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用科技延续文明:红外热波无损检测技术在文物保护中的应用

2021-11-05 18:08     来源:无损检测NDT     无损检测
文物是人类在社会活动中遗留下来的具有历史、艺术、科学价值的遗物和遗迹。文物的保护管理和科学研究,对人们认识自己的历史,揭示人类社会发展的客观规律,认识并促进当代和未来社会的发展具有重要意义。

文物受地下水、土壤酸碱度、地震、环境温度和湿度变化等因素的影响,会出现开裂、空鼓、脱落、霉变和锈蚀等多种病害。壁画的表面会随着时间的推移而发生变化,温度和湿度的变化使壁画内部发生松动,从而产生分层、剥落,并从木框上脱落。若铸铁文物或青铜器文物没有在恒温恒湿的环境下保存,其表面或内壁会生成锈蚀。能够无损、准确地检测出文物内部结构、确定病害情况对科学设计保护方案尤为重要。

X射线检测和CT(电子计算机断层扫描)技术已经广泛应用于文物的无损检测中,但很多情况下受操作空间的限制,需要特定的防护装置,其并不适用于现场检测。红外热波成像技术具有适用性广、非接触式测量、检测速度快、检测精度高、便于定性定量分析以及显示直观等突出特点,目前已被应用于航空航天、石油石化、电力和建筑等领域,并逐渐被推广应用到文物保护领域。

1 红外热波无损检测技术

红外热波无损检测技术的核心是对被检测试件的材料、结构和缺陷类型进行检测,利用热像仪对被检测材料表面的热波信号进行采集,并采用相关图像信号处理算法以获取材料表面及表面以下的结构信息,从而达到检测目的。


图1 红外热波检测原理示意

2 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。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等病害都是文物保护工作者所关注的问题。

“七佛说法图”红外热像检测

馆藏壁画“七佛说法图”现存放于故宫博物馆院内的保和殿西庑馆,其可见光照片如图2所示。


图2 “七佛说法图”的可见光照片

由于无法到壁画的背面进行检测,唯一的选择是从壁画正面进行现场诊断。热成像检测过程中,卤素灯加热时间为20s,冷却时间为60s,采集频率为20Hz,对整个壁画红外原始序列图像进行非均匀校正、图像拼图处理及三维热层析成像,得到热吸收图和热层析成像图,分别如图3和图4所示。


图3 “七佛说法图”的红外热吸收图


图4 “七佛说法图”的热层析成像图

图3中的热吸收图显示了许多吸收热量低的区域,例如佛陀的胸部和手臂区域,这些区域中颜料的红外发射率较低。此外,还可以看到壁画层有多处裂纹、脱落及空鼓区域。

该壁画原位于山西省兴化寺内,在20世纪20年代被分块盗取,后被复原在故宫并展出,对壁画原迹59块和增补新板15块进行拼接复原。

图4显示了深度分别为5.5,6.3,9.6mm的平面蓄热系数e值分布,在5.5mm深度处仍有一些裂纹、空鼓区域,并且泥仗层后面的木框开始隐约出现,在6.3mm深度处木架结构已经逐渐清晰,在9.6mm深度处已经清晰可见,表明绘画作品仍然很好地附着在木架结构上。从图4b和4c中可看到有4块区域并未见到木架结构,这是因为这些区域材料的热扩散率较低。

“醉归乐舞图”红外热像检测

“醉归乐舞图”为陕西蒲城元代墓室壁画东墙上的整幅壁画,其可见光照片如图5所示。壁画长约1.3m,宽约1.82m。


图5 “醉归乐舞图”的可见光照片

由于壁画尺寸较大,因此分区域多次采集图像,热像仪单次采集视场约为35cm×45cm,整面东墙共进行了24次分区采集,壁画现场检测中使用两盏功率为1000W的卤钨灯作为方波激励源,设置激励持续时间为30s,采集时间为180s(包含升温及降温过程),采集频率为10Hz。后期经过加热非均匀校正、图像拼图处理及热层析三维成像处理算法可呈现出壁画完整的检测结果。

