛行器和艦船的駕駛員夜視增強觀察等廣泛的民生用途上。. 第三節紅外線熱像儀的選用紅外線熱像儀的選用依照應用特性區分，一般紅外線熱橡儀可分為兩大類： 1. 熱影像測溫儀： 27.

(40) 水泥基材塗裝材料加速劣化之紅外線熱像特性檢測分析. 作為非接觸式遠距檢測物體的表面溫度的測溫儀器，高靈敏度是基本要求，耍求的是具備高準確度，因此影像像畫面上每一個像素點都要經過嚴格的校正，而且儀器本身也要具備能隨著使用環境的溫度，而進行自動調整的能力，以維持量測溫度的準確性，選擇高品質且 100%良好的紅外線感測元件成為此類儀器機構設計的重要關鍵，有些系統採用單一個焦點陣列式感測器，搭配複雜的旋轉鏡機構掃描鏡面上各點，並將熱輻射線投射到單一的感測器，再重組成完整的熱影像畫面，因此這類測溫儀都非常昂貴。 2. 熱影像儀：大部分常見的紅外線熱像儀都是屬於這類，重點在於熱影像的清晰度，講求的是高靈敏度，並不特別要求溫度量測的準確度，因此一般都未作溫度校正。通常採用相當於偵測紅外線 CCD 的焦點陣列式感測器(Focal array detector)，利用積體電路製程，將許多微小的感測元件排列方陣形式，透過電路掃描以讀取各感測器的輻射量，由於在複雜的生產過程中，許多因素都會造成各個感測元件之間性能的差異，而未逐一對各個感測元件進行校正，所讀取的溫度值多少存在許多誤差，以致此類儀器的整體準確度相當有限。若用來估算溫度，其得到的讀值的準確度都不高。此外，由於不要求準確地量測實際溫度，其內部並沒有自動溫度補償的機制，因此當環境溫度變化時，所推估的溫度便會出現較大的誤差。目前市售紅外線熱像儀波段分為 3~5μm 及 8~12μm 二種，根據感測器的操作溫度再分為室溫與非室溫二種。以目前的技術水準，基本上 3~5μm 或 8~12μm 在熱診斷方面的應用上，待測物處於室溫或比室溫略高的環境下，皆可作為檢測工具，兩者並無明顯的差異；但是待測物在高溫的狀況下，3~5μm 波段熱像儀成像性較佳，反之若處於低溫條件下，則應選用 8~12μm 波段者，其 28.

(41) 第三章紅外線理論與技術. 影像清晰度較佳。在價格方面，通常 3~5μm 波段之熱像儀應用的材料比採用 8~12μm 波段者便宜。在室溫與非室溫方面，因設計上的考量，目前只有 8~12μm 在熱波段之室溫型熱影像儀，數年前，室溫型熱像儀的最小感應溫差遠不及非室溫型熱像儀，在實際應用上受到相當大的限制，但是近幾年來，經過不斷改良後的室溫型感測器，其敏感度已經大幅提昇，接近非室溫型 PtSi 感測器，成像的效果也相對清晰許多。目前室溫型與非室溫型的差異，幾乎只在於感測器像素大小的差別，一般室溫型感測器的像素大小約 50μm 左右，而非室溫型感測器的像素大小約在 30μm 左右，在近距離的熱診斷應用上，二者差別不大，在較遠距離(大於 100m 以上)的觀測效果才會有明顯的差異。. 29.

(42) 水泥基材塗裝材料加速劣化之紅外線熱像特性檢測分析. 30.

