Das Licht am Ende der Faser

Faseroptische Sensoren (FOS) sind spezielle Messaufnehmer für optische Messverfahren. Die Messung basiert auf Veränderungen von Lichtwellenleitern (LWL) durch äußere Einflüsse. Bei FOS wird die Messgröße nicht durch eine elektrische Größe repräsentiert bzw. übertragen, sondern durch eine optische. Im Folgenden erläutere ich die allgemeine Funktionsweise der FOS, ihren Einsatz in der Baumesstechnik – und welche ihrer Kategorien dafür am Besten geeignet ist.

Lichtwellenleiter und Einflüsse von außen

LWL werden in der Kommunikationstechnik zur Datenübertragung eingesetzt. Sie zeichnen sich neben der hohen Bandbreite vor allem durch eine Übertragung aus, die robust gegenüber äußeren Einflüssen ist. Dazu gehören elektromagnetische Felder, Blitzeinschlag in Wasserbauwerken und auf offenem Feld, oder Störfrequenzen. LWL sind allerdings anfällig für geometrische Änderungen des Leiters, etwa durch Biegung, Zug, Druck, Querspannung oder Torsion. Und für Änderungen der Lichtführung durch Oxidation, Feuchteeintrag oder Beschädigungen des Mantels sind möglich.

Funktionsprinzip der Faseroptischen Sensorik

Genau diese Anfälligkeit für geometrische Änderungen ist der Grund, warum LWL als faseroptische Sensoren die Baumesstechnik revolutionieren. Bei ihrer Anwendung in der Baumesstechnik ist die Beeinflussung der Lichtsignale durch äußere Parameter explizit erwünscht: die Änderung verschiedener Parameter des eingebrachten Lichts ist das Messsignal. Diese Parameter sind: Intensität, Wellenlänge (Farbe), Polarisation und Laufzeit (Geschwindigkeit) des Lichts.

Am einfachsten lassen sich die Intensitätsänderung und somit die Transmissions-Eigenschaften über eine Dämpfungsmessung erfassen. Forschungen aus den frühen 1990er Jahren durch mich und Marc Voet belegen dies. Die anderen Parameter erfordern in der Regel einen aufwendigeren Messaufbau. So sind für die Erfassung der Wellenlängenänderung ein Spektrometer und für die Erfassung der Polarisation Polarisatoren und Modulatoren erforderlich.

Extrinsische und intrinsische Faseroptische Sensorik

Heute werden üblicherweise zwei Klassen faseroptischer Sensoren unterschieden: Extrinsisch und intrinsisch.

Extrinsische FOS

Im Fall der extrinsischen FOS überträgt die Glasfaser nur die von einem Sensor erfasste Messgröße, die als