CN109696457B - 面向玻璃幕墙胶接结构损伤的主动红外热波检测方法与系统 - Google Patents
面向玻璃幕墙胶接结构损伤的主动红外热波检测方法与系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种面向玻璃幕墙胶接结构损伤的主动红外热波检测方法与系统，方法包括：开启激光热激励源和红外热像仪对玻璃幕墙试样进行热激励和采集，获取玻璃幕墙表面温度曲线；将激光热激励源和红外热像仪搭载于无人飞行器或爬壁机器人；通过温度时间曲线获得激光光束与红外热像仪之间最佳扫描时序；开启激光热激励源和红外热像仪，设置红外热像仪参数和热图像序列采集频率及热激励功率；使无人飞行器或爬壁机器人沿玻璃幕墙胶接结构匀速飞行或移动采集透过幕墙玻璃表面的热辐射量；获得玻璃幕墙胶接结构红外热图像序列并传输至PC端；通过延迟校正获得温度差异更明显的红外热图像，对红外热图像温度分布差异进行分析，识别玻璃幕墙胶接结构损伤情况。
Description
技术领域
本发明涉及玻璃幕墙热波检测技术领域，尤其涉及一种面向玻璃幕墙胶接结构损伤的主动热激励式红外热波检测方法与系统。
背景技术
玻璃幕墙是由支承结构和幕墙玻璃通过结构胶粘接而成的建筑外围结构或装饰结构。玻璃幕墙的主要作用是调节光热、抵御风雨、隔绝噪声、阻断空气渗透，最大限度维持室内适宜的生产生活环境。上世纪90年代，我国第一幢采用现代玻璃幕墙的建筑广州广交会展馆建成。此后，我国玻璃幕墙工程迅猛发展，产量、使用量逐年上升，逐渐成为玻璃幕墙大国。
建筑的寿命通常是几十年甚至上百年，但玻璃幕墙的设计使用寿命约为25年，我国已有相当部分的玻璃幕墙使用时间接近或超过设计使用寿命。近几年，全国多地发生幕墙玻璃脱落事故，严重危害公民的人身安全和财产安全。由于玻璃幕墙胶接结构长期处于温度变化大、高湿度和高辐射的恶劣环境，加之早期玻璃幕墙设计不当、施工缺陷、材料欠佳等原因，胶接结构会产生种类各异的损伤类型，主要包括疲劳、老化和蠕化三种退化形式。玻璃幕墙坠落事故中，由于中空玻璃胶接结构老化脱粘，造成中空玻璃外片坠落的情况最为多见。
面对玻璃幕墙严峻的安全形势，迫切需要对使用中的玻璃幕墙进行新的检测手段。然而，现有的玻璃幕墙专项检测对于玻璃幕墙最具安全隐患的自爆和脱落问题无法给出可靠的结论。当前学者提出的既有玻璃幕墙检测方法无不需要紧密接触幕墙玻璃，在大规模扫查和抽查中，需要紧密接触的力学方法并不适用。因此，目前的应用于玻璃幕墙胶接结构损伤检测的方法不够成熟，缺少标准，检测的方法有待进一步探究完善。主动式红外热波检测是一种通过用热激励源来加热待检查的物体，由于损伤区域与正常区域的热波反射存在差异而形成明显的温差，进而实现损伤检测的检测方法。由于玻璃幕墙的胶接结构位于玻璃与支撑结构中间，无法实现对结构胶的直接检测。而主动式红外热波检测技术具有非接触、直观快速的优点，应用于玻璃幕墙胶接结构损伤检测更具可行性及重要性。因此，针对玻璃幕墙胶接结构损伤的主动式红外热波检测研究是具有重大意义的。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种面向玻璃幕墙胶接结构损伤的主动红外热波检测方法与系统。该检测方法与系统采用无人飞行器或爬壁机器人搭载线型激光热激励源和高分辨率红外热像仪，可对玻璃幕墙胶接结构表面进行热激励和热图像采集，根据玻璃幕墙胶接结构温度分布情况判断缺陷情况。
