混凝土结构红外热成像无损检测用热激励装置制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种混凝土结构红外热成像无损检测用热激励装置，该装置包括红外辐射装置、炉架、炉架旋转装置、炉架升降装置；所述红外辐射装置包括若干陶瓷辐射器组成的辐射器阵列和与其电连接的温度控制装置；所述辐射器阵列被固定在炉架上，炉架的材料为光面不锈钢，并通过炉架旋转装置与炉架升降装置的动部件连接。本发明可以解决混凝土红外成像无损检测技术使用的热源不仅空间梯度小、时间梯度大、加热效率高、加热温度可控精度精细，而且能方便移动、高度角度均可调节等技术问题。
【专利说明】混凝土结构红外热成像无损检测用热激励装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于混凝土内部缺陷的红外热成像无损检测的热激励装置。
【背景技术】
[0002]寻求一种无损、快速、低成本、大范围的混凝土普查方法是土木工程界极为关注的问题，具有非常现实的意义。红外成像检测技术就是在这种情况下被引入土木工程领域的。对红外成像技术应用方面的研究，最早出现在20世纪60年代的美国。20世纪70年代末，已经有学者应用红外成像技术诊断建筑物的热损耗、屋顶渗水、围墙缺陷以及查找路面的次表面缺陷等。此技术在我国起步较晚，在20世纪90年代初，我国才有学者将红外成像诊断技术和土木工程结合起来，在建筑物热损耗、建筑材料缺陷探测和建筑外墙施工质量等方面进行了初步的应用研究。红外成像技术是一种全新、灵敏的检测方法，也是一种很好的监测方法，其重要的特点是可以快速、非接触、大面积地扫查检测物表面，并且不损伤检测物，结果直观形象，易于实现自动化和实时观测。
[0003]目前利用红外成像技术对混凝土无损检测的研究热点集中在对红外成像获取的热源的改进。针对混凝土的有关检测过程中如何改进热源这一问题，国内外研究人员主要是采用大功率的红外脉冲加热装置、红外灯照射、超声红外技术和高能闪光灯等热源。德国的Ch Maierhfer和Hwiggenhuaser等人在对混凝土中的缺陷及碳纤维增强表面粘结层的脱胶情况进行检测的过程中，采用了大功率的红外脉冲加热装置。Takahide Sakagami等研究人员利用红外灯照射对混凝土内部的层离缺陷进行了分析研究，得出了混凝土内部缺陷随埋设深度及缺陷的几何大小变化的关系曲线。S Vallerand和X Maldague在脉冲加热的红外热激励条件下，比较了数理统计法和神经网络法对材料的内部缺陷检测的优劣，指出了各种方法的适用条件。李卓球、黄莉、伍颖和宋显辉等在通电的情况下，利用碳纤维混凝土的电热效应，对含预制裂纹的碳纤维混凝土缺陷体进行红外无损检测，为优化和评估电热红外成像检测方案提供了重要的数值依据。国内外的科研人员在检测过程中尝试了不同的热源，但使用外加热源时，在检测物上产生的温度场具有以热源对应点为中心，向外围梯度递减的特点，影响检测结果的准确性。寻找空间梯度小、时间梯度大的新式热源是红外成像检测技术的一个主要研究方向。
[0004]根据热量注入的方式不同红外辐射检测有如下多种检测形式:
①脉冲福射检测(PT:Pulsed Thermography)
脉冲辐射测量过程是:先对被测物体加热，然后对温度变化进行测量。在热注入后由于热扩散物体温度快速变化，同时由于辐射和对流造成热损失，表面下缺陷的存在改变了热扩散速率，在缺陷处形成与周围不同的温差，通过测量表面温度完成检测。
[0005]②矩形脉冲福射检测(SPT:Square Pulsed Thermography)
常规的脉冲辐射检测中，对高热导率物体(如金属)热激励脉冲时间只有几毫秒，而对低热导率物体(如塑料)热脉冲时间则持续几秒钟。但对于混凝土材料而言，这么短的加热时间往往对被测物没有明显影响，所以一般需要采用更长的加热时间，这样的热量注入方式与脉冲辐射检测中的热量注入方式有较大的不同，被测物体内部热传导方式也不同。
[0006]③阶跃福射检测(SH:Step Heating)
在阶跃辐射检测中，对辐射加热过程中的表面温度变化进行监测。主要用于涂层厚度检测(包括多层涂层)、涂层与基底结合检测以及复合结构检测等。
[0007]④调制辐射检测(Lock-1n)
