推荐2015年度国家技术发明奖公示.doc

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1、推荐2015年度国家技术发明奖公示项目名称：结构区域分布光纤传感及其健康监测关键技术创新推荐单位：江苏省主要完成人：吴智深（东南大学），孙安（东南大学），张建（东南大学），李素贞（同济大学），张宇峰（江苏省交通科学技术研究院），张浩（石家庄铁道大学）学科评审组：土木建筑专业项目简介：发达国家基础设施退化问题严重，养护管理费用缺额巨大。我国基础设施体量更大，加上结构短命问题严重，其养护管理压力愈发严重。为此，利用结构健康监测技术，早期发现结构损伤及隐患，以实现结构治小病防大病的预防性养护管理被寄予厚望。然而国内外普遍认为建立的各类结构监测系统还无法实现对结构健康的监测，通过各种大量的

2、传感器所得的海量数据却难以分析结构损伤和性能，同时其耐久性、可靠性、经济性还满足不了实际需要。对此，依据提出的结构区域分布传感理念，本项目历经10余年，在区域分布传感方法、技术、装置及区域分布应变动力分析原理方法等方面进行了核心发明，建立了仅利用单种区域分布传感技术进行结构全面长期评估的综合成套技术与理论及健康监测系统，全面打开了导致现有健康监测技术还无法实现结构“健康”监测的各类瓶颈。主要发明点包括：1、结构区域分布传感方法与区域分布光纤传感技术针对应变片等局部传感技术与加速度计等整体传感技术均难以发现和分析结构早期损伤这一难题，通过开发长标距传感单元并串联形成传感网，发明了适宜

3、于结构微观和宏观监测相结合的长标距分布式传感方法（核心发明ZL200610097290.1）。围绕核心发明，（1）基于结构损伤可通过对各关键区域的分布响应进行多层次分析发现，创新性地提出了基于结构脆弱性分析的结构关键区域分布传感理念和方法。其核心是通过一专多能的区域分布传感技术，实现结构状态参数、损伤状况与荷载的全面识别与结构性能的直接评估与预测；（2）针对土木工程结构区域分布方法对传感技术的需求，发明了两类光纤区域分布传感技术。通过长标距化高耐久纤维增强、温度自补偿增敏、低负荷长寿命光纤锚固、和直接刻栅技术研制出适合区域分布传感的高性能长寿命光纤光栅传感单元；率先揭示了芯线微滑移

4、及标距内应变不均匀性对传感精度和空间分辨率影响机理，通过无滑移长标距及增敏封装研制出适合区域传感的布里渊光纤传感单元；两类光纤传感技术皆达到超长寿命≥20年的耐久性指标。2、高性能光纤解调装置技术针对现有传感系统种类多、性能差、成本高、区域覆盖能力差等系列难题，发明了光纤光栅与光纤布里渊散射多功能传感一体化技术（核心发明ZL201110069430.5），实现单一系统、单根光纤覆盖大范围结构群的区域分布传感监测。围绕该核心发明，针对现有光纤光栅解调技术分辨率与精度低，长期稳定性差等局限性，突破了体全息光栅光谱分析和弱光电信号数模混合自适应滤波与噪声抵消系列核心技术，研制出高性能光纤

5、光栅动态解调系统，在大幅降低系统成本同时，实现了高速测量频率下对光纤光栅传感器波长测量的高解析度、高精度与低噪声。所开发系列化高性能光纤光栅动态解调系统技术指标远超国际公认最先进产品且成本降50%，形成规模产业化并在国内外得到推广应用。该装置获第16届中国国际工业博览会银奖。同时围绕核心发明，针对布里渊散射传感系统测速慢，无法实时监测的实用化难题，发明了高频微波捷变频解调技术，将系统测速大幅提高，达到实用化水平；在此基础上成功开发出布里渊散射特征频率识别扫描技术，将系统测速进一步提升至高速动态水平，实现光纤布里渊散射传感的高速动态监测。3、基于区域分布传感的结构健康监测综合成套技术

6、和理论揭示了区域分布应变能够同时反映结构宏观和微观信息的原理，发明了区域分布应变分析原理方法（核心发明ZL200710305342.4），解决了点式应变仅能反应结构局部信息而加速度等太宏观无法揭示结构损伤和局部信息的缺陷。围绕核心发明，（1）创造性的建立了基于区域分布应变的模态分析理论，全面代替基于加速度体系，从根本上解决了基于加速度的动力分析不能精确反映局部的局限。所建立的区域分布损伤指标解决了国内外耗时30年无法取得进展的微小损伤识别难题，比如应变模态比值法成功识别日本铁路桥柱脚微裂纹现象，并在美国Wayne桥现场测试中被证明是唯一能识别支座转动变化的有效技术；（2）建立了由区

7、域分布数据反演结构构件层次的变形、转角、裂缝，钢筋腐蚀和刚度退化等显式计算方法，不产生累计误差，实用性强。同时建立了用于复杂结构的大规模非线性有限元反演理论，结合所建立动力学新理论，实现了结构参数、损伤及交通荷载的全面识别；（3）针对各类结构特点分别建立了异常分析、性能评估和预测的三层次评估方法，实现了应用反演结果直接评估的突破。进而建立了全自动化软件系统,并开发了各类结构群的区域分布传感监测系统的搭建方法。领域权威专家组鉴定结果表明该项目在传感技术与装置、解析方法与