克里斯托夫·弗兰岑（Christoph Franzen）

托马斯·罗特（Thomas Löther）

珍妮娜·迈因哈特（Jeannine Mainhardt）

方法原理

红外热成像仪能用红外相机测得文物表面的温度并生成描绘温度分布的热谱图，是一种与文物无接触、无损的成像检测法，在使用中分为被动式热成像和主动式热成像。被动式热成像记录文物表面光学特性（发射率）的区别和现有温度梯度下的温度差别。若在检测中有附加额外的能量输入——加热或冷却，这个过程即被称为主动式热成像。

二维高分辨率的红外相机能测得物体发出的电磁辐射，并通过软件的颜色代码转换成像。所测得的总辐射量取决于测量物发出的辐射、反射的辐射以及传输过程中的辐射增减（图2.2.8.1） 。若是室内检测或短距离检测，则可忽略影响测量结果的其他参数。由于检测装置与测量物的距离较短，正常环境下红外光谱的大部分红外辐射几乎不受影响，所以不需要考虑测距中信号减弱的问题。待测物与接收器之间所发出的辐射可以忽略不计。但是，采用主动式热成像时，通过红外热源照射产生的反射辐射的影响则不可忽略。只有当测量时热源被覆盖或被切断后再进行测量，才能避免这些相互作用。室外检测时，会存在来自环境辐射的干扰影响。因此，应只在荫蔽处，或者最好在黑暗中进行相应检测。

图2.2.8.1　对总辐射量测量有影响而需要被注意的外界因素（InfraTec， 2004）

对空洞缺陷部位通过红外热成像法进行无损检测的理论基础源自热传导理论。在静止的基础状态，物体和其所处的环境温度相等。物体表面可测得其平均温度。若某一部分的温度改变，会导致热流传导直至再次到达温度平衡状态。这个平衡补偿过程首先取决于介质的热导率。若表面下方有空洞，加热后会导致表面温度的差异。空洞部位的空气具有较强的隔热作用，因此空洞上的表面部分受到加热后升温较快、冷却较慢。而（无空洞时）与表面紧密相连的部位能更快地传导表面所吸收的热量，因此其表面温度也会相应较低。

应用范围

无损检测中使用红外热成像仪的目的是在待测结构中检验并定量描述缺陷情况和不均匀性。待测结构由于其周围材料不同，热导特性不同，在主动式热成像检测中，首先会使用直接热源，以此测得文物表面附近看不见的缺陷（例如松动处、涂上抹灰砂浆后的墙体结构、砂浆和墙体之间的湿痕，以及空鼓部位）。表面发射率也是检测粗糙度的指标。

图2.2.8.2展示了主动式热成像可能的实验布置，包括红外相机以及用于加热石材表面的红外加热器。此外，检测还需要计算机系统来形成实时的热谱图。检测所需空间的大小取决于所研究的问题及待测物体的大小。

图2.2.8.2　实验装置（红外相机和热源）图示（左）；两个红外加热器能使墙面均匀受热（实验室拍摄）（右）

若文物表面极其脆弱，则需注意：加热脉冲产生的温度差不能超过其一年中通常的温度波动。极端温度可能导致颜料剥落、黏合剂分解和结构剪切应力。

应用范例之空鼓缺陷检测

“石质文化遗产监测”课题框架下，我们对四个不同文物进行了主动式和被动式红外热成像研究。下文将总结检测结果，并分析该检测方法是否适用于监测石质文物表面。

例1：原比肯费尔德修道院教堂（Birkenfeld， Klosterkirche）

我们在原比肯费尔德修道院教堂进行主动式和被动式红外热成像检测，同时成功再现了1994年的部分检测项目，这也证明该方法适用于石质文化遗产监测。被动式热成像与拍摄记录的检测结果只能十分有限地分析大面积平坦墙面上的石材劣化，例如层状剥离；三维构件的（复杂）形状是导致分析困难的一大原因。主动式红外成像法能在含有复杂砌块的多个立面实施检测，但由于热活化的必要性，使检测面积被限制。层状剥离病害由于其显著的热活性而可被识别，并能在无接触条件下被成像记录。将主动式热成像与现有的病害图示作比较（图2.2.8.3），可看到一致的孔洞状风化部位。