(43) 第四章實驗規劃與檢測方法. 第四章實驗規劃與檢測方法第一節紅外線熱像儀介紹建築物維護檢查紅外線分析設施為本所材料實驗群非破壞性檢測實驗室所規劃之主要設備之一。因此規格訂定除能因應實驗研究的精密要求外，也能針對建築物外牆、管線、設備甚至結構等等之日常保養維護延壽需求之現場檢測方便攜帶，以期探討本土建築特性、居住行為及環境條件、紅外線非破壞性檢測應用與其他實驗儀器設備的相互驗證，並探討相關應用的模式及程序。經招標採購程序後為 FLIR B660 之紅外線熱像儀，其規格為：熱影像性能： 1. 視野/最小焦距：所附標準鏡頭之視野≧24°x18°，最小焦距≧ 0.3m，IFOV≦0.65mrad；另附廣角鏡頭(最小焦距≧0.1m，視野≧45°x34°)及望遠鏡頭(視野≧12°x9°，最小焦距≧0.9m)。 2. 溫度靈敏度：30℃條件下≦0.045℃ 3. 影像頻率：30 Hz 以上(含)非交錯 4. 調焦方式：1~8 倍連續放大，具可選擇之自動或手動功能。 5. 偵測器型態：非致冷焦平面陣列(microbolometer Uncooled Focal Plane Array)，640x480 圖素。 6. 光譜波長範圍： 7.5 以下(含)～13μm 以上(含)。 7. 可見光影像： (1) 可見光影像：3.2M pixels(2048 x1536 全彩)/內建目標閃光燈/ 可替換鏡頭。 (2) 可見光數位變焦：1~8 倍連續放大 8.影像加強功能： (1) 影像即時融合：本設備顯示螢幕應可於於光學影像中即時嵌入紅外線影像並可即時調整 IR 尺寸、溫度範圍及解析度。. 31.

(44) 水泥基材塗裝材料加速劣化之紅外線熱像特性檢測分析. (2) 畫面增強功能：具有多重影像顯示之“圖中圖”加強功能，具有自動全時增強之動態細部增強功能。 (3) 影像比對功能：螢幕可同時顯示一張紅外線即時影像及一張紅外線參考影像，以做定期檢查比對。 (4) 座標顯示功能：內建 GPS 定位器,座標值可直接顯示於顯示圖像內。 (5) 內建數位影音：可與影像同步錄音與紀錄文字。 (6) 可同步拍攝全熱影像及可見光影像，即時融合顯示並可無段調整範圍。二、量測性能： 1.溫度量測範圍：-40℃以下(含)～120℃以上(含)，並可擴充至 1500℃或 2000℃以上(含)。 2.量測準確度：±2℃or ±2%(含)以下，但被測物溫度為+5 以下(含) ～120℃以上(含)、環境溫度為+9 以下(含)～35℃時以上 (含)，應可達±1℃或 1%以下(含)之讀取精度。 3.放射率調整：0.1～1 (增量 0.01)，並可於內建標準材料放射率表中自行選取。 4.重現性：±1℃或 1%以下(含)。三、影像分析功能： (1) 中心熱像自動 10 測點以上(含)、5 區段以上(含)、自動 hot/cool 感應偵測。 (2) 熱像溫寬自動追蹤功能具有面積、單點、PPM、R&D、Medical 應用選項。 (3) 5 點以上(含)移動測溫顯示及標示。 (4) 可設定區域自動追蹤最高/低溫顯示及標示。 (5) 具有高/低溫 Alarm 預警顯示同時存檔功能及 Alarm Output。 (6) 可同時求得 5 個以上(含)放射率值，及其放射率補正、環境溫度自動及手動設定補正功能。. 32.

(45) 第四章實驗規劃與檢測方法. (7) 具有彩虹色、彩虹漸層色、高溫鐵水色、鐵熱色、白黑及黑白 6 種以上(含)溫度色盤選項及格點顯示。 (8) 具有 Averaging、Isotherm、Freeze 功能。 (9) 具有獨立快取鍵,如存檔按鍵、溫階自動調整按鍵及合成顯示按鍵。 (10)主機本體具有連續監測儲存熱像功能，可設定 3 秒~12 小時以上之週期儲存。 (11) 建築物潮濕區域檢查功能：內建結構體潮溼、結露點區域顯示功能及聲響警告，提供即時警告。 (12) 建物節能隔熱檢查功能：內建隔熱效益檢查、設定、區域顯示、警告顯示與聲響警告功能，提供即時警告。四、主機顯示螢幕： 1. 內建可傾斜的、高解析度彩色影像觀景窗（≧800x480 圖素）。 2. 可旋轉 5.6”(含)以上 TFT 背光增強之數位顯示螢幕（≧ 1024x600 圖素）。五、影像儲存： 1. 主機儲存 1GB ，1000 幅以上(含)。 2. 影像儲存格式：JPEG、14bit 紅外線影像格式等。 3. 錄影儲存格式：60sec 以上(含),MPEG4 六、控制與調整 1.一般設定：具備日期/時間、℃/℉、語言、刻度、LCD 亮度調整設定功能。 2.參數設定：具備放射率、環境溫度自動偵測或設定功能。 3.一般操作：具自動校正功能 4.螢幕指示：電池狀態、目標物放射率、背景溫度、現在時間七、工作環境 1.工作溫度：-15 以下(含)～50℃以上(含) 2.儲存溫度：-40 以下(含)～70℃以上(含) 33.

