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:
- Elektromagnetische Störfestigkeit. In Umgebungen mit starken Feldern (Hochspannungsschaltanlagen, Elektrolyseanlagen, Lichtbogenofen) liefern DMS systematisch gestörte Werte; faseroptische Signale sind davon nicht betroffen.
- Keine Spannungsversorgung am Messort. Der Sensor selbst ist passiv; die gesamte Elektronik sitzt beim Interrogator.
- Fernmessung über Kilometer. Verteilte Verfahren übertragen Messdaten mit einer einzigen Leitung über 10–50 km.
- Multiplexing. Punktuelle FBG-Sensoren lassen sich zu 20–50 Stück auf einem Faserstrang unterbringen; verteilte Verfahren erzeugen virtuelle Messstellen in Zentimeter- bis Meterabstand.
- Langzeitstabilität. Bei richtig gewählter Faser und Beschichtung sind Lebensdauern von mehreren Jahrzehnten erreichbar — DMS driften und müssen alle 5–10 Jahre ersetzt werden.
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:
- räumliche Auflösung 1 mm – 1 cm,
- Reichweite bis ca. 100 m,
- Dehnungsempfindlichkeit ±1 µε,
- Scan-Rate 1–10 Hz.
Für längere Strecken wird Brillouin eingesetzt (BOTDA, BOTDR, BOFDA):
- räumliche Auflösung 0,5–5 m,
- Reichweite 20–100 km,
- Dehnungsempfindlichkeit ±2–20 µε.
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:
- Messlänge je Gitter 5–20 mm,
- 20–50 Gitter pro Faserstrang über Wellenlängenmultiplex (WDM),
- Empfindlichkeit ±0,5–1 µε,
- Dynamik bis in den Kilohertz-Bereich — geeignet für Schwingungs- und Modalanalyse.
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:
- Dummy-Faser. Ein zweiter Faserabschnitt in derselben thermischen Umgebung, mechanisch von der Struktur entkoppelt (geführt in einer Schleife innerhalb einer losen Kapillare). Die Dummy-Faser misst reine Temperatur; die Differenz zum aktiven Sensor ergibt die Dehnung.
- Parallele DTS-Messung. Eine Raman-DTS-Trasse neben der Dehnungsfaser liefert das Temperaturprofil separat.
- Multiparameter-Interrogation. High-end Rayleigh/Brillouin-Interrogatoren können Dehnung und Temperatur aus einer Faser trennen, bei höherem Rauschen und höheren Gerätekosten. Verbreitung in der industriellen Praxis bleibt gering.
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:
- Druckbereich 0,1 bar – 1 000 bar (je nach Membrandicke und Material),
- Messgenauigkeit ±0,1–1 % des Endwerts,
- Reaktionszeit 1–10 ms,
- Durchmesser der Sensorspitze 125 µm – 1 mm.
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:
- Scan-Rate. Statische Überwachung reicht mit 1 Hz; Schwingungsanalyse braucht 100 Hz bis 10 kHz.
- Zahl der Kanäle. Industrie-Interrogatoren haben 4–16 optische Kanäle, erweiterbar durch Multiplexer.
- Betriebsumgebung. Innenraum oder im Freien, Temperaturbereich, Feuchteschutz. Industrietaugliche Modelle sind in IP65-Gehäusen klimatisiert verfügbar.
4.2 Datenpfad
Die Rohdatenrate ist bei verteilten Verfahren hoch — bis zu einigen Gigabyte pro Tag. Zwei Strategien dominieren:
- Edge-Aggregation. Der Interrogator reduziert die Rohdaten vor dem Export: statistische Momente über Zeitfenster, Schwellwertüberschreitungen, Ereigniserkennung. Die reduzierten Daten gehen in die Cloud; die Rohdaten bleiben lokal und werden rollierend gelöscht.