调制辐射检测的过程是:在试件表面注入周期调制的热量(如正弦调制的激光)，在试件中形成周期变化的温度分布即热波，对产生变化的温度场进行检测。调制是指必须对输出信号与参考输入信号(如周期调制的热激励)之间的时间关系进行精确测量。在采用激光激励的点测量中是通过锁相放大器实现的，在全场加热方式中通过计算机处理可以得到相位和振幅两个方面的图像。检测深度与辐射调制频率成反比，所以高频调制主要用于近表面分析。
[0008]⑤振动福射检测(Vibrothermography)
振动辐射检测也属于主动检测。在外部机械振动作用下，在缺陷(如裂缝和分层)处由于存在摩擦机械能转化为热能，从而在试件中产生热激励。
[0009]对于混凝土材料而言,矩形脉冲福射检测(SPT:Square Pulsed Thermography)是一个比较适合的方法。
【发明内容】
[0010]本发明的目的是提供一种混凝土结构红外热成像无损检测用热激励装置，以解决混凝土红外成像无损检测技术使用的热源不仅空间梯度小、时间梯度大、加热效率高、加热温度可控精度精细，而且能方便移动、高度角度均可调节等技术问题。
[0011]本发明为了实现上述发明目的，所采用的技术方案如下:
混凝土结构红外热成像无损检测用热激励装置，该装置包括红外辐射装置、炉架、炉架旋转装置、炉架升降装置；所述红外辐射装置包括若干陶瓷辐射器组成的辐射器阵列和与其电连接的温度控制装置；所述辐射器阵列被固定在炉架上，炉架的材料为光面不锈钢，并通过炉架旋转装置与炉架升降装置的动部件连接。
[0012]红外辐射装置分为若干个温区，每个温区独立控制温度，每个温区包含一个带热电偶的陶瓷辐射器，该温区的其他陶瓷辐射器均不含热电偶；连接陶瓷辐射器的电源线使用耐高温的导线。
[0013]炉架升降装置由两侧升降立柱和上、下加固钢条连接形成的框架构成，在升降立柱上安装有动部件；所述升降立柱是具有齿条的滑轨结构，所述动部件是安装有齿轮的滑道结构，齿轮与齿条配合，齿轮上安装有升降手柄。
[0014]旋转装置包括全角度自由旋转的转轴和转轴锁定装置，转轴对称固定在炉架的两侦牝并与升降装置的对应动部件实现转动连接；转轴锁定装置由固定在转轴上的，周边有一组定位槽的转盘、固定在转盘周边的与定位槽配合锁定的定位销组成。
[0015]在炉架升降装置的底部安装万向轮。
[0016]本发明的有益效果是，加热均匀、升温迅速、加热效率高、加热温度可控精度精细、可全角度加热、空间梯度小、时间梯度大且能方便移动，大大提高了检测的准确性，使混凝土红外热成像无损检测技术可以实用化。[0017]本发明使用陶瓷辐射器的优点有:
1.加热效率非常高。由于加热过程中不发光，电能基本上全部转化为热能，所以较光源类热源更高效、节能。
[0018]2.加热温度完全可控。陶瓷辐射器的控制精度非常精细，而卤素灯的控制精度相对较粗糙。
[0019]3.加热范围非常均匀。光源类热源如果组成阵列，需要进行特殊设计以尽量满足加热的均匀性，但在被测物体表面仍不可避免的存在温度差异；而红外线辐射热源可以非常好的解决均匀性问题。
[0020]4.寿命长。陶瓷辐射器的寿命普遍在10000小时以上，而卤素灯的寿命一般为5000小时。
[0021]对于混凝土检测来说，250W陶瓷辐射器最高温度可以达到400°C，已经可以满足实际需求，此时陶瓷辐射器的表面平均热功率密度为16kW/m2。陶瓷辐射器升温至200°C只需要2分钟，升温速度满足要求。
【专利附图】
【附图说明】
[0022]图1是本发明的电路原理图。
[0023]图中，A为辐射器阵列，B为温度控制仪，K为固态继电器。
[0024]图2是本发明的结构示意图。
[0025]图3是图1的侧视图。
[0026]图中，1.辐射器阵列炉架，2.升降立柱，3升降手柄，4.转盘，5.万向轮，6.可拆卸加固钢条。
【具体实施方式】
[0027]下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
[0028]本发明所述的一种混凝土结构红外热成像无损检测用热激励装置，可以参见图2、3，该装置包括红外辐射装置、炉架1、炉架旋转装置、炉架升降装置；所述红外辐射装置包括若干陶瓷辐射器组成的辐射器阵列和与其电连接的温度控制装置；所述辐射器阵列被固定在炉架上，炉架I的材料为光面不锈钢，并通过炉架旋转装置与炉架升降装置的动部件连接。
[0029]红外辐射装置分为若干个温区，每个温区独立控制温度，每个温区包含一个带热电偶的陶瓷辐射器，该温区的其他陶瓷辐射器均不含热电偶；连接陶瓷辐射器的电源线使用耐高温的导线。
[0030]炉架升降装置由两侧升降立柱2和上、下加固钢条6连接形成的框架构成，在升降立柱2上安装有动部件；所述升降立柱2是具有齿条的滑轨结构，所述动部件是安装有齿轮的滑道结构，齿轮与齿条配合，齿轮上安装有升降手柄3。