(46) 水泥基材塗裝材料加速劣化之紅外線熱像特性檢測分析. 3.工作及儲存溼度(IEC 68-2-30/24h)：95%RH 以上(含) 4.保護等級(IEC 529)：IP 54 5.耐震盪/振動等級(IEC 68-2-29/6)：25G/2G 6.主機重量(含電池)：2kg 以下(含) 八、其他 1.輸出界面：USB、USB-mini、IEEE-1394、IrDA(無線傳輸)、 NTSC 2.內建紅色雷射光點指引+LED 照明 3.使用電源：交流電 AC110V 以下(含)～220V 以上(含)，電池 x2(具有自動關機及休眠省電裝置，智慧型鋰電池可連續操作 3 小時以上(含))。. 第二節水泥基材塗裝後耐候性能本所協同研究案「塗裝材料對水泥質基材耐候性能改善之試驗研究」係針對塗裝材料對劣化環境中的水泥質材料耐候性能改善之機理與成效進行試驗研究。希望藉由力學分析試驗、孔隙結構量測、透水性能與氯離子侵入評估試驗、色差與光澤度量測、及接觸角量測等試驗結果，達到日曬溫度對水泥質材料耐候性質改變的瞭解，以及塗料於加速環境下水泥砂漿基材的防護效果研究。研究於今年二月開始執行至今，已完成各種塗裝試片的製作工作，並依設計之劣化期程，開始進行各種加速劣化試驗。目前由已完成的劣化期程進行分析發現，試體添加海菜粉會將降低其抗壓與抗拉強度。而未塗裝試體在溫度劣化下，抗拉強度有較明顯的影響，抗壓強度則較不顯著。於日光模擬劣化方面，可以發現色差與光澤度均隨著劣化時間的進行有所變化，於透水試驗過 34.

(47) 第四章實驗規劃與檢測方法. 程中發現在相同塗裝下，添加海菜粉的試體透水量均高於未添加試體，表示添加海菜粉基材的抗透水性質較差。再由 ACMT 試驗結果發現，溫度劣化後氯離子穩態傳輸係數會增加 20%以上，然而力學強度的衰減程度均低於 10%。由此可說明溫度劣化所導致試體微裂縫成長會對氯離子傳輸行為的影響較大。但相關變化比較仍需較長時間的試驗結果加以進一步說明，且後續工作仍有更長時間之加速劣化與性質分析工作，仍需賡續進行。. 第三節實驗規劃一、實驗構想本研究實驗的想法，係從建築物非破壞性檢測領域，及前述文獻探討中，發現紅外線熱影像技術具有遠距、非接觸及立即影像化的檢測方式深具潛力；又未來新建建築數量越來越少，相對既有建築物使用管理維護的重要性則越來越重要。因此實驗的構想為如何借重本所材料實驗中心的實驗設備，促進不同實驗領域的結合，探討開發新的檢測應用模式。如果得以持續建立足夠的基本資料及實驗證明數據，而建立某種定性定量關係，紅外線熱影像技術或可應用在遠距建築或土木結構、材料本身的劣化情形判斷，而不只是表面缺陷或表層空洞的偵測而已。. 35.