本发明的目的通过以下的技术方案来实现：
面向玻璃幕墙胶接结构损伤的主动红外热波检测方法，包括：
开启激光热激励源和红外热像仪对玻璃幕墙试样进行热激励和采集，获取玻璃幕墙表面温度曲线；
将激光热激励源和红外热像仪搭载于无人飞行器或爬壁机器人；并使用线型激光光束作为玻璃幕墙胶接结构损伤热波检测的主动热激励源；
调节红外热像仪的拍摄角度，并通过温度时间曲线获得激光光束与红外热像仪之间最佳扫描时序；
开启激光热激励源和红外热像仪，并设置红外热像仪参数和热图像序列采集频率及热激励功率；
启动无人飞行器或爬壁机器人，并使无人飞行器或爬壁机器人沿玻璃幕墙胶接结构匀速飞行或移动采集透过幕墙玻璃表面的热辐射量；
将热辐射量转换为温度数值，获得玻璃幕墙胶接结构红外热图像序列；
将红外热图像序列传输至PC端；
对红外热图像序列进行延迟校正和热图像增强；
通过延迟校正获得温度差异更明显的红外热图像，并对红外热图像温度分布差异进行分析，识别玻璃幕墙胶接结构损伤情况。
面向玻璃幕墙胶接结构损伤的主动红外热波检测系统，包括：近红外线型激光热激励源、红外热像仪、无人飞行器或爬壁机器人以及PC端；
所述近红外线型激光热激励源，采用激光光束作为玻璃幕墙胶接结构热波检测的热激励源，即通过选取线形红外激光器对玻璃幕墙表面进行主动热激励的方式来增强被检测对象表面的热辐射；
红外热像仪，用于采集透过幕墙玻璃表面的热辐射量，并将热辐射量转换为温度数值，获得玻璃幕墙胶结构热图像序列；
无人飞行器或爬壁机器人，用于搭载激光热激励源和红外热像仪，并通过匀速运动实现激光光束和红外热像仪对玻璃幕墙胶接结构的扫描热激励和热图像序列采集；
PC端，为检测系统的计算机热图像处理模块，用于对热图像序列进行规范化存储、显示和处理。
与现有技术相比，本发明的一个或多个实施例可以具有如下优点：
本发明采用激光光束对玻璃幕墙胶接结构进行热激励，玻璃幕墙温度信息经由红外热像仪获取，加热方法和温度数据采集方法均为非接触式；所述激光光束加热方法方向性好、所需功率小、能量密度高，可仅对玻璃幕墙胶接结构处进行热激励，控制加热效果方便；针对玻璃幕墙检测高空作业的特点，使用无人机或爬壁机器人搭载激光热激励热波检测系统；通过控制激光光束与热像仪采集的时序和延迟校正功能，得到温度差异明显的热图像。
附图说明
图1是面向玻璃幕墙胶接结构损伤的主动红外热波检测方法流程图；
图2是玻璃幕墙胶接结构损伤的主动红外热波检测方法原理图；
图3是激光光束辐射玻璃幕墙胶接结构处表面示意图；
图4是玻璃幕墙胶接结构无损伤区域的热波传播示意图；
图5是玻璃幕墙胶接结构损伤区域的热波传播示意图；
图6a和6b是玻璃幕墙胶接结构损伤的主动红外热波检测系统示意图；
图7是玻璃幕墙胶接结构损伤表面温度分布示意图；
图8是热激励后无损伤区域和损伤区域温度变化图；
图9是热激励后无损伤区域和损伤区域温差变化图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述：本发明的目的是提供一种面向玻璃幕墙胶接结构损伤的主动红外热波检测方法与系统，所述检测方法与系统采用无人飞行器或爬壁机器人搭载线型激光热激励源和高分辨率红外热像仪，可对玻璃幕墙胶接结构表面进行热激励和热图像采集，根据玻璃幕墙胶接结构温度分布情况判断缺陷情况。
