Faseroptische Druck- und Dehnungssensoren ersetzen punktuelle DMS- und Druckaufnehmer durch eine kontinuierliche Messung entlang der Faser. Wir erläutern das Grundprinzip, typische Messketten vom Sensor über den Interrogator bis in die SCADA/MES-Welt und die wichtigsten Einbaudetails für Beton, Stahlbau, Pipelines und Verbundwerkstoffe.

Abstrakt

Druck und Dehnung sind in der Bau- und Anlagenüberwachung die zwei am häufigsten gemessenen mechanischen Größen. Beide werden traditionell punktuell erfasst — Druck über piezoresistive oder kapazitive Aufnehmer, Dehnung über elektrische Dehnungsmessstreifen (DMS). Faseroptische Verfahren bieten eine Alternative, die weder von elektromagnetischen Störungen betroffen ist noch eine Spannungsversorgung am Messort braucht, und die bei verteilten Varianten eine durchgehende Messung entlang der Faser liefert. Dieser Beitrag erklärt die zugrundeliegenden Messprinzipien, zeigt typische Messketten vom Sensor bis in die Datenauswertung und benennt die Einbaudetails, die darüber entscheiden, ob ein Sensor nach fünf Jahren noch brauchbare Werte liefert. Zielgruppe sind Ingenieurinnen und Ingenieure im Bau- und Anlagenmonitoring, die DMS- und Druckaufnehmer durch faseroptische Lösungen ersetzen oder ergänzen wollen.

Schlüsselwörter: faseroptische Drucksensoren, faseroptische Dehnungssensoren, DFOS, FBG, Fabry-Perot, Structural Health Monitoring, Betoninstrumentierung, Kreuzsensitivität.

1. Warum faseroptisch?

Faseroptische Dehnungs- und Druckmessung hat gegenüber elektrischen Verfahren fünf wiederkehrende Vorteile:

Dem stehen zwei Nachteile gegenüber: höhere Anschaffungskosten des Interrogators und die Notwendigkeit, die Kreuzsensitivität zwischen Temperatur und mechanischer Größe aktiv zu kompensieren.

2. Dehnungsmessung

2.1 Verteilte Dehnungsmessung über Rayleigh- und Brillouin-Rückstreuung

Rayleigh-OFDR (Optical Frequency Domain Reflectometry) nutzt die lokal unterschiedliche Rayleigh-Streuung des Faserkerns als „Fingerabdruck” jedes Faserabschnitts. Dehnung und Temperatur verschieben diesen Fingerabdruck messbar. Typisch:

Für längere Strecken wird Brillouin eingesetzt (BOTDA, BOTDR, BOFDA):

Die Wahl zwischen Rayleigh und Brillouin folgt der Länge der zu überwachenden Struktur. Für Bauteillängen bis 100 m — eine typische Brücke, ein großes Verbundbauteil — gewinnt Rayleigh an räumlicher Auflösung. Für Pipelines, Tunnel und Hochspannungsleitungen über mehrere Kilometer gewinnt Brillouin an Reichweite.

2.2 Punktuelle Dehnungsmessung mit Faser-Bragg-Gittern

Ein Faser-Bragg-Gitter reflektiert selektiv eine Wellenlänge, deren Verschiebung linear von Dehnung und Temperatur abhängt. Typische Werte:

FBG sind der faseroptische Nachfolger des klassischen DMS. Sie sind einzeln adressierbar, kalibrierbar und können mit standardisierten Interrogatoren ausgelesen werden. Ihr Hauptvorteil gegenüber DMS: Multiplexing, keine elektrischen Zuleitungen, geringere Alterungsraten.

2.3 Kreuzsensitivität Dehnung ↔ Temperatur

Alle drei genannten Verfahren messen Dehnung und Temperatur in einer gemeinsamen Observable. Für belastbare Dehnungsangaben außerhalb isothermer Bedingungen muss der Temperaturanteil getrennt werden. Drei Standardverfahren:

Die ersten beiden Verfahren dominieren Produktivinstallationen; sie sind einfacher zu dokumentieren und von Prüfingenieuren besser akzeptiert.

3. Druckmessung

Faseroptische Druckmessung ist technisch anspruchsvoller als Dehnungsmessung, weil die Faser selbst für Druck wenig empfindlich ist. Drei Technologien dominieren.

3.1 Fabry-Perot-Druckaufnehmer

Ein Fabry-Perot-Druckaufnehmer nutzt eine druckempfindliche Membran, die zusammen mit der Faserspitze eine optische Kavität bildet. Druckänderungen biegen die Membran, verändern die Kavitätslänge, und das reflektierte Spektrum verschiebt sich. Typische Daten industrieller Fabry-Perot-Sensoren:

Hauptanwendungen: medizinische Druckmessung (intrakraniell, intrakardial), Hochdruckprüfung (Hydraulik, Prüftechnik), Monitoring in schwer zugänglichen Umgebungen (Reaktoren, Explosionsschutzbereiche).

