Grundlagen verteilter und punktueller faseroptischer Sensorik: Messprinzipien (Rayleigh, Brillouin, Raman, FBG), Topologien von Messketten, räumliche und zeitliche Auflösung, sowie relevante Normen (DIN, VDI, ISO) für Dehnungs-, Temperatur- und Druckmessung in Bauwerken und Verbundstrukturen.

Abstrakt

Faseroptische Sensoren verwandeln einen Lichtwellenleiter in ein Messinstrument: Länge, Dehnung, Temperatur, Druck und Vibration werden nicht an einzelnen Punkten erfasst, sondern entlang der gesamten Faser — bei verteilten Verfahren mit zehntausenden effektiver Messstellen auf einer einzigen Leitung. Der Beitrag ordnet die vier technologisch dominanten Prinzipien ein (Rayleigh-, Brillouin- und Raman-Rückstreuung sowie Faser-Bragg-Gitter), beschreibt typische Messketten vom Sensor über den Interrogator bis zur Datenauswertung, und benennt die normativen Grundlagen, auf die sich eine prüffähige Instrumentierung heute berufen muss. Ziel ist ein kompakter Einstieg für Ingenieurinnen und Ingenieure, die faseroptische Sensorik erstmalig für zerstörungsfreie Prüfung (ZfP) oder Structural Health Monitoring (SHM) einsetzen und zwischen Prinzipien, Topologien und Reichweiten eine belastbare Auswahl treffen müssen.

Schlüsselwörter: faseroptische Sensoren, verteilte Faseroptik (DFOS), Faser-Bragg-Gitter (FBG), Rayleigh-Rückstreuung, Brillouin-Streuung, Raman-Streuung, Structural Health Monitoring, zerstörungsfreie Prüfung, Normung.

1. Einleitung

Die klassische Messtechnik der Baustatik und des Maschinenbaus ruht auf punktuellen Aufnehmern: Dehnungsmessstreifen, Beschleunigungssensoren, Thermoelemente. Jeder Aufnehmer liefert einen Wert an einem Ort, jeder Aufnehmer braucht eine eigene Leitung, eine eigene Durchführung, eine eigene Prüfkette. Bei größeren Bauwerken — Spannbetonbrücken, Tunnel, Pipelines, Windenergieanlagen, Verbundwerkstoffe — stößt dieser Ansatz an zwei Grenzen zugleich: die kombinatorische Explosion der Verkabelung und das Problem, dass Schäden sich selten dort einstellen, wo gemessen wird.

Faseroptische Sensorik dreht die Logik um. Statt viele Punkte zu instrumentieren, wird ein durchgehender Lichtwellenleiter in die Struktur eingebracht. Jedes Zentimeter dieser Leitung ist potentiell eine Messstelle; welche Zentimeter tatsächlich ausgewertet werden, entscheidet der Interrogator. Das ergibt bei typischer Konfiguration einige zehntausend bis Millionen virtueller Messpunkte, die aus einer einzigen Leitung gelesen werden, über Entfernungen von zehn Metern bis zu zehn Kilometern.

Für die Praxis wichtig: faseroptische Verfahren sind elektromagnetisch unempfindlich, benötigen keine Spannungsversorgung am Messort, lassen sich an schwer zugängliche Stellen bringen (vergussfähig in Beton, einbettbar in Verbundwerkstoffe, führbar durch Dichtungen und Durchführungen) und bleiben über Jahrzehnte stabil, wenn Faser und Mantel richtig gewählt sind. Die Technologie ist seit den frühen 1990er Jahren industriell verfügbar; die letzte Dekade hat vor allem Preis, Zuverlässigkeit und Normierung so weit gebracht, dass ein breiter Einsatz außerhalb von Forschungslaboren tragfähig ist [1,2].

Dieser Beitrag ordnet das Feld entlang dreier Fragen, die am Anfang jedes Projekts stehen: Welches physikalische Prinzip liefert die benötigte Information?, Wie wird die Faser mit Interrogator und Datenpfad verbunden?, und Nach welcher Norm wird die Messkette prüffähig dokumentiert?