图2.2.8.3　原比肯费尔德修道院教堂主动式红外热成像检测(www.daowen.com)

左：冷却热成像照片；
右：部分病害图示，加入红外热检测结果（Franzen & Löther， 2010a）

若需要利用热成像得到相对清晰的病害分类仍会遇到一些挑战，这些挑战是在热成像转化过程中因不同文物和拍摄角度而造成的。因此，有必要修正红外照片并将检测结果记录到测绘图上。

例2：格尔恩豪森皇帝行宫（Gelnhausen， Kaiserpfalz）

同样，我们在格尔恩豪森的皇帝行宫也进行了无接触的主动式和被动式红外热成像检测，并检测到砂岩的孔洞状风化病害。共振回声探测棒的导向性检测能证明该检测结果。对比病害图示与红外照片，能得到相吻合的结果，但也存在有偏差的部分。对该文物的检测结果也清楚地反映出在立体文物表面，比如在弧面、不平整的柱子上制作平面的病害图示是一大挑战。

然而，现代热成像技术的投入使用对于研究石质文化遗产表面的病害缺陷仍有明显的积极作用。图2.2.8.4展现了5号柱的主动式红外热成像检测结果。热成像图上几处显眼的部位，即存在病害之处；这些病害形成的原因就是表面与核心部位的脱离（层状剥落）。根据热成像所揭示的信息可进一步制作层状剥离病害图示，并与现状测绘图作对比。

图2.2.8.4　格尔恩豪森皇帝行宫主殿5号柱

左：显示病害的红外照片；
右：红外热成像检测结果图示在照片上（Fra nzen & Löther， 2010b）

通过在格尔恩豪森皇帝行宫不同建筑部位的多次重复检测，我们可总结出一点：若要对比病害图示与热成像照片，并将热成像检测结果标识在病害图示上，就必须使用同一个视角检测。我们在布置检测装置时一定要注意这一点。

例3：格尔利茨圣墓（Görlitz， Heiliges Grab）

我们在格尔利茨的圣墓进行了被动式红外热成像检测（阳光光照条件下）。根据课题要求，我们对圣墓进行了标准化的病害测绘。在该小范围的近距离检测中，发现有相关的病害与热成像图中异常部位明显一致（图2.2.8.5）。由此可推论，南墙特定区域有零星分散的缺陷点存在层状剥离的病害——正是由于在这些缺陷点存在墙体表面与内部的剥离才造成了这些部位的异常升温。

此范例亦再次证明：无接触的红外热成像技术能对石质文物表面传统的病害勘察起到很好的补充作用。

图2.2.8.5　格尔利茨圣墓南立面

左：一部分病害图示（Gühne， 2009） ；
右：相应的热成像图片

例4：马格德堡圣母修道院（Magdeburg， Kloster Unser Lieben Frauen）

在上一次的修缮中，圣母修道院拱卷回廊13号柱拱座石的层状剥落部位得到嵌边、填补，这些在拱座石上所做的工作是本次检测的对象。为对病害图示和共振回声探测棒检测到的空鼓缺陷加以补充，我们进行了主动式红外热成像检测（Röllig，2009） 。但为刺激热活性，在对此文物的检测过程中，我们使用了2×1 000 W的卤素灯，而不是通常情况下使用的红外辐射器（相位激发器）。

图2.2.8.6展示了检测区域的照片和用在最高温度范围的0.25 Hz卤素灯加热器照射20次后的检测结果。热量活跃区域代表该位置存在内部与表面剥离。

图2.2.8.6　马格德堡圣母修道院拱券回廊13号柱拱座石

左：检测区域照片；
右：拱座石在0.25Hz卤素灯加热器80 s形成的热成像照片
（注意黑白背景下的彩色部位，具体可参见Röllig， 2009）