3.2 FBG unter mechanischer Umwandlung

Ein FBG unter mechanischer Umwandlung erhält den Druck über einen Trägerkörper, der die Druckbeaufschlagung in Dehnung übersetzt. Beispiel: ein druckbeaufschlagter Hohlzylinder, auf dessen Außenwand ein FBG längs oder quer appliziert ist. Die Umwandlungsgenauigkeit hängt an der Geometrie des Trägerkörpers und seiner Materialkonstanten.

Vorteil: Standardinterrogator, Multiplexing mit anderen FBG. Nachteil: zusätzlicher Fehlerbeitrag durch die Umwandlung.

3.3 Verteilte Druckmessung über Mantelmoden

Spezialfasern mit druckempfindlichen Mantelmoden erlauben eine verteilte Druckmessung. Die Technik ist in der Entwicklung; industrielle Reife für breite Anwendung ist noch nicht erreicht. Einsatzpotential: Pipeline-Monitoring (Dichtheit, Innendruck entlang der Leitung), Erddruckmessung in Deichen und Dämmen.

4. Messketten

Eine vollständige faseroptische Messkette umfasst:

Sensor → Verbindungsleitung → Durchführung in die Struktur → Interrogator → Datenaufbereitung → Übergabe an SCADA/MES/Monitoring-Plattform.

4.1 Interrogator

Der Interrogator ist das teuerste Element der Kette. Für produktive Dauerinstallationen sind drei Faktoren wichtig:

4.2 Datenpfad

Die Rohdatenrate ist bei verteilten Verfahren hoch — bis zu einigen Gigabyte pro Tag. Zwei Strategien dominieren:

4.3 Anbindung an übergeordnete Systeme

Standardprotokolle sind OPC UA, MQTT, Modbus-TCP und REST APIs. Für prüffähige Dokumentation gehört zu jedem Messdatum ein manipulationssicherer Audit-Record: Interrogator-ID, Zeitstempel aus synchronisierter Quelle, Kalibrierzustand, Hash der Rohdaten.

5. Einbau

5.1 Beton und Verbundstoffe

Beim Einbau in frischen Beton sind drei Punkte entscheidend:

Beim Einbau in Verbundstoffe (CFRP, GFRP) werden die Fasern zwischen Prepreg-Lagen oder in Infusionsprozessen eingebracht. Die Routinenfrage: Faserorientierung parallel zur Hauptverstärkung, nicht quer; dedizierte Kapillaren an den Ein- und Austrittsstellen.

5.2 Stahlbau

Bei Stahlbauteilen wird die Faser geklebt oder gespannt auf der Oberfläche aufgebracht. Zweikomponenten-Epoxidharze auf Basis von Araldit oder Loctite sind in der DMS-Technik eingeführt; sie funktionieren mit polyimidbeschichteten Fasern ähnlich. Bei nachträglicher Instrumentierung ist Schweißschutz zu beachten — eine Schweißnaht in der Nähe der Faser kann durch Wärmeeinwirkung die Beschichtung schädigen.

5.3 Pipelines

Pipelines bieten zwei Einbauvarianten:

Für die Leckdetektion ist eine parallele Raman-DTS-Trasse mitzuführen — eine Leckage erzeugt einen charakteristischen thermischen Gradienten durch Joule-Thomson-Abkühlung, der von einer reinen Dehnungsmessung nicht sauber von mechanischen Signalen getrennt werden kann.

6. Kalibrierung und Rückführbarkeit

Für prüffähige Messungen muss die Kalibrierkette lückenlos sein:

7. Grenzen

Eine realistische Einordnung schließt die Grenzen ein:

8. Zusammenfassung

Faseroptische Druck- und Dehnungssensoren sind heute industriell etablierte Alternative zu DMS- und piezoresistiven Aufnehmern. Dehnung wird mit Rayleigh-OFDR hochauflösend über kurze Strecken, mit Brillouin über Kilometer, mit FBG punktuell und multiplext gemessen. Druck wird mit Fabry-Perot-Aufnehmern oder über mechanisch umgewandelte FBG erfasst; verteilte Druckmessung bleibt in Entwicklung.

Für den Einsatz entscheidend sind vier Themen: Mantelauswahl, Durchführung und Zugentlastung, Kreuzsensitivitätskompensation und Kalibrierkette. Diese vier Punkte bestimmen, ob ein eingebauter Sensor nach fünf Jahren noch belastbare Daten liefert.

Die Empfehlung an Projektteams: früh entscheiden, ob verteilte oder punktuelle Messung notwendig ist; Faser und Beschichtung als Teil der Struktur betrachten; die Kalibrierkette von Beginn an gegen rückführbare Normale führen; und den Datenpfad so entwerfen, dass eine Nachkalibrierung oder ein Gerätewechsel die Interpretation historischer Daten nicht entwertet.


IOAS berät beim Entwurf faseroptischer Messketten im Bau- und Anlagenbereich, von der Sensorwahl über den Einbau bis zur Datenauswertung. Rückfragen: director@ioas.pro.

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