江支弘朝陽科技大學營建工程系

(1)

紅外線熱影像法在

土木非破壞檢測的應用

江支弘朝陽科技大學營建工程系

二二

O O O O

五公共工程非破壞檢測研討會暨產學座談會五公共工程非破壞檢測研討會暨產學座談會

(2)

報告要旨

 序論

 紅外線熱影像法概要

 實驗規劃檢測

 檢測案例說明

 影像處理與紅外線影像判讀

 結論與展望

(3)

序論

 土木方面的應用

• 建築物絕熱與濕氣的偵測

• 磁磚、石材檢測

• 修補材料的檢測

• 混凝土構件的檢測

• 橋面版或道面檢測

• 鐵路道渣檢測

(4)

老化中的公共工程基礎設施

• 關渡大橋1983-2001 <3104-2.pdf>

• 桃園國際機場跑道1979 1985

<tvbs2005.pdf>

• 大里橋1936 1981 1994道格颱風 2001桃芝颱風

• I-35w bridge 2007

(5)

I-35w bridge

(6)

關渡大橋

(7)

大里橋 2001

(8)

非破壞檢測技術應用於大型結構

需求條件

‧遠距離

‧非接觸

‧大面積

‧省時省人工

‧定期監測

(9)

紅外線熱影像法概要

 紅外線影像法原理

 應用紅外線熱影像法進行非破壞檢測方式

• 被動式

• 主動式

 熱學觀點

• 傳導

• 對流

• 輻射

(10)

Sakagami 2007

(11)

Sakagami 2007

(12)

Sakagami 2007

(13)

歷史事件

T.J. Seebeck 發現溫度差異與電位差的關聯，即所謂的thermal electric 效應

Nobili運用 thermal electric 效應發明熱電偶

J.Hershel利用油膜的漸次蒸發得到第一張紅外線影像 A.Longley 利用導電性的變化發明偵測熱輻射的感應

器，稱為bolometer

M.Planck 提出熱輻射原理，即熱輻射的強度是波長與絕對溫度的函數

第一個光導式感應器photo conductive detector 問世，

熱感應器的性能顯著提高

利用近紅外線反射導航的魚雷問世，相關的熱感應應用包括通訊與冰山偵測等

1821 1829 1840 1880 1900 1917 1940~1945

事件年代

(14)

熱學概述 1/5

•熱力學第一定律(first law of thermodynamics) 亦稱為能量守衡定律，表示能量不能產生也不會消滅，而只能改變形式，任一系統的能量守衡均可表示為：

• (3.6.1)

•式中為離開系統之總能量，為進入系統之總能量，為系統改變的總能量(包含內能、動能、位能以及其他可以儲存的能量形式)。

  ^E

⁰

^ ^E

ⁱ

^ ^ ^E

^s

^ ⁰

(15)

熱學概述 2/5

•

若一物體內有溫度梯度存在時，經驗顯示能量會從高溫區傳到低溫區。此種能量的傳遞方式，我們稱為傳導

(conduction)，且每單位面積之熱傳遞速率(heat transfer rate)和溫度梯度成正比：

•

(3.6.2)

•

此一方程式被稱為傅立葉熱傳導定律，其中是熱傳導速率，是熱流流動方向的溫度梯度，正值常數稱為材料的熱傳導係數。由微觀的角度來說，熱傳導是能量較高的物質粒子傳遞能量至相鄰能量較低的物質粒子，熱傳導可以發生在固體與流體，在流體中因為分子隨機的碰撞及擴散造成能量傳遞，在固體中則是結合了晶格中的分

x kA T

q 

 



(16)

熱學概述 3/5

•

對流(convection)是指固體表面與相鄰移動中的流體之間的能量傳送，流體流動愈快，熱對流愈快，流體不流動時，固體表面與相鄰流體只以單純的熱傳導進行熱傳遞。流體的整體運動加強了固體表面與相鄰液體間的熱傳遞，但同時也將熱傳遞速率的計算複雜化。

為了表示對流的整體影響，可以使用牛頓冷卻定律：

•

(3.6.3)

•

此處熱傳遞速率和固體壁面與流體間的溫度差，以及表面積A有關。h稱為對流熱傳遞係數，有些系統的h 值可用解析法計算求得，但較複雜的情況就必須由實驗決定。

 