[0031]旋转装置包括全角度自由旋转的转轴和转轴锁定装置，转轴对称固定在炉架的两侦牝并与升降装置的对应动部件实现转动连接；转轴锁定装置由固定在转轴上的，周边有一组定位槽的转盘4、固定在转盘周边的与定位槽配合锁定的定位销组成。
[0032]在炉架升降装置的底部安装万向轮。[0033]参见图1，红外辐射装置分为若干个温区，每个温区独立控制温度，每个温区包含一个带热电偶的陶瓷辐射器，该温区的其他陶瓷辐射器均不含热电偶；连接陶瓷辐射器的电源线使用耐高温的导线。在炉架的底部安装万向轮5。
[0034]以上的实施例便于更好地理解本发明，但并不限定本发明。下述实施例中的实验方法，如无特殊说明，均为常规方法。
[0035]检测应按下列程序进行:
1.记录日期、时间、气候状况(包括天气、风力、气温、空气湿度、日照等情况);
2.将检测对象划分为不同的检测区域，按顺序选择适当位置安放加热装置，设定加热温度并使加热装置处于正常工作状态，加热时应注意下列安全要求:
1)采用光洁铝板或不锈钢反射板将加热装置四周遮罩:红外辐射加热系统炉架的主要构件由不锈钢金属材料制成，在陶瓷红外辐射器连续加热运行过程中，炉架不可避免会被辐射加热升温。采用高功率红外辐射器加热时，炉架外壳温度可高达300°C左右。因此，应采取保护措施避免人体与高温金属炉架的直接接触。建议采用光洁铝板或不锈钢反射板将加热系统四周遮罩，这可防止炉架外侧的物体被不必要的加热，同时提高能源利用率；
2)使用石棉手套等防护工具；
3)尽量排除其他加热源干扰。
[0036]3.关闭并移开加热装置，选择适当位置安放红外成像仪，并使红外成像仪处于正常工作状态；
4.拍摄红外图像并保存。
[0037]5.将加热装置移至下一检测分区，重复步骤2~4。
[0038]炉架的主要部件采用光面不锈钢制成。强度高，能支撑安装在炉架内部的陶瓷红外辐射器的重量负荷；在高温状况下的膨胀系数较低，光亮的不锈钢表面反射了大部分的红外射线，有效减少了红外辐射加热系统在加热过程中的热损耗。因此红外辐射加热系统炉架具有节能、结构稳固、热变形小，以及高温下耐腐蚀的特点。
[0039]将加热系统分为若干个温区，每个温区可以独立控制温度，每个温区包含一个带热电偶的陶瓷辐射器，其他陶瓷辐射器均不含热电偶，电路线路如图1所示，连接陶瓷红外线辐射器的电源线使用耐高温的导线。
[0040]为了方便实桥应用，装置的支架包括了手动升降、旋转、行走等功能，如图2所示，通过摇把摇动相互咬合的齿条实现炉架的升降，通过轴承和转盘实现炉架的全角度自由旋转，同时在支架的底部安装万向轮以方便行走。
【权利要求】
1.一种混凝土结构红外热成像无损检测用热激励装置，其特征是，该加热装置包括红外辐射装置、炉架、炉架旋转装置、炉架升降装置；所述红外辐射装置包括若干陶瓷辐射器组成的辐射器阵列和与其电连接的温度控制装置；所述辐射器阵列被固定在炉架上，炉架的材料为光面不锈钢，并通过炉架旋转装置与炉架升降装置的动部件连接。
2.根据权利要求1所述一种混凝土结构红外热成像无损检测用热激励装置，其特征是:红外辐射装置分为若干个温区，每个温区独立控制温度，每个温区包含一个带热电偶的陶瓷辐射器，该温区的其他陶瓷辐射器均不含热电偶；连接陶瓷辐射器的电源线使用耐高温的导线。
3.根据权利要求1所述的一种混凝土结构红外热成像无损检测用热激励装置，其特征是，炉架升降装置由两侧升降立柱和上、下加固钢条连接形成的框架构成，在升降立柱上安装有动部件；所述升降立柱是具有齿条的滑轨结构，所述动部件是安装有齿轮的滑道结构，齿轮与齿条配合，齿轮上安装有升降手柄。
4.根据权利要求1所述的一种混凝土结构红外热成像无损检测用热激励装置，其特征是，旋转装置包括全角度自由旋转的转轴和转轴锁定装置，转轴对称固定在炉架的两侧，并与升降装置的对应动部件实现转动连接；转轴锁定装置由固定在转轴上的，周边有一组定位槽的转盘、固定在转盘周边的与定位槽配合锁定的定位销组成。
5.根据权利要求1或3所述的一种混凝土结构红外热成像无损检测用热激励装置，其特征是，在炉架升降装置的底部安装万向轮。
【文档编号】G01N25/72GK103808760SQ201310671663
【公开日】2014年5月21日 申请日期:2013年12月12日 优先权日:2013年12月12日
【发明者】谢峻, 郑晓华, 曾丁, 安宁, 高小妮 申请人:交通运输部公路科学研究所, 北京公科固桥技术有限公司