[01527902]无源无线应变检测关键技术及在结构应变监测中的应用

项目所属科学技术领域： 项目“无源无线应变检测关键技术及在结构应变监测中的应用“研究和提出一种基于RFID贴片天线应变传感器的无线检测方法，将微波工程领域的前沿技术应用在土木工程领域。通过贴片天线在不同方向、不同大小的应变下表现出的特征物理参数变化，来完成对结构的健康检测。项目成果应用于包括土木、建筑、道路、桥梁、管道、车船、水坝等结构上，具有高精度、无线、低成本、实时等特性。 主要技术发明内容包括： (1)探索了RFID贴片天线力学应变方法在道路、桥梁结构健康检测中的应用，传统有源的结构应变检测中存在布线量大、安装和维护费用高等问题，利用RFID贴片天线作为力学应变计，以无线的方式进行数据读取，无需繁复的布线。 (2)针对RFID天线应变计进行了天线设计，完成了数值模拟和试验，证明矩形贴片天线的谐振频率漂移与天线长度方向上的应变具有线性关系。针对结构的损伤及性能评估，引入基于空穴增长且适用于钢材延性损伤的微观机制损伤模型，对拟静力试验进行了损伤模拟，明确了检测结构的损伤程度及损伤演化规律。 (3)建立与分析RFID贴片天线应变传感器的力学模型、电磁学耦合模型，机械形变的电磁响应，研究其在机械形变、相对介电常数变化、基于目标检测的应变传递效率、抗金属性、小型化等情况下的电磁响应特性基础理论进行了研究，进一步探索并剖析了应变天线横向与纵向的受力结构变化与频率响应之间的内在联系和规律；同时通过采用科学的实验验证方法，针对应变灵敏度、动态范围和小型化进行实验分析及其信息融合与处理方法开展科学研究。项目研究成果为结构健康监测提供可靠的理论依据、高效率的信息处理与检测方法以及若干经过原理性实验验证的技术方案，从而为发展新型的物理信息传感器及其应用系统、夯实理论基础、并提供核心技术支撑。 (4)针对建筑结构应变的环境特点，对RFID的应变天线进行重新设计，建立其单轴方向变形后与电磁谐波频率漂移量直接的关系，实现RFID的天线的应变感应功能，通过此可实现结构(阻尼器)的残余应变的测量；提出基于多点最大历史应变和残余应变的结构损伤及性能评估指标，与基于耗能的损伤指标进行比较研究；通过动力往复循环试验研究，在检测结构上布置多点RFID应变传感器，记录结构经历的最大应变及残余应变，采用基于多点最大历史应变和残余应变的性能指标对损伤进行评估，检测传感器的工作性能，验证性能指标的实用性，建立适用于工程实践的结构受力应变评估方法。 知识产权情况：基于该项目成果已经获得授权发明专利2项，实用新型专利授权2项，计算机软件著作权3项。发表高水平学术论文18篇。 应用推广情况： 采用技术服务的合作转化方式，使得项目技术得以产业化应用。合作转化收入已达约4900余万元。