(48) 水泥基材塗裝材料加速劣化之紅外線熱像特性檢測分析. 建築物非破壞性檢測紅外線. 超音波透地雷達. 建築物使用維護管理光. 材料結構設備安全漏水發霉建築節能. X ?. 優勢：遠距、非接觸、影像. 優勢：建築材料實驗中心. 紅外線熱影像分析. 耐候耐久實驗比對分析建立關係定量或定性). (. 遠距判斷建築土木材料或結構劣化情形圖 4.3.1 實驗規劃構想資料來源：本研究繪製此外，於年度進行的實驗研究案，彼此支援合作學習，資源互用等等，甚至可能互相激發新構想創意。實驗步驟： 1. 水泥基材試體：於恆溫恆濕箱中加熱至 50℃，取出後自然降溫進行紅外線熱影像偵測。 2. 水泥基材塗裝環氧樹脂漆(未經加速劣化試驗者)：於恆溫恆濕箱加熱至 50℃，取出後自然降溫進行紅外線熱影像偵測。 3. 水泥基材塗裝環氧樹脂漆(已經加速劣化試驗者)：於恆溫恆濕箱加熱至 50℃，取出後自然降溫進行紅外線熱影像偵測。 4. 進行水泥基材試體與塗裝後之已劣化、未劣化實驗試體之紅外線熱影像特徵及降溫曲線比對。 5. 交互進行各項試體之紅外線熱像儀偵測紀錄之降溫曲線與協同研究案劣化曲線比對分析。 36.

(49) 第四章實驗規劃與檢測方法. 二、實驗配置平面 10.00cm. 10.00cm. 試體1. 試體2. 試體3. 經恆溫恆溼箱加熱至50、 70℃之試體，依水泥基材及塗裝後未劣化、已劣化以自然降溫逐批檢測拍攝. 250cm. 試體固定架以隔熱材絕緣. C. 數位相機拍攝實驗過程紅外線熱像儀B660，使用近焦鏡頭，每5分鐘進行紅外線熱影像偵測及攝影。. 圖 4.3.2 實驗配置圖資料來源：本研究繪製三、使用設備 1. 恆溫恆溼控制箱使用時機：加熱試體，並控制於試驗時相同外部環境溼度。 2. 紅外線熱像儀 37.

(50) 水泥基材塗裝材料加速劣化之紅外線熱像特性檢測分析. A. 注意事項： a. 為了獲得非常精確的結果，依據 FLIRB660 設被原廠建議在啟動熱像儀之後，在開始測量溫度之前，應先等待 5 分鐘。 b. 偵測前注意：為電池充電、安裝電池、插入 SD 記憶卡、模式設定、參數輸入、影像儲存位置，及是否要與電腦連線。 c. 量測設定：要測量單個像素的溫度，應使用點溫測量功能。為了獲得正確的溫度，點溫內部的區域必須被目標物體所覆蓋。 d. 參數輸入：熱像儀可使用這些物件參數： ● 放射率(或輻射率)，即與同一溫度下理論參考物體 (稱為「黑體」) 的輻射量相比，某物體所放射的輻射量。與放射率相對的是反射率。放射率決定物體與其反射量相比所產生的輻射量。 ● 反射溫度：用於補償由試體反射進熱像儀的環境輻射。這種物體屬性稱為反射率。 ● 試體距離：即熱像儀與試體之間的距離。 ● 大氣溫度：即熱像儀與試體之間(即所在環境)空氣的溫度。 ● 相對濕度：即熱像儀與試體之間(即所在環境)空氣的相對濕度。 ● 外部光學溫度：即在熱像儀與試體之間所設定之保護窗等類裝置的溫度。如果沒有使用保護窗或保護盾，該值與其他內容無關。 ● 外部光學穿透率：即在熱像儀與試體之間所設定之保護窗等類裝置的光學穿透率。 e. 建議值輸入：如果對輸入參數值不確定，則建議使用以下值：. 38.

(51) 第四章實驗規劃與檢測方法. 表 4.3.1 紅外線熱像儀 B660 建議參數值反射表象溫度. 大氣溫度. 放射率. 相對濕度. 距離. +20°C. +20°C. 0.95. 50%. 1.0 米. 資料來源：FLIR B660 使用手冊(大多數建築材料的放射率都在 0.85 和 0.95 之間。將熱像儀的放射率值設定在 0.90，是一個不錯的起點。) B. 試體偵測及攝影 a. 水泥基材試體：加熱至 50℃，取出後自然降溫，每隔約 1 分鐘進行紅外線熱影像偵測及攝影。 b. 水泥基材塗裝環氧樹脂漆(未經加速劣化試驗者)：加熱至 50 ℃，取出後自然降溫，每隔約 1 分鐘進行紅外線熱影像偵測及攝影。 c. 水泥基材塗裝環氧樹脂漆(已經加速劣化試驗者)：加熱至 50 ℃，取出後自然降溫，每隔約 1 分鐘進行紅外線熱影像偵測及攝影。 3. 其他 A.溫度計、濕度計、皮尺、照相機、試體固定座 B.耗材：隔熱保麗龍、鋁箔紙(量測試體表面反射溫度) 4. 一般注意事項： A. 記錄日期、氣候狀況(如天氣、風力、氣溫、日照等情況)。 B. 選擇適當位置安放儀器，並使儀器處於正常工作狀態。 C. 設置正常部位基準點，下列部位應設置基準點。 a. 試體塗裝材料變質或顏色不同的部位。 b. 試體應不受室內光線、或陽光照射、陰影影響。 c. 檢測環境、試體距離、方位等的影響。 D. 拍攝紅外圖像並保存，拍攝時應符合下列要求： 39.

