Page 96 - 无损检测2021年第十期

吴卓桥, 等:

红外热波检测技术在文物保护中的应用

便于定性定量分析以及显示直观等突出特点, 目前已 原理, 方波激励下物体表面温度分布随时间的变化
被应用于航空航天、 石油石化、 电力和建筑等领域, 并 相当于方波函数与脉冲表面温度随时间的变化函数
逐渐被推广应用到文物保护领域 [ 5-9 ] 。 做卷积积分, 由此可得加热阶段及冷却阶段的表面
温度随时间的分布T 1t 和T 2t 可表示为
()
(),
1 红外热波检测的基本原理
2 2
FL αt 1 2 ∞ 1 nπαt

()
,
T 1t = 2 + - 2∑ 2 p-
ex

红外热波理论主要研究变化性热源( 如周期、 脉 k L 3 π n= 1n L 2

冲、 阶跃函数热源) 与媒介材料及其几何结构之间的 ( 0<t<τ ) ( 2 )
相互作用。被加热后, 不同媒介材料表面及表面下 FL αt 2 ∞ 1 nπαt
2 2

T 2t = k L 2 + 2∑ 2 p- ×
()
ex
的物理结构特性或边界条件将影响热波的传输, 并 π n= 1n L 2
2 2
影响媒介表面的温度场变化 [ 5 ] 。红外热波无损检测 nπ αt

ex p 2 -1 ,( t>τ ) ( 3 )

技术的核心是对被检测试件的材料、 结构和缺陷类 L

型进行检测, 利用热像仪对被检测材料表面的热波 式中: F 为单位面积上的热流密度; k 为材料热传导
信号进行采集, 并采用相关图像信号处理算法以获 率; τ 为加热时间。
取材料表面及表面以下的结构信息, 从而达到检测 3 应用案例
目的, 红外热波检测原理如图1所示。
3.1 方波激励红外热像法在古代壁画中的检测评估
壁画是人类最古老的绘画形式之一, 中国古代
壁画主要是干壁画, 壁画主要由支撑结构、 基础层和
颜料层3个基本部分组成, 颜料层即绘制的壁画层,
壁画基础层是为颜料层提供绘制基础的, 有泥土和
石灰两种类型, 通常为了增加强度, 在其中掺杂植物
纤维 [ 10 ] 。不同壁画的支撑结构不同, 如寺观壁画或
墓室壁画的支撑结构为砖石, 石窟壁画以洞壁为支
图1 红外热波检测原理示意 撑体, 而馆藏壁画又多以木质龙骨、 石膏体或蜂窝铝
板等为支撑体。壁画的空鼓、 裂纹及支撑结构变形
2 热传导理论
等病害都是文物保护工作者所关注的问题。因此,
2.1 脉冲激励 笔者对两幅古代壁画进行了红外热像检测。
在理想绝热环境下, 在脉冲激励条件下, 物体表 3.1.1 “ 七佛说法图” 的检测
面温度分布随时间的变化可表示为 检测对象为馆藏壁画“ 七佛说法图”, 现存放于
∞ 2 2 故宫博物馆院内的保和殿西庑馆, 其可见光照片如
Q nπαt

T ft = 1+2 ∑ ex p- 2 ( 1 ) 图2 ( a ) 所示。由于无法到壁画的背面进行检测, 唯
()

ρ cL n= 1 L
式中: Q 为物体表面受到的脉冲激励能量; α 为材 一的选择是从壁画正面进行现场诊断。热成像检测

料的热扩散系数; 为材料密度; c 为材料比热容; 过程中, 卤素灯加热时间为20s , 冷却时间为60s ,
ρ

L 为被测物体的厚度或缺陷深度; t 为时间。 采集频率为20Hz , 对整个“ 七佛说法图” 壁画红外
随着t 的增加, 式( 1 ) 中的求和项逐渐趋近于 原始序列图像进行非均匀校正、 图像拼图处理及三
零, 物体表面温度会逐渐降低到 Q /( cL )。在试验 维热层析成像, 得到热吸收图和热层析成像图, 分别
ρ
中利用固定温度灵敏度的红外热像仪测量材料温度 如图2 ( b ) 和图3所示。
时, 在闪光灯能量 Q 增加的情况下, 检测灵敏度提 图2中的热吸收图显示了许多吸收热量低的区
高( 更高的输出信号), 而较厚的试件( 或较深缺陷) 域, 例如佛陀的胸部和手臂区域, 这些区域中颜料的
则会降低检测灵敏度。 红外发射率较低。此外, 还可以看到壁画层有多处
2.2 方波激励 裂纹、 脱落及空鼓区域。该壁画原位于山西省兴化寺
方波激励可以看成是一个正阶跃函数与一个负 内, 在20世纪20年代被分块盗取, 后被复原在故宫
阶跃函数的叠加, 由于阶跃函数可以分解为无数个 并展出, 对壁画原迹59块 [ 11 ] 和增补新板15块进行拼

脉冲激励, 在假设边界绝热的条件下, 根据杜哈美尔 接复原。图3显示了深度分别为5.5 , 6.3 , 9.6mm 的
4
5

2021年 第43卷 第10期

无损检测