Abbildung 1. Funktionsprinzip von Dehnungsmessstreifen mit Faser-Bragg-Gitter (FBG).

In der Strukturüberwachung erlangen neue Technologien wachsende Bedeutung

Praktisch jede öffentliche Infrastruktur wie Brücken, Pipelines, Tunnel, Fundamente, Straßen, Staudämme usw. ist Einflüssen ausgesetzt, die sie schädigen oder zu Funktionsstörungen führen könnten. Diese Probleme mit der Bausubstanz können durch Beschädigung, unsachgemäße Bauweisen, seismische Aktivität, Bauarbeiten in unmittelbarer Nähe usw. verursacht werden. Elektrische Dehnungsmessstreifen werden zwar seit langem zur Überwachung von Strukturveränderungen verwendet, manchmal verfügen sie aber nicht über die nötige Haltbarkeit und Integrität, um genaue, verwertbare Informationen über die erwarteten Zeiträume bereitzustellen.

Was ist ein optischer Sensor?

Optische Dehnungsmessstreifen, die auf Faser-Bragg-Gittern (FBGs) basieren, arbeiten nach Prinzipien, die sich stark von den für elektrischen Dehnungsmessstreifen geltenden unterscheiden. Einfach ausgedrückt, ist ein Faser-Bragg-Gitter eine typischerweise wenige Millimeter lange Mikrostruktur, die mit einem UV-Laser in eine germaniumdotierte Standard-Singlemode-Faser, wie sie aus der Telekommunikation bekannt ist, eingeschrieben wird. Diese Mikrostruktur erzeugt eine periodische Veränderung des Brechungsindex dieser Glasfaser. Wenn sich Licht durch die Faser ausbreitet, reflektiert das Bragg-Gitter einen sehr schmalen Wellenlängenbereich, alle anderen Wellenlängen werden durch das Gitter hindurchgelassen. Die Mitte dieses Bandes reflektierter Wellenlängen wird als Bragg-Wellenlänge bezeichnet (Abbildung 1 und 2). Unter mechanischer Belastung verändert sich die Periode eines FBG durch die Streckung oder Stauchung der Glasfaser. Diese Veränderung führt zu einer Verschiebung der Bragg-Wellenlänge, die anschließend erkannt und vom Interrogator (d. h. dem Datenerfassungssystem) aufgezeichnet wird.

Abbildung 2: Herstellung eines Faser-Bragg-Gitters mit einer Phasenmaske. Die Phasenmaske bewirkt eine Brechung des einfallenden UV-Lichts in zwei Ordnungen, wodurch im Kern der Faser ein Muster aus maximalen und minimalen Interferenzen erzeugt wird. Der Brechungsindex der Faser wird entsprechend der Intensität des Lichts, dem die Faser ausgesetzt ist, dauerhaft verändert. Dieser genaue Abstand der verschiedenen optischen Eigenschaften innerhalb der Faser bildet das Bragg-Gitter.

Optische Technologie bietet viele Vorteile

Außer auf Dehnung reagieren Faser-Bragg-Gitter auch empfindlich auf Temperaturänderungen. Dadurch können FBGs einerseits zur Temperaturüberwachung eingesetzt werden, andererseits hat es sich aber bewährt, einen Temperatursensor mit einem Dehnungssensor zu kombinieren, um die Auswirkungen der Temperatur auf den Dehnungssensor zu kompensieren. Zusätzlich zu Dehnung und Temperatur können auf FBG basierende Sensoren in Aufnehmern zur Überwachung einer Vielzahl weiterer Parameter verwendet werden, beispielsweise Neigung, Beschleunigung, Druck usw.


Optische FBG-Dehnungsmessstreifen bieten vielfältige Vorteile gegenüber elektrischen Dehnungsmessstreifen. Sie zeichnen sich beispielsweise durch Langzeit-Signalstabilität und sehr gute Haltbarkeit des Systems aus; selbst bei starken Schwingungsbelastungen, wie sie an stark befahrenen Straßen und Brücken auftreten, sind sie deutlich weniger von mechanischen Ausfällen betroffen. Entfernung und Kabellänge haben praktisch keine Auswirkungen auf die Messgenauigkeit; da die Signaldämpfung in Systemen auf Glasfaserbasis minimal ist, bleibt eine hohe Integrität der Daten selbst dann gewahrt, wenn der Standort des Datenerfassungssystems mehrere Kilometer vom am weitesten entfernten Sensor entfernt liegt. Glasfasern sind wesentlich dünner und leichter als Kupferleiter, daher sind auch die Anschlussbändchen viel leichter. Über eine einzige Messleitung können viele Sensoren mit unterschiedlichen Basiswellenlängen angeschlossen werden, was den Verdrahtungsaufwand deutlich reduziert. Ihre Störfestigkeit gegenüber elektromagnetischen und Funkfrequenzstörungen (EMI/RFI) kann bei Strukturen wie Eisenbahnbrücken oder -tunneln für Züge mit elektrischen Triebfahrzeugen, die starke elektromagnetische Felder erzeugen können, außerordentlich wertvoll sein.