如图1所示，为面向玻璃幕墙胶接结构损伤的主动红外热波检测方法流程，包括：
开启激光热激励源和红外热像仪对玻璃幕墙试样进行热激励和采集，获取玻璃幕墙表面温度曲线；
将激光热激励源和红外热像仪搭载于无人飞行器或爬壁机器人；并使用线型激光光束作为玻璃幕墙胶接结构损伤热波检测的主动热激励源；
调节红外热像仪的拍摄角度，通过温度时间曲线获得激光光束与红外热像仪之间最佳扫描时序；
开启激光热激励源和红外热像仪，并设置红外热像仪参数和热图像序列采集频率及热激励功率；
启动无人飞行器或爬壁机器人，并使无人飞行器或爬壁机器人沿玻璃幕墙胶接结构匀速飞行或移动采集透过幕墙玻璃表面的热辐射量；
将热辐射量转换为温度数值，获得玻璃幕墙胶接结构红外热图像序列；
将红外热图像序列传输至PC端；
对红外热图像序列进行延迟校正和热图像增强；
通过延迟校正获得温度差异更明显的红外热图像，并对红外热图像温度分布差异进行分析，识别玻璃幕墙胶接结构损伤情况。
如图2所示，玻璃幕墙胶接结构损伤的主动红外热波检测方法原理，检测原理如下：上述使用激光光束作为玻璃幕墙胶接结构热波检测的热激励源，选取线形近红外激光器对玻璃幕墙表面进行主动热激励源的方式来增强被检测对象表面的热辐射。幕墙玻璃对所述近红外激光有较大的透过率，结构胶对所述近红外激光有较好的吸收作用。近红外激光光束中的绝大部分光能透过玻璃介质辐照到结构胶表面，透射部分的光在结构胶表面被完全吸收转化热量，使结构胶表面温度升高。主动热激励时，由于损伤区域与正常区域的热波反射存在差异，从而使得损伤区域与正常区域的温度存在差异。
通过激光光束辐射玻璃幕墙胶接结构处表面时，分别有吸收、反射和透射三个去向，参见图3。若入射在玻璃幕墙上光的辐射照度为Gi，反射部分为Gρo，吸收部分为Gαo，透射部分为Gτo，由能量守恒定律有
Gi＝Gρo+Gαo+Gτο
上式两边同时除以辐射照度Gi，得到
1＝ρo+αo+τo
其中，ρo、αo、τo分别表示吸收率、反射率、透射率，表征各个去向辐射照度占入射辐射照度的占比。由于普通平板玻璃的透射率达到80％甚至90％以上，幕墙玻璃对所述近红外激光有较大的透过率，结构胶对所述近红外激光有较好的吸收作用。因此，近红外激光光束照射激励幕墙玻璃的过程中，相当一小部分被幕墙玻璃吸收，绝大一部分以透射的形式辐照到结构胶表面。由于常用的结构胶为棕色、黑色等深色系，可近似为黑体，则透射部分的光能在结构胶表面，即玻璃幕墙结构胶与玻璃粘接处被完全吸收转化热量，粘接处温度开始逐渐上升。幕墙胶接结构温度升高，温度向幕墙内部以波动的形式传播，形成直射热波，如图4所示。当胶接结构存在缺陷时，热波在缺陷区域和非缺陷区域热波传导性能不同，从而使得损伤区域与正常区域的温度存在差异。胶接结构缺陷区域的热波传播如图5所示。
所述使用红外热像仪采集透过幕墙玻璃表面的热辐射量，为通过使用红外热像仪采集透过半透明介质的幕墙玻璃表面的热辐射量并转换为温度数值。所述红外热像仪应满足玻璃幕墙胶接结构检测需求，空间分辨率不大于1mrad，在30℃温度灵敏度不低于50mk。