2. Messprinzipien

Faseroptische Sensoren nutzen aus, dass sich das Licht in einem Lichtwellenleiter nicht beliebig „sauber” ausbreitet. Ein geringer Teil der Energie wird gestreut, ein weiterer Teil reflektiert; aus beiden Beiträgen lassen sich physikalische Größen am Streuort zurückrechnen. Vier Mechanismen dominieren die Technik.

2.1 Rayleigh-Rückstreuung (OFDR und OTDR)

Rayleigh-Streuung entsteht durch mikroskopische Dichteschwankungen im Faserkern. Diese Schwankungen sind einem individuellen Faserabschnitt eigen und ändern sich mit lokaler Dehnung und Temperatur. Zwei Interrogatorfamilien verwerten dies:

Rayleigh-Verfahren liefern Dehnung und Temperatur gleichzeitig. Die Trennung der beiden Beiträge erfordert eine zweite, mechanisch entkoppelte Faser oder ein kombiniertes Verfahren mit Raman-DTS (siehe Abschnitt 2.3).

2.2 Brillouin-Streuung (BOTDA, BOTDR, BOFDA)

Brillouin-Streuung ist eine inelastische Streuung an akustischen Phononen. Die Frequenzverschiebung des gestreuten Lichts (Brillouin-Shift) hängt linear von Temperatur und Dehnung ab. Daraus leiten sich die drei industriell etablierten Varianten ab:

Brillouin ist die bevorzugte Technik für weitreichende Infrastrukturüberwachung: Pipelines, Tunnel, Deiche, Hochspannungsleitungen, Eisenbahngleise.

2.3 Raman-Streuung (DTS)

Raman-Streuung entsteht an molekularen Schwingungen des Faserglases. Das Verhältnis zwischen Stokes- und Anti-Stokes-Komponente der gestreuten Welle hängt ausschließlich von der absoluten Temperatur am Streuort ab. Daraus folgt die Distributed Temperature Sensing (DTS):

DTS ist unempfindlich gegenüber Dehnung und liefert deshalb eine saubere Temperaturreferenz — ideal für die Kreuzsensitivitätskompensation bei Rayleigh- oder Brillouin-Dehnungsmessungen. Typische Einsatzorte: Starkstromkabel in Kabelschächten (Hot-Spot-Detektion), Tunnelbelüftung, Pipelines (Leckdetektion über Joule-Thomson-Abkühlung), geothermische Bohrungen, Dammüberwachung.

2.4 Faser-Bragg-Gitter (FBG)

Faser-Bragg-Gitter sind periodische Brechzahlmodulationen im Faserkern, die eine bestimmte Wellenlänge selektiv reflektieren. Dehnung und Temperatur verschieben die Bragg-Wellenlänge; der Interrogator liest die Verschiebung aus. Charakteristik:

FBG ist die faseroptische Antwort auf den klassischen Dehnungsmessstreifen: punktuell, kalibrierbar, einzeln adressierbar — nur ohne elektrische Zuleitungen und mit messtechnischer Multiplexfähigkeit.

2.5 Vergleich auf einen Blick

Prinzip Messgröße Räumliche Auflösung Reichweite Empfindlichkeit
OFDR (Rayleigh) Dehnung + Temperatur 1 mm – 1 cm bis ~100 m ±1 µε / ±0,1 °C
OTDR (Rayleigh) Dehnung + Temperatur ~1 m mehrere km ±5 µε
BOTDA / BOTDR Dehnung + Temperatur 0,5 – 5 m 20 – 100 km ±2 – 20 µε / ±0,1 – 1 °C
Raman DTS nur Temperatur 0,5 – 2 m 10 – 30 km ±0,1 – 0,5 °C
FBG punktuelle Dehnung / Temperatur 5 – 20 mm (je Gitter) WDM 20 – 50 Gitter / Faser ±0,5 – 1 µε

Die Auswahl folgt nicht aus einer „Rangliste” der Verfahren, sondern aus der Frage, welche räumliche Auflösung über welche Reichweite mit welcher Messgröße benötigt wird — und wie Temperatur und Dehnung in der konkreten Anwendung getrennt werden sollen.

3. Topologien der Messketten

Eine faseroptische Messkette besteht aus vier Elementen: der Sensorfaser (einschließlich Beschichtung und mechanischer Ankopplung an die Struktur), den Verbindungs- und Durchführungsleitungen, dem Interrogator sowie der nachgelagerten Datenaufbereitung und Übergabe an das übergeordnete System (SCADA, MES, SHM-Plattform).