图6显示了整个壁画区域的吸热图像,图中清晰地显示出了壁画轮廓,显示吸收热量很多,这是因为用于勾勒壁画的炭黑染料具有更高的发射率和可见光吸收率。

图6 “醉归乐舞图”的红外热吸收图

图7显示出了深度分别为1.47,4.57,7.68,10.78mm的平面蓄热系数e值分布,可以看到在浅层区域布满了细小黑点,疑为近表面存在的病害,可能由表面颜料层脱落或者酥碱多孔导致,通过现场壁画表面情况对比,能够基本确定e值图中反映的异常为真实病害。随着深度的增加,可看到多处较大尺寸的暗斑区域,疑似空鼓或疏松结构,且持续在更深层出现,则该区域病害程度更严重。此外图像中规则的条纹状异常显示逐渐明显,与作为支撑结构的砖墙有着高度的相似性,如图7d右上区域隐约出现砖纹,表明此处石灰层较薄。图7e中更多区域出现砖纹,可以通过观察砖纹出现的时间早晚来确定壁画石灰层的厚度。图7f中砖墙结构已经全部显现,可以通过各墙面砖纹出现深度来比较各墙面石灰层的厚度差异。


图7 “醉归乐舞图”的热层析成像图
 

3 方波热成像对古代铸铁佛头厚度的定量评估

评估的佛头长约35cm,横截面直径约20cm, 最大厚度约3cm。总体而言,雕塑状况良好,但是有些表面区域有生锈现象,头部为空心结构,壁厚根据头部的特征在几毫米到几十毫米之间。

佛头方波透射式热成像试验过程中,使用800W卤素灯置于佛头内部持续加热6s,热像仪采集频率设为50Hz,实时捕抓佛头表面的温度。选取3个不同区域,将测得的温度信号用方波激励热传理论数学模型进行非线性拟合,算出相对应的厚度,3个佛头表面区域的试验温度曲线和拟合温度曲线如图8所示,佛头正面3个区域的厚度分布如图9所示。


图8 3个佛头表面区域的试验温度曲线和拟合温度曲线


图9 佛头正面3个区域的厚度分布
 
使用相同的检测方法,得到佛头两侧的厚度分布,如图10所示。




图10 佛头两侧可见光照片、红外热像图和厚度分布
 

4 脉冲热成像对铸铁文物的定量测量

试验对象为现代仿制铸铁佛头,该佛头高约27cm,横截面最大直径约12.5cm,铸铁佛头表层分布不同厚度的锈蚀,4个角度的铸铁佛头可见光照片如图11所示。



图11 4个角度的铸铁佛头可见光照片

基于脉冲激励一层结构理论数学模型,利用某标记处的实际测量厚度,计算得出铸铁的热扩散系数为13.4mm2/s,脉冲试验数据和拟合结果如图12所示。



图12 佛头厚度为3.65mm处的脉冲试验数据和拟合曲线

基于试验测得的铸铁热扩散系数,利用相同的方法反推出铸铁佛头的整体厚度图像,如图13所示,图中红色框部分为该区域的平均预测厚度。



图13 4个角度的铸铁佛头厚度分布

由于该铸铁佛头表面有一层薄锈蚀,因此可以把佛头看成两层材料。基于脉冲激励两层结构理论数学模型,可以测算出表层锈蚀的厚度和佛头基底厚度,如图14和图15所示。


图14 铸铁佛头表层锈蚀厚度分布



图15 铸铁佛头基底厚度分布
 

结语

以上列举了方波激励红外热像法对墓室壁画和馆藏壁画的检测评估、方波热成像对古代铸铁佛像头厚度的定量评估以及脉冲热成像对铸铁文物锈蚀和铸铁厚度的定量测量等经典案例。案例里面应用了热层析三维成像图像算法对文物红外热成像分析方法,得到文物内部病害结构和病害的深度信息。基于方波激励或脉冲激励热传导数学模型,使用非线性拟合算法定量测厚,实现了定量识别和定位内部病害,有助于文物的结构稳定性评价,有利于文物保护和修复方案的科学制定。

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