如图6a和6b所示，是玻璃幕墙胶接结构损伤的主动红外热波检测系统，包括：近红外线型激光热激励源、红外热像仪、无人飞行器或爬壁机器人以及PC端；
所述近红外线型激光热激励源，采用激光光束作为玻璃幕墙胶接结构热波检测的热激励源，即通过选取线形红外激光器对玻璃幕墙表面进行主动热激励的方式来增强被检测对象表面的热辐射；
红外热像仪，用于采集透过幕墙玻璃表面的热辐射量，并将热辐射量转换为温度数值，获得玻璃幕墙胶结构热图像序列；
无人飞行器或爬壁机器人，用于搭载激光热激励源和红外热像仪，并通过匀速运动实现激光光束和红外热像仪对玻璃幕墙胶接结构的扫描热激励和热图像序列采集；
PC端，为检测系统的计算机热图像处理模块，用于对热图像序列进行规范化存储、显示和处理。
上述使用近红外线形激光光束作为玻璃幕墙胶接结构热波检测的主动热激励源是针对玻璃对近红外激光光束的高透射率的特点及结构胶对近红外激光光束吸收效果，使用激光对玻璃幕墙胶接结构进行热激励，使结构胶表面温度升高。
上述使用无人飞行器或爬壁机器人搭载热激励源和热像仪，为针对玻璃幕墙检测过程高空作业人的特点，将线型激光热激励源和红外热像仪安装到无人飞行器或爬壁机器人上，通过控制无人飞行器或爬壁机器人的匀速运动，可以实现线型激光对玻璃幕墙胶接结构的匀速扫描加热和红外热像仪对玻璃幕墙的序列采集。
采集的热图像序列传输至PC端，通过对热图像的处理和分析，达到检测玻璃幕墙胶接结构损伤的目的。如果玻璃幕墙胶接结构存在缺陷，热波在缺陷区域和非缺陷区域热波传导性能不同，使得透过幕墙玻璃表面的热辐射量存在差异，玻璃幕墙胶接结构损伤造成的玻璃表面温度分布见图7。
上述通过温度时间曲线获得激光束与热像仪之间最佳的扫描时序关系，为根据玻璃幕墙胶接结构损伤热波检测试验得到的无损伤与损伤区域温差曲线，选取温差曲线最大值所对应的时间作为激光束热激励与热像仪采集的时间间距，得到温度差异最大的热像仪采集时刻，无损伤与损伤区域温度曲线见图8，无损伤与损伤区域温差曲线见图9。玻璃幕墙胶接结构受激光热激励后，损伤区域和无损伤区域温差达到最大的时间间距，为红外热像仪的最佳采集时间，称为激光束与热像仪之间最佳的扫描时序关系。通过改变红外热像仪与激光器的角度，从而使激光热激励与红外热像仪的扫描时序为最佳采集时间。
所述PC端为检测系统的计算机热图像处理模块，可对热图像序列进行规范化存储和显示，具有所述延时校正功能和热图像增强功能。
所述延迟校正功能，为针对激光光束扫描的特点，使图像中所有区域的信号为所述最佳扫描时序，得到温度差异最明显的热图像，相当于整个表面都是同一时刻受到热激励，在受热激励后的最佳时间间距为热像仪采集。
所述热图像增强功能，为红外热像图中的轮廓和对比度等进行调整和锐化，突出玻璃幕墙胶接结构的温度异常区域。
通过对热图像的处理和分析，如果玻璃幕墙胶接结构存在缺陷，根据缺陷区域和非缺陷区域的温度存在差异识别玻璃幕墙胶接结构的损伤情况，达到检测玻璃幕墙胶接结构损伤的目的。
虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。
Claims (2)
1.面向玻璃幕墙胶接结构损伤的主动红外热波检测方法，其特征在于，所述方法包括：
开启激光热激励源和红外热像仪对玻璃幕墙试样进行热激励和采集，获取玻璃幕墙表面温度曲线；