(52) 水泥基材塗裝材料加速劣化之紅外線熱像特性檢測分析. a. 拍攝距離宜控制在 10~50m 範圍內，在 50~200m 距離內拍攝時可使用長焦鏡頭，在 5~l0m 距離內拍攝時宜使用廣角鏡頭。 b. 拍攝的仰角應控制在 45°以內，水平傾角宜控制在 30°以內。 c. 在保證上述條件的情況下，對建築物各立面均應分區域進行拍攝，上、下或左、右相鄰圖像之間應有重合部分。 E. 使用紅外熱像儀拍攝時應同時對被檢測部位拍攝可視照片。 F. 記錄紅外照片和可視照片的編號。. 第四節試體設計與製作設計與製作本研究以水泥砂漿所製作之試體做為實驗對象，試體除了水泥砂漿基材製作外，亦包含塗裝保護材料設計。相關試體設計如下：一、水泥基材本計畫使用外牆常用的水泥砂漿，所使用的所使用之細骨材為符合 ASTM C144 圬工用砂級配要求的「川砂」，相關級配分析如圖 4.1 所示，圖中實線段為本研究使用川砂級配，虛線為規範級配限制，細度磨數（fineness modulus, FM）則為 1.83，面乾內飽和比重為 2.55。所使用水泥亦為常用的波特蘭一型水泥，且以市面上常用之砂漿設計為主，相關配比如表 4.4.1 所示。. 40.

(53) 第四章實驗規劃與檢測方法. 圖 4.4.1 細骨材粒徑分佈圖資料來源：內政部建築研究所 98 年協同研究案「塗裝材料對水泥質基材耐候性能改善之試驗研究」期末報告. 表 4.4.1 水泥砂漿配比表(Kg/m3). 資料來源：內政部建築研究所 98 年協同研究案「塗裝材料對水泥質基材耐候性能改善之試驗研究」期末報告二、塗裝材料前述協同研究案中，塗裝設計以市面上常見的室外塗料為主。分別為目前常用的有機塗料，以及符合健康與環保需求的綠建材塗料進行。其中有機塗料採用以常見的壓克力樹脂漆與環氧. 41.

(54) 水泥基材塗裝材料加速劣化之紅外線熱像特性檢測分析. 樹脂漆、綠建材塗料方面則採用無機塗料、矽素與壓克力樹脂混合型的晴雨漆。因此協同研究案中共使用 4 種類型塗料。本研究因進行初步紅外線熱影像之降溫過程特徵比對，先只採常用環氧樹脂漆為試驗的塗裝材料。. 三、試體取樣及編號本案實驗試體取自年度協同研究製作之試體，計四種共 11 片試片，包含： 1. 水泥基材未塗裝素面未劣化者共 3 片，(圖 4.4.2 中試片記號 ×)，其中 1 片未加溫，做為降溫控制片(附錄 E，編號 M.控制片(未劣化之 CA45)，測溫點 SP12)，另 2 片經恆溫恆濕櫃加熱至 50℃為降溫實驗測試片(附錄 E，編號 B.C.控制片(未劣化之 CA45)測溫點 SP1、SP2)。 2. 水泥基材未塗裝素面共 3 片(圖 4.4.2 中試片記號△)，經恆溫恆濕櫃加熱至 50℃為降溫實驗測試片(附錄 E，編號 D.E.F.控制片(已劣化之 CA45)測溫點 SP3、SP4、SP5)。. 圖 4.4.2 試體測溫配置圖 42.