- Zentrale Speicherung mit späterer Analyse. Rohdaten werden vollständig gespeichert; Analyse läuft offline oder on-demand. Für kritische Infrastruktur mit Nachweispflichten ist dieser Pfad üblich.
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:
- Faserschutz vor dem Betonieren. Die Faser wird in einem flexiblen Schutzrohr oder in direktem Kontakt zur Bewehrung geführt. Direkter Kontakt zum ungeschützten Faserglas durch den Betonierprozess (Vibration, Fallhöhe des Betons) führt zu Bruch — die Erfahrung zeigt, dass eine dünne polyimidbeschichtete Faser diesen Belastungen bei korrekter Verlegung standhält.
- Durchführung durch die Schalung. An den Stellen, wo die Faser das Bauteil verlässt, ist eine dedizierte Kabeldurchführung mit Zugentlastung einzubauen. Die Übergangsstelle „eingebettet ↔ frei” ist der häufigste Ausfallpunkt.
- Alkalienbeständigkeit der Beschichtung. Betonporenlösung ist alkalisch (pH 12–13). Standard-Acrylatbeschichtungen altern unter diesen Bedingungen beschleunigt; Polyimid- oder Ormocer-Beschichtungen sind für dauerhafte Betoninstrumentierung die Wahl.
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:
- Längsverlegung entlang der Rohrachse, geklebt oder in einer separaten Kabelrinne mitgeführt. Standardlösung für Leckdetektion und Setzungsmonitoring.
- Querverlegung an definierten kritischen Punkten (Dükern, Flussquerungen, Verankerungen), fokussiert auf lokale Dehnungsmessung.
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:
- Interrogator-Kalibrierung. Beim Hersteller oder bei einer akkreditierten Kalibrierstelle, mit Rückführbarkeit auf nationale Normale. In Deutschland erfolgt dies über die DAkkS-Kalibrierkette, deren Spitze bei der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) liegt.
- Sensor-Kalibrierung. FBG werden einzeln charakterisiert und mit Kalibrierkurve ausgeliefert. Verteilte Fasern erhalten eine Charakterisierung des Faserloses; die effektive Empfindlichkeit entsteht erst durch den Einbau.
- In-situ-Verifikation. Nach dem Einbau wird gegen eine unabhängige Referenz (DMS, mechanischer Extensometer) unter bekannter Belastung verglichen. Übereinstimmung innerhalb von 5 % bei 1 000 µε unter isothermen Bedingungen ist ein typisches Akzeptanzkriterium.
- Rekalibrierung. Jährlich oder nach Herstellervorgabe; dokumentiert mit Zertifikat und zurückverfolgbar auf das Vorjahr.
7. Grenzen
Eine realistische Einordnung schließt die Grenzen ein:
- Faserbruch im Betrieb. Ein einzelner Bruch im eingebetteten Teil der Faser kann die gesamte Messkette unbrauchbar machen — bei Single-ended-Topologie das Ende dahinter, bei Loop-back-Topologie ggf. die Hälfte. Redundanz durch parallele Fasern ist für kritische Anwendungen zu empfehlen.
- Steckerausfall und Spleiß-Verluste. Jede Verbindung ist eine Fehlerstelle. Dokumentation der Steckerposition und periodische Reinigung sind Teil des Betriebs.
- Interrogator-Drift. Jahresdrift einiger µε bzw. 0,1 °C ist typisch. Ohne regelmäßige Rekalibrierung driften die absoluten Werte; relative Veränderungen bleiben weiterhin interpretierbar.
- Räumliche Auflösung vs. Signal-Rausch-Verhältnis. „1 cm Auflösung” allein ist unvollständig; die Angabe muss das zugehörige Rauschlevel enthalten.
- Investitionsschwelle. Ein industrieller OFDR-Interrogator kostet 50 000–150 000 €, ein BOTDA-Interrogator 80 000–200 000 €. Für Projekte unterhalb dieser Schwelle lohnt sich oft die Nutzung eines Dienstleisters statt der eigenen Beschaffung.
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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