Deutlich weniger Verkabelung

Die Verwendung von optischen Sensoren ermöglicht dank ihrer inhärenten hohen Multiplexfähigkeit eine drastische Verringerung der für ein Überwachungssystem benötigten Verkabelung und minimiert damit gleichzeitig die Auswirkungen auf die zu überwachenden Strukturen. „Muliplex“ bezieht sich in diesem Zusammenhang auf die Fähigkeit, viele unterschiedliche Arten optischer Sensoren mit einer einzigen Glasfaser zu verbinden, wodurch sich die Komplexität von Vernetzung und Installation verringert. Zur Vereinfachung der Installation können Sensor-Arrays mit Dutzenden von Sensoren vormontiert werden; sie lassen sich einfach auf Oberflächen und Materialien aufkleben, durch Punktschweißungen an Strukturen oder Bauteilen anbringen, an Betonteilen befestigen oder sie können beim Gießen in den Beton eingebettet werden. Da sie sehr klein und leicht sind, eignen sie sich insbesondere für Orte, an denen der Platz knapp ist, sowie für Einbettungsanwendungen, beispielsweise in Verbundwerkstoff-Strukturen. Ihre relativ niedrigen Kosten pro Sensor, die Möglichkeit, mehrere Sensortypen in einem einzigen Kabel zu kombinieren, und der Umstand, dass in einem System nicht mehrere Interrogatoren benötigt werden, macht sie zu einer kostengünstigen Lösung für mittlere/große Projekte.

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Geeignet für raueste Umgebungen

Auch für den Einsatz in rauesten Umgebungen sind sie gut geeignet. Zusätzlich zu ihrer EMI/RFI-Störfestigkeit bieten sie eine hohe Beständigkeit gegen eine Schädigung durch Wasser und Feuchtigkeit, Salz, Temperaturextreme und hohen Druck (bis 400 bar). Auch in explosionsfähigen Atmosphären und in Umgebungen, in denen hohe Spannungen auftreten, können sie sicher eingesetzt werden.

Im Gegensatz zu Metallfolien-Dehnungsmessstreifen werden optische Dehnungssensoren unabhängig vom Interrogator/Datenerfassungssystem referenziert. Sie arbeiten stattdessen mit der Messung eines absoluten Parameters – der Bragg-Wellenlänge – die unabhängig von Leistungsschwankungen ist und sich nur unter dem Einfluss einer Dehnung (oder Temperaturänderung) ändert. Auch der Interrogator selbst, der die von den Sensoren erzeugten Werte misst, verfügt über eine eingebaute Referenz, die ähnlich wie ein „Lineal“ funktioniert und dazu dient, die Werte der empfangenen Wellenlängen genau zu bestimmen. Diese interne Referenz ermöglicht es, den Interrogator bei jeder ausgeführten Messung zu kalibrieren.

Abbildung 3: Installation eines Messabschnitts zum Überwachen eines Tunnels.

Abgestimmt auf das Ermüdungsverhalten moderner Werkstoffe

Optische Sensorsysteme bieten Bauingenieuren Ermüdungsgrenzen, die besser auf das Ermüdungsverhalten moderner Baustoffe abgestimmt sind. Leichte Kohlefaserfolien haben beispielsweise höhere Ermüdungs- und Streckgrenzen als traditionelle Baustoffe. Selbst so alltägliche Werkstoffe wie Stahl, Beton und Holz werden inzwischen häufig modifiziert, um ihr Ermüdungsverhalten zu optimieren. Deshalb erfordern auch sie auf höhere Ermüdungsgrenzen ausgelegte Überwachungssysteme.