将激光热激励源和红外热像仪搭载于爬壁机器人；并使用线型激光光束作为玻璃幕墙胶接结构损伤热波检测的主动热激励源；
调节红外热像仪的拍摄角度，并通过温度时间曲线获得激光光束与红外热像仪之间最佳扫描时序；
开启激光热激励源和红外热像仪，并设置红外热像仪参数和热图像序列采集频率及热激励功率；
启动爬壁机器人，并使爬壁机器人沿玻璃幕墙胶接结构匀速飞行或移动采集透过幕墙玻璃表面的热辐射量；
将热辐射量转换为温度数值，获得玻璃幕墙胶接结构红外热图像序列；
将红外热图像序列传输至PC端；
对红外热图像序列进行延迟校正和热图像增强；
通过延迟校正获得温度差异更明显的红外热图像，并对红外热图像温度分布差异进行分析，识别玻璃幕墙胶接结构损伤情况；
选取线形近红外激光器对玻璃幕墙表面进行主动热激励源的方式来增强被检测对象表面的热辐射；幕墙玻璃对所述近红外激光有较大的透过率，结构胶对所述近红外激光有较好的吸收作用；近红外激光光束中的绝大部分光能透过玻璃介质辐照到结构胶表面，透射部分的光在结构胶表面被完全吸收转化热量，使结构胶表面温度升高；
检测前对玻璃幕墙试样进行热激励和采集，获取玻璃幕墙表面温度曲线；
通过温度时间曲线获得激光束与热像仪之间最佳的扫描时序为选取玻璃幕墙结构无损伤与损伤区域温差曲线最大值所对应的时间作为激光束热激励与热像仪采集的最佳时间间距，得到温度差异最大的热像仪采集时刻；
所述红外热像仪满足玻璃幕墙胶结构检测需求，其空间分辨率不大于11mrad，在30℃温度灵敏度不低于50mk。
2.面向玻璃幕墙胶接结构损伤的主动红外热波检测系统，其特征在于，所述系统包括近红外线型激光热激励源、红外热像仪、爬壁机器人以及PC端；
所述近红外线型激光热激励源，采用激光光束作为玻璃幕墙胶接结构热波检测的热激励源，即通过选取线形近红外激光器对玻璃幕墙表面进行主动热激励的方式来增强被检测对象表面的热辐射；幕墙玻璃对所述近红外激光有较大的透过率，结构胶对所述近红外激光有较好的吸收作用；近红外激光光束中的绝大部分光能透过玻璃介质辐照到结构胶表面，透射部分的光在结构胶表面被完全吸收转化热量，使结构胶表面温度升高；
红外热像仪，用于采集透过幕墙玻璃表面的热辐射量，并将热辐射量转换为温度数值，获得玻璃幕墙胶结构热图像序列；
爬壁机器人，用于搭载激光热激励源和红外热像仪，并通过匀速运动实现激光光束和红外热像仪对玻璃幕墙胶接结构的扫描热激励和热图像序列采集；
PC端，为检测系统的计算机热图像处理模块，用于对热图像序列进行规范化存储、显示和处理；
所述热图像处理模块，用于对红外热图像序列进行延迟校正和热图像增强；通过延迟校正使图像中各点的热辐射信号为受激励后的相同时间间隔，相当于对整个检测表面进行同时激励；通过热图像增强获得温度差异更明显的红外热图像，并对红外热图像温度分布差异进行分析，识别玻璃幕墙胶接结构损伤情况；
所述爬壁机器人搭载激光热激励源和红外热像仪，选取玻璃幕墙表面无损伤与损伤区域温差曲线最大值所对应的时间作为激光束热激励与热像仪采集的最佳时间间距，调节红外热像仪与激光热激励之间的角度，得到温度差异最大的红外热图像；
所述红外热像仪满足玻璃幕墙胶结构检测需求，其空间分辨率不大于11mrad，在30℃温度灵敏度不低于50mk。
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