3.1 Faser und Mantel

Zwei Faserklassen dominieren: Standard-Singlemode-Faser (SMF-28 kompatibel, ITU-T G.652) für klassische Nachrichten- und Sensoranwendungen, und polyimidbeschichtete oder ormocerbeschichtete Fasern mit erhöhter chemischer, thermischer und mechanischer Robustheit — notwendig für Einbettung in Beton, Verbundwerkstoffe oder bei Hochtemperaturanwendungen über 150 °C.

Die Wahl des Mantels bestimmt zwei Dinge gleichzeitig: die Umgebungsbeständigkeit und die Dehnungsübertragung von der Struktur in die Faser. Ein zu dicker, nachgiebiger Mantel entkoppelt die Faser mechanisch und senkt die effektive Dehnungsempfindlichkeit; ein zu dünner Mantel erhöht das Bruchrisiko. Die Shear-lag-Modellierung dieses Übergangs ist ein eigenes Kapitel und wird in [9] ausführlich behandelt.

3.2 Einseitig oder beidseitig geschlossen

3.3 Multiplexing

Bei FBG-Systemen wird Wellenlängenmultiplex genutzt, bei verteilten Systemen Zeit- oder Frequenzmultiplex über die Entfernung. Ein zusätzlicher Raum-Multiplex entsteht durch optische Schalter, die mehrere Fasern an einen Interrogator anschließen und sequentiell abfragen. Für ein großes Bauwerk ist typisch, dass ein einziger Interrogator über einen optischen Schalter 4–8 Fasern (z. B. Nord-, Süd-, Ost- und Westseite einer Brücke) im Minutentakt bedient.

3.4 Vom Interrogator in die SCADA

Die Rohdaten des Interrogators sind nicht trivial: ein verteiltes System liefert pro Messung einen vollständigen Dehnungs-/Temperaturvektor über die Faserlänge. Bei 10 km Faser und 1 m Auflösung sind das 10 000 Werte je Scan, bei einer Scanrate von 1 Hz entsprechend 36 Millionen Werte pro Stunde. Die Datenreduktion am Rand (Edge-Aggregation, Schwellwertabgleich, Verdichtung auf statistische Momente über Zeitfenster) ist deshalb Teil der Messkette, nicht ein nachgelagerter Schritt.

Die Übergabe in SCADA/MES erfolgt über etablierte Industrieprotokolle (OPC UA, MQTT, Modbus-TCP) oder über ein REST-API des Interrogators. Für prüffähige Dokumentation ist eine manipulationssichere Protokollierung jeder Messung erforderlich — Zeitstempel, Interrogator-Seriennummer, Kalibrierzustand, Rohdaten-Hash.

4. Normen und Richtlinien

Faseroptische Sensorik wird in den letzten Jahren schrittweise normativ eingehegt. Die relevantesten Dokumente lassen sich in drei Gruppen fassen.

4.1 Internationale Produkt- und Verfahrensnormen

4.2 Anwendungsnormen Bauwesen und Geotechnik

4.3 Deutsche und europäische Richtlinien

Praktische Konsequenz: Für die Dokumentation einer DFOS-Messkette gegenüber Bauherr, Prüfingenieur oder Betreiber genügt es nicht, auf „ein faseroptisches System” zu verweisen. Prüffähig sind nur Messketten, deren Komponenten (Faser, Interrogator, Verankerung) individuell gegen definierte Prüfanforderungen kalibriert und protokolliert sind — in der Regel nach der oben genannten IEC-61757-Reihe für den Sensor, nach fib Bulletin 86 für die bauliche Anwendung, und mit einer Rückführbarkeit der Kalibrierung auf nationale Normale (in Deutschland PTB, über DKD/DAkkS-Kalibrierkette).

5. Typische Anwendungen

Vier Anwendungsfelder dominieren den heutigen Einsatz faseroptischer Sensorik:

Zusätzlich: medizinische Druckaufnehmer, strukturelle Modalanalyse mit FBG-Beschleunigungsaufnehmern, Perimetersicherung über vibrationssensible Fasern.