_



 hA T T

q

_W

(17)

熱學概述 4/5

•

以熱傳導與對流的機制傳遞能量時，需藉由物質作為介質，另一方面能量也可以傳入完全真空的區域，這種機制即是電磁幅射，X射線、可見光與紅外線雖然波長不同，但均屬於電磁波譜的一部份，如圖3.6.1所示。以下將僅討論因為溫度差而引起的電磁幅射，稱為熱幅射 (thermal radiation)或幅射。

•

幅射是一種體積計量現象，所有的固體、液體、氣體均吸收或放射不同程度的幅射。然而大部分的固體與液體，其內部分子輻射的能量通常被相鄰的分子吸收，因此幅射永遠無法到達表面，僅有接近表面的分子的向外界輻射能量；而入射至這些物體的幅射通常在離表面數微米處即被吸收，故幅射通常被視為一種表面現象。

(18)

紅外線光譜圖

(19)

熱學概述 5/5

•理想幅射體稱為黑體(black body)，根據史蒂芬波茲曼熱幅射定律，黑體能量的放射正比於其絕對溫度的四次方：

• ^q ^ ^ ^AT

⁴

(3.6.4)

(20)

熱輻射與紅外線 1/3

•

蒲朗克幅射定律描述特定溫度之下，黑體放射的能量與波長的函數關係[2]:

•

(3.6.5)

其中的溫度係指絕對溫度。(3.6.5)式的圖形如圖3.6.2 所示，由圖中可發現：

•

在特定波長之下，熱輻射隨溫度的升高而增加；

•

大致上溫度越高，熱輻射隨波長的減少而增加；

•

特定溫度之下，單位表面積的總輻射功率可由該溫度曲線的積分求得。

 

 

 



       



1 exp

,

5 2

1 ,

T c T c

E

_b

 



(21)

熱輻射與紅外線 2/3

•只有黑體能完全吸收入射的熱輻射能量

(α _b =1)，對特定溫度與波長而言，離開物體

表面的熱輻射不可能超過黑體輻射的熱能。

(22)

熱輻射與紅外線 3/3

•熱輻射最強的波段約介於2~14μm，恰屬於中

紅外線的範圍，不過考量大氣中水汽、CO ₂ 、

CO和O ₃ 的吸收效應，實用上只能在3~5μm和

8~13μm兩個波段才能有效地偵測紅外線，也

就是熱感應法中所謂的大氣窗口，如圖3.6.4所

示。

(23)

Sakagami 2007

(24)

紅外線熱影像儀成像原理

(25)

紅外線TH7102測量視野

3.87 5.16

16.1×16.1 10.0

1.94 2.58

8.1×8.1 5.00

0.516 0.516

1.6×1.6 1.00

0.192 0.256

0.8×0.8 0.50

垂直範圍(m) 水平範圍(m)

最小量測尺寸(H V mm)

量測距離(m)

(26)

紅外線TH7102測量視野示意圖



紅外線攝影機TH7102MX的規格

(27)

熱傳遞之數值解法-暫態熱傳導

 邊界熱傳遞有限差分方程式

：溫度：熱傳導係數

：時間增量：Stefan-Boltzmann Constant

：密度：放射率

   

  ^ ^ ^ _



^ ^ ^ ^







 





 



^



 

2

4 1

1 4 m m

m m

m

xT T

c T

T h T

T x y

T k T



 

k

 

T

(28)

Sakagami, 2007

(29)

表面偵測原理

(30)

主動式與被動式偵測

(31)

Mock-up testing

•

NEC TH7102

•

Halogen lamps 500wattsX4

(32)

Concrete slabs

Slab #1 Slab #2

(33)

History of temperature variation of slab no.1

•

The temperature shown is the difference between the surface directly above the embedded voids and

Heating 5 minutes

-1 0 1 2 3 4 5

0 500 1000 1500 2000

Time(s)

TemperatureDifference(C) 0.5 - 10.0 cm

1.0 - 10.0 cm 2.0 - 10.0 cm 3.0 - 10.0 cm

(34)

History of temperature variation of slab no.2

•

The temperature shown is the difference between the surface directly above the embedded voids and

