利用近红外荧光成像检测混凝土裂缝，实现远距离基础设施健康监测
2023-11-21 11:04:07   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

民用基础设施的结构健康监测，是确保建筑可用性和完整性的重要措施。土木基础设施建设使用的主要材料是混凝土，这种材料容易因热胀冷缩、蠕变、过载等各种原因而出现裂缝。

裂缝会降低混凝土结构的耐久性，因为这会使有害的环境因素渗透混凝土表面，进而导致钢筋腐蚀以及混凝土本身的破坏性分层。传统的裂纹检测技术由于规划、可及性以及需要靠近检测表面等问题而应用受限。非接触式光学图像监测技术为克服这些限制提供了新方案，有望实现远距离裂缝检测。

据文献报道，混凝土在红光激发下会产生波长为1140 nm的近红外（Near-IR）荧光。

据麦姆斯咨询介绍，美国纽约大学（New York University）的研究人员利用近红外荧光成像开发了一种探测混凝土裂缝的新方法。该研究成果已经以“Detection of cracks in concrete using near-IR fluorescence imaging”为题发表于Scientific Reports期刊。在这项研究中，研究人员利用已知的1140 nm混凝土荧光线展示了一种利用近红外荧光成像的裂缝检测方法。利用波长λ为550 nm至700 nm的红色LED光照射未涂漆的混凝土表面而激发荧光线。

红光采用浅角度入射，以确保裂缝的内表面不会接收到激发光。由此，图像会显示混凝土表面荧光图像，裂缝由于没有荧光照射而呈现暗色。两侧的大范围照明可以最大限度地减少由于表面不规则而产生的阴影区域。否则，不规则表面所产生的阴影可能会呈现同样的深色特征纹理，使裂缝检测复杂化。

利用浅角度激发混凝土荧光进行裂缝检测的示意图

在实验室照明环境下，利用红色LED光（λ_peak = 632 nm）激发，捕捉混凝土1140 nm荧光图像。激发光以浅角度（θ_i在10°到40°之间）照射混凝土样品。

通过短波红外（SWIR）相机拍摄的混凝土样品，其上有人工造成的宽度为0.2 mm至1.5 mm的裂缝，相机位于样品上方0.5 m处。

在裂缝宽度低于相机0.1 mm分辨率的情况下，捕捉到的宽0.08 mm裂缝的图像。

研究人员在实验中，利用短波红外相机捕捉了宽度分别为0.2 mm、0.5 mm、0.7 mm、1.2 mm和1.5 mm的人工裂缝的图像，证明了该方案有能力检测接近混凝土结构损伤阈值的裂缝。此外，第二个混凝土样品宽度为0.08 mm的裂缝也被成功捕捉，证明了该方案有潜力识别可能造成混凝土结构损坏的潜在裂纹。

在本研究中，能够检测到的裂纹尺寸，以及相机和样品之间距离的限制，主要受限于短波红外相机的分辨率相对较低。采用更高分辨率的短波红外相机应该能够在更远的距离（米量级）检测裂缝，进而有望利用移动的非接触式相机检测桥梁、墙壁、天花板和其他难以触及表面的裂缝。所提出的方案还可以结合无人机，用于未来的桥梁或道路裂缝检测。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41598-023-45917-3

延伸阅读：

《光谱成像市场和趋势-2022版》

《小型、微型和芯片级光谱仪技术及市场-2020版》