6. Grenzen und Fehlerquellen

Eine redliche Darstellung faseroptischer Sensorik enthält auch, wo die Technik an Grenzen stößt:

7. Zusammenfassung

Faseroptische Sensorik ist heute kein Forschungsthema mehr, sondern ein ingenieurmäßig handhabbares Verfahren mit vier etablierten Prinzipien (Rayleigh, Brillouin, Raman, FBG), klaren Reichweiten und Auflösungen, standardisierten Topologien und einem wachsenden normativen Rahmen (IEC 61757, ISO 18674, fib Bulletin 86). Die Entscheidung für eine konkrete Variante folgt aus der Kombination von Messgröße, benötigter räumlicher Auflösung, Reichweite und der Frage, wie Temperatur- und Dehnungseinfluss getrennt werden sollen.

Die eigentlichen Fallen liegen nicht im physikalischen Prinzip, sondern in Mantelauswahl, Verankerung, Kreuzsensitivitätskompensation und Interrogator-Kalibrierung. Diese vier Themen entscheiden darüber, ob eine Messkette fünf Jahre nach dem Einbau noch belastbare Werte liefert — oder ob sie zur dekorativen Kabelverlegung geworden ist.

Für die Praxis empfiehlt sich: früh entscheiden, ob verteilt oder punktuell gemessen werden soll; die Faser und ihren Mantel als Teil der Struktur, nicht als Zukauf, verstehen; die Kalibrierkette von Anfang an dokumentieren; und die Datenpfade so entwerfen, dass eine Nachkalibrierung oder ein Interrogatorwechsel keine Rückwirkung auf die Interpretation historischer Daten hat.

IOAS begleitet Projekte in Bauwesen, Infrastruktur und Verbundwerkstoffen bei der Auswahl, Instrumentierung und Dateninterpretation faseroptischer Messketten. Für Rückfragen und Projektanfragen: director@ioas.pro.

Literatur

[1] López-Higuera, J. M.; Rodríguez Cobo, L.; Quintela Incera, A.; Cobo, A. (2011): Fiber Optic Sensors in Structural Health Monitoring. Journal of Lightwave Technology 29(4), 587–608. DOI: 10.1109/JLT.2011.2106479.

[2] Barrias, A.; Casas, J. R.; Villalba, S. (2016): A Review of Distributed Optical Fiber Sensors for Civil Engineering Applications. Sensors 16(5), 748. DOI: 10.3390/s16050748.

[3] Froggatt, M.; Moore, J. (1998): High-spatial-resolution distributed strain measurement in optical fiber with Rayleigh scatter. Applied Optics 37(10), 1735–1740. DOI: 10.1364/AO.37.001735.

[4] Soller, B. J.; Gifford, D. K.; Wolfe, M. S.; Froggatt, M. E. (2005): High resolution optical frequency domain reflectometry for characterization of components and assemblies. Optics Express 13(2), 666–674. DOI: 10.1364/OPEX.13.000666.

[5] Bao, X.; Chen, L. (2012): Recent Progress in Distributed Fiber Optic Sensors. Sensors 12(7), 8601–8639. DOI: 10.3390/s120708601.

[6] Dakin, J. P.; Pratt, D. J.; Bibby, G. W.; Ross, J. N. (1985): Distributed optical fibre Raman temperature sensor using a semiconductor light source and detector. Electronics Letters 21(13), 569–570. DOI: 10.1049/el:19850402.

[7] Ukil, A.; Braendle, H.; Krippner, P. (2012): Distributed Temperature Sensing: Review of Technology and Applications. IEEE Sensors Journal 12(5), 885–892. DOI: 10.1109/JSEN.2011.2162060.

[8] Hill, K. O.; Meltz, G. (1997): Fiber Bragg Grating Technology Fundamentals and Overview. Journal of Lightwave Technology 15(8), 1263–1276. DOI: 10.1109/50.618320.

[9] Her, S.-C.; Huang, C.-Y. (2011): Effect of Coating on the Strain Transfer of Optical Fiber Sensors. Sensors 11(7), 6926–6941. DOI: 10.3390/s110706926.

[10] fib Bulletin 86: Monitoring and Safety Evaluation of Existing Concrete Structures. International Federation for Structural Concrete, 2017.