Verteilte faseroptische Sensoren (DFOS) sind fortgeschrittene Messsysteme, die die Lichtwellenleiter als kontinuierlichen Sensor zur Messung physikalischer Größen entlang seiner gesamten Länge nutzen. Sie sind besonders wertvoll in der zerstörungsfreien Prüfung und im Structural Health Monitoring.
Verteilte faseroptische Sensoren (DFOS) sind fortgeschrittene Messsysteme, die den Lichtwellenleiter als kontinuierlichen Sensor zur Messung physikalischer Größen entlang seiner gesamten Länge nutzen. Sie sind besonders wertvoll in der zerstörungsfreien Prüfung und im Structural Health Monitoring, weil sie kontinuierliche Messungen über lange Distanzen mit hoher räumlicher Auflösung ermöglichen und gegen elektromagnetische Störungen unempfindlich sind.
1. Dehnungs- und Spannungsüberwachung
DFOS-Sensoren messen Dehnung (Strain) entlang der gesamten Faserlänge. So lassen sich Spannungen und Formänderungen an Bauteilen wie Brücken, Betonträgern oder Verbundwerkstoffen verfolgen. Änderungen im Dehnungsprofil zeigen oft das Auftreten und die Entwicklung von Rissen, bevor sie visuell sichtbar werden.
Hauptvorteile:
- Kontinuierliche Spannungsmessung statt punktueller Messung
- Frühzeitige Erkennung lokaler Anomalien
- Erfassung von Schadensentwicklung von der Mikro- bis Makroebene
2. Structural Health Monitoring (SHM)
DFOS-Technologie wird im Bauwesen breit zur langfristigen Zustandsüberwachung von Infrastruktur eingesetzt — Brücken, Staudämme, Tunnel, Pipelinesysteme. Sensoren liefern kontinuierliche Daten zu Dehnung und Temperatur, die bei der Bewertung von Integrität und Materialdegradation unter Betriebslast helfen.
Beispiele überwachter Elemente:
- Brückenträger und -platten
- Stützpfeiler aus Beton
- Bauliche Staudämme
- Tunnel und unterirdische Bauwerke
3. Temperaturmessung und -kompensation
Lichtwellenleiter können auch Temperaturprofile entlang des Sensors messen, was wichtig ist für:
- Trennung mechanischer Dehnung von Temperaturänderungen
- Anwendungen mit hoher Temperaturempfindlichkeit
- Identifikation von Überhitzungsstellen
Manche DFOS-Systeme kombinieren Temperatur- und Dehnungserfassung über verschiedene Streumechanismen (z. B. Raman, Brillouin).
4. Einbettung von Sensoren in Verbundwerkstoffe
In Verbundwerkstoffen (z. B. Luftfahrt, fortgeschrittene Konstruktionen) lassen sich DFOS-Sensoren direkt im Material einbetten. So können innere Spannungen, Aushärtungsverläufe, innere Schäden und strukturelle Änderungen ohne Beeinträchtigung der Materialintegrität überwacht werden.
5. Erfassung dynamischer Ereignisse und Vibrationen (DAS)
Manche DFOS-Systeme auf Basis Distributed Acoustic Sensing (DAS) erfassen dynamische Änderungen durch Vibrationen, akustische Signale oder mechanische Stöße. Solche Systeme ermöglichen:
- Erfassung von Stößen und Ermüdungsereignissen
- Beobachtung mechanischer Reaktionen auf äußere Kräfte
- Erkennung ungewöhnlicher Vibrationsmuster, die auf Schäden hindeuten
DAS nutzt die Faser als entlang ihrer Länge verteilten akustischen Sensor.
6. Echtzeit-Überwachung und Frühwarnsysteme
DFOS liefert kontinuierliche Echtzeitdaten — ideal für die Betriebsüberwachung, wo:
- Lastveränderungen sofort verfolgt
- ungewöhnliches Strukturverhalten kontinuierlich erkannt
- Frühwarnungen bei möglichem Versagen ausgegeben werden müssen
Großer Vorteil gegenüber periodischen manuellen Messungen: kontinuierliches Sensing erhöht die Sicherheit und ermöglicht automatisierte Entscheidungsprozesse.
7. Fortgeschrittene aktive DFOS-Methoden
Neue Forschung entwickelt fortgeschrittene aktive DFOS-Methoden wie verteilte photoakustische Sensorik, die Ultraschall-Erzeugung und -Detektion entlang der Faser integriert. Diese Ansätze verbinden Vorteile der Ultraschall-ZfP mit verteiltem Sensing und ermöglichen dichtere Detektion innerer Defekte mit hoher räumlicher Auflösung.
Zusammenfassung — DFOS-Hauptmessgrößen
| Größe | Messtyp | Rolle in der ZfP |
|---|---|---|
| Dehnung | Brillouin/Rayleigh | Detektion von Spannung und Strukturänderung |
| Temperatur | Raman/Brillouin | Trennung von Temperatureinflüssen |
| Dynamische Signale / Vibrationen | DAS | Vibrations- und Ereignisüberwachung |
Fazit
DFOS sind eine sehr flexible und leistungsfähige Technologie für zerstörungsfreie Defektprüfung und Structural Health Monitoring. Sie bieten:
✔ kontinuierliche räumliche Messungen statt isolierter Punkte ✔ hohe Empfindlichkeit für Dehnung, Temperatur und dynamische Signale ✔ Überwachung langer Sensorstrecken (zehn bis hunderte km) ✔ Integration in Betriebssysteme für frühe Schadensdetektion und Warnung
Damit ist DFOS eine sehr passende Ergänzung — oder ein Ersatz — traditioneller ZfP-Methoden.