Heating 5 minutes

-0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4

0 500 1000 1500 2000

Time(s)

TemperatureDifference(C)

0.5 - 10.0 cm 1.0 - 10.0 cm 1.5 - 10.0 cm 2.0 - 10.0 cm 3.0 - 10.0 cm

(35)

Thermal images

Defects are air voids

(36)

History of temperature variation of slab no.1

•

The temperature shown is the difference between the surface directly above the honeycomb and that

Heating 5 minutes

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5

0 500 1000 1500 2000

Time(s)

1.0 - 10.0 cm 2.0 - 10.0 cm 3.0 - 10.0 cm

(37)

History of temperature variation of slab no.2

•

The temperature shown is the difference between the surface directly above the honeycomb and that

Heating 5 minutes

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

0 500 1000 1500 2000

Time(s)

1.0 - 10.0 cm 1.5 - 10.0 cm 2.0 - 10.0 cm 3.0 - 10.0 cm

(38)

Thermal images

Defects are honeycomb

(39)

空洞試體最大溫差值出現時間(min)

空洞深度

求解方法

0.5cm 1cm 1.5cm 2cm 3cm

實驗值 5~6 6~7 7~8 10~11 13~14

有限差分 5~6 8~9 12~13 16~17 23~24

ANSYS 9~10 13~14 17~18 22~23 35~36

(40)

檢測案例說明

 歷史建築

 校園建築物

 室內磚牆

 耐久性檢測

 廠房地下室混凝土牆檢測

 混凝土澆置

(41)

台中酒廠舊址<1>

• 紅磚外牆-紅外線熱影像

一般照片無日照有日照

(42)

台中酒廠舊址<2>

• 紅磚外牆-紅外線熱影像

一般照片有日照無日照

(43)

地下停車場<1>

• 逃生梯周圍混凝土腐蝕劣化-一般照片

修復前修復後

(44)

地下停車場<2>

• 逃生梯周圍混凝土腐蝕劣化-紅外線熱影像

修復前修復後

(45)

T大樓

• 外牆馬賽克磚

一般照片紅外線熱影像

(46)

E大樓<1>

• 樓梯間樓板梁外牆

一般照片紅外線熱影像

(47)

E大樓<2>

• 樓梯間樓板梁外牆

一般照片紅外線熱影像

(48)

• 鹵素燈照射丁掛牆

紅外線熱影像破壞檢查

(49)

D大樓

• 磁磚外牆-紅外線熱影像

一般照片紅外線熱影像紅外線熱影像

(50)

G大樓

• 十一層結構外牆

一般照片紅外線熱影像

(51)

室內磚牆

• 修補過室內隔間磚牆-紅外線熱影像

(52)

屋頂防水層

• 黏貼品質-紅外線熱影像

一般照片有日照

(53)

鋼構件

• 防鏽塗裝

一般照片紅外線熱影像

(54)

機場跑道鋪面

• 修補材料與次表面缺陷

一般照片紅外線熱影像

(55)

雅典國際機場

•柏油路面

滑行道主跑道

資料來源：A.Moropoulou; N.P.Avdelidis; M.Koui; K.Kakaras，An application of thermography for detection of delaminations in airport pavements，2001。

(56)

• 混凝土牆

一般照片紅外線熱影像

地下室蓄水池<1>

(57)

• 混凝土牆

紅外線熱影像No.1 一般照片紅外線熱影像No.2

地下室蓄水池<2>

(58)

混凝土澆置

• 震動棒高溫熱區 -紅外線熱影像

資料來源：K.C. Hover, S.E.

Burlingame, C.H. Lautz，

Opportunities and challenges in concrete with thermal imaging，

(59)

影像處理與紅外線影像判讀

 數位影像處理技術

• Sensitivity adjustment

• Histogram modification

• Highpass filter

• Edge detction

 影像處理後紅外線影像

(60)

影像處理後結果

(61)

影像處理後結果

(62)

影像處理後結果

Image Processing (1/3)

 Defect sizing using edge detection for specimens no.2 and no.3

 Maximum gradient based on first derivatives of surface temperature distribution

Examples of thermal image (left) and processed binary images (middle and right) of specimen no.3

江支弘 朝陽科技大學 營建工程系

紅外線熱影像法在

土木非破壞檢測的應用