Abbildung 3 zeigt ein aktuelles Beispiel für den Einsatz optischer Sensoren im Infrastruktur-Monitoring. HBM FiberSensing half hier bei der Konzeption eines Sensornetzwerks für die Echtzeitüberwachung von Tunnelverformungen in einer im Betrieb befindlichen Metrolinie in São Paulo, Brasilien, während in der Nähe ein neuer Wolkenkratzer gebaut wurde. Das Tunnelüberwachungssystem wurde während der Aushubarbeiten und der Errichtung einer Stützmauer für den Wolkenkratzer benötigt, um sicherzustellen, dass der Betrieb der Metrolinie nicht unterbrochen und die Sicherheit der Metrobenutzer nicht gefährdet wurde. Das sogenannte Dehnungsmessverfahren zur Bestimmung von Konvergenzen in Tunneln („Extensometric Method for Determining Convergences in Tunnels“) setzt FBG-Sensoren ein, um die Dehnung an verschiedenen Punkten entlang der Tunnelkontur zu messen, und wandelt sie anschließend in den Weg der Elemente um, die die Tunnelsicherung bilden. Das Verfahren ermöglicht zudem die Quantifizierung der Konvergenzen der Tunnelsicherung und der Entwicklung ihrer Geometrie im Zeitverlauf.

Zwei Abschnitte des Tunnels wurden mit sieben Messstellen jeweils mit einem Dehnungs- und einem Temperatursensor an jeder Messstelle überwacht. Zum Abfragen aller Sensoren wurde ein FS22 BraggMETER für die Rack-Montage mit vier optischen Kanälen verwendet, mit dem die Daten einmal pro Minute erfasst und danach verarbeitet und in einer Datenbank gespeichert wurden. Ein in der Nähe aufgestelltes 19-Zoll-Rack diente zum Schutz des Messsystems, des Server-PCs, der USV und eines Internetanschlusses. Die gemessenen Wellenlängen wurden berechnet, um Dehnungsmessungen mit einer Kompensation des thermischen Einflusses auf die Bragg-Wellenlänge zu erhalten, und die Konvergenzen wurden mit dem Algorithmus des Verfahrens geschätzt. Ausführlichere Informationen zu diesem Projekt, einschließlich einer schematischen Darstellung des Systems, sind in einem Aufsatz enthalten, der auf der 15. International Conference on Experimental Mechanics unter dem Titel „Remote Monitoring of São Paulo Metro Tunnel Deformations Using Fiber Optic Based Sensors“ vorgestellt wurde und der online verfügbar ist unter:
http://paginas.fe.up.pt/clme/icem15/ICEM15_CD/data/papers/3189.pdff.

Abbildung 4: Ein eingebetteter Dehnungssensor wird in der Tafel einer Brücke installiert, bevor der Beton gegossen wird.

Optimierung von Leistung und Preis

In einer ähnlichen Anwendung dient ein Dehnungs- und Temperaturmesssystem von HBM FiberSensing zur Langzeitüberwachung einer 1,1 km langen Hängebrücke über den Fluss Rhumel in Constantine, Algerien. Das System wurde parallel zu Aufnehmern und Datenerfassungsgeräten in herkömmlicher Technologie installiert und zu einem umfassenden Strukturüberwachungssystem (SHM) integriert. Die Sensoren wurden in vormontierten Arrays aus Dehnungs- und Temperatursensoren geliefert, die anschließend im Beton vergossen wurden. Jedes Ende des Arrays hatte einen optischen Steckverbinder . Mithilfe von langen optischen Breakout-Kabeln mit jeweils vier Fasern und Steckverbindern an jedem Ende wurden die Arrays an den verschiedenen Positionen miteinander verbunden.

Diese Vormontage und die Vorbereitungsarbeiten erhöhten die Effizienz bei der Installation nicht nur wegen der geringeren Anzahl an Kabeln, sondern weil dank der Verwendung von Steckverbindern keine besonderen Fachkräfte oder Spezialausrüstung für die Installation benötigt wurden. Ein Vierkanal-BraggMETER-Interrogator erfasst gleichzeitig die Daten von 22 Dehnungssensoren und 18 Temperatursensoren, das heißt von insgesamt 40 FBG-Sensoren. Der Interrogator ist zusammen mit den anderen Datenerfassungssystemen installiert und wird gleichzeitig über seine verfügbare LAN-Schnittstelle gesteuert.

Auch wenn Ingenieure in der Strukturüberwachung jahrzehntelang mit elektrischen Dehnungsmessstreifen gearbeitet haben, zeigen diese Anwendungen, wie optische Sensoren im Hinblick auf Wirtschaftlichkeit und Leistung vielfältige Vorteile bieten können.