独立行政机构国立产业技术综合研究所[会长野间口裕]（以下简称“AIST”）生产测量技术研究中心[研究中心主任五十岚一雄]应力激发发光技术团队的研究组长徐超、Adaptronics团队的Naohiro Ueno等人，以及国立大学法人九州大学、应用力学研究所、王文学副教授、大成木石设计株式会社与Logical Products合作，开发了第一个将混凝土裂缝形状分布和进展可视化的监测系统采用应力发光传感器等，可应用于桥梁、建筑物等真实结构的检测和维护。
新开发的安全管理监控系统发光（应力发光)、监视应力激发发光传感器的发光强度分布的图像传感器节点、无线光学传感器节点、根据发光强度诊断结构中的应力异常的数据库以及集成这些的网络系统。通过将应力发光传感器放置在结构表面并使用该系统，可以将正在使用的桥梁和建筑物的混凝土中出现的裂缝可视化。此外，通过诊断结构中的应力异常，可以预测裂纹的发生及其进展情况。该监测系统利用应力诱导发光现象，有望应用于混凝土等各种结构的检查和维护。
该开发成果是日本科学技术振兴机构（理事长：北泽浩一）（以下简称“JST”）战略创意研究推进项目组基础研究（以下简称“CREST”）研究领域“先进综合传感技术”研究项目“利用应力激发发光材料创建安全管理网络系统”的一部分。详细的开发成果预计将于 2009 年 11 月 10 日在东京大学举行的先进集成传感技术研究领域 2009 公开研讨会上公布。
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利用应力发光的桥梁监测图像示例 |
日本在战后经济高速增长时期修建了许多桥梁、隧道、高速公路、高层建筑、工厂等。这些社会资本结构、产业结构将在未来10到20年陆续到达其使用寿命。特别是公路、铁路桥梁是与人们生活息息相关的重要结构，但桥梁的倒塌会导致巨大的悲剧，美国密西西比河桥梁倒塌事故（2007年）的例子就说明了这一点。对预防事故和延长这些结构的使用寿命的技术的需求正在迅速增加。
如果能够及早发现结构的异常和恶化，就可以及早修复受影响的区域，并且可以长期延长结构。这对于实现可持续发展的社会极其重要，因为它可以减轻经济负担，节省能源并减少对环境的影响。此外，它可以消除对结构的社会焦虑，为实现安全可靠的社会做出巨大贡献。
对于土木工程领域的传统损伤诊断系统应变计是啊光纤等的方法，但其测量仅限于点、线等区域，因此需要大量传感器来测量整个区域。此外，当裂纹实际发生时，传感器会断开并且无法检测到，从而难以监测裂纹的发生和进展。
日本产业技术研究院在全球率先开展应力激发发光材料及其应用的研究。在此过程中，我们正在进行一系列的技术开发，从阐明应力激发发光机制到材料开发、器件化、系统化和应用开发。迄今为止，我们已经开发出一种高度耐用的漆膜传感器，即使在重复负载一百万次后也能保持其性能，并成功地定量可视化疲劳裂纹扩展和应力集中。我们还建立了实时监测系统和应力历史记录系统，并与力学专家、网络公司、用户等合作进行演示测试以预测结构的异常情况。
这项研究是JST“CREST项目，战略创意研究推进项目，2006-2011年（计划）”的一部分，正在积累各种数据库，以实现量化、标准化和规范化。
应力激发发光材料是粉状陶瓷细颗粒（粒径可控制），每个细颗粒都起到传感器的作用，直接将机械信号转换为光信号。当将含有这些微粒的涂料涂敷到物体上时，应力集中表现为各个微粒的发光，并获得一种图像信息。因此，在涂覆有应力激发发光材料的结构表面上，可以以高分辨率可靠地捕获那里发生的局部应力异常状态以及裂纹的形状和分布。这一点是该技术的一大特点。
图 1 显示了建筑安全管理的两个示例。这是监测附近建筑工程的示例（A）和定期管理的示例（B）。在验证现有建筑物在受到附近建设工程或地震等异常荷载时会遭受何种损坏的示例中，评估了石桌的拆除对使用中建筑物的影响。结果，与施工振动的大小（来自放置用于比较的振动计的信号）成比例地重复检测到异常发光。另外，根据发射的光量，最大裂纹张开位移约为1μm，应变速率约为105μST/秒。
另一方面，与附近施工或地震期间施加到建筑物上的大荷载相比，劣化是一种非常小且缓慢的波动现象。在该监测系统的劣化测试示例中，如图1B所示，微裂纹随温度变化波动非常小，即使在一天内变化最大时，速度也为10-3位移小于 µST/秒，位移小于 01 µm (100 nm)。 （相当于 2 mm 长应变片最多 50 µST 的变化）。还确认了在演示测试期间（室内，6个月）传感器没有退化。
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图1 使用中建筑物安全管理示例 |
图 2 显示了桥梁监控的示例。我们选择了一座已有50年历史（建于1959年）、交通量较大的桥址，验证了新开发的监测系统的实用性和有效性。结果，我们成功地检测到重载下（例如大型车辆经过时）的应力激发发光。此外，在演示期间没有观察到传感器的退化。值得注意的是，当我们使用机械致发光图像可视化桥中裂缝的形状和行为时，我们检测到可见裂缝附近的介致发光，以及裂缝不可见的地方的介致发光（图3）。由于可以使用应力诱导发光来检测难以看到的微裂纹，因此可以预测裂纹的发生和进展。
接下来，我们比较了介观发光法和传统传感器的结果（图4）。当比较传感器（跨越可见裂纹的应变仪）的值出现约 700 µST 或更大（裂纹开口 14 µm）的应变时，可以捕获清晰的发光图像。使用校准曲线（发射数据库），根据发射强度值计算结构中产生的应变，并估计检测到的裂纹的最大张开位移约为 36 µm。在进行以前不可能实现的大面积监测的同时，我们能够从应力发光图像中估计结构的裂纹状态（形状，无论是静止的还是增长的）、开口量和应变状态。
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图2 正在运行的网桥的监控示例 |
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图3 应力发光图像与裂纹的关系 |
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图4 与常规技术对比及裂纹定量评价 |
加强与用户的协作，进一步进行论证测试。通过相互反馈各要素技术的成熟度和优化，积累数据库数据，升级图像异常诊断软件，实现异常裂纹（张开位移）的远程监测，并进一步应用于各种强度验证、断裂预测、劣化检查、寿命诊断等。我们的目标是在学术上系统化应力激发发光现象，并标准化、标准化和传播使用应力激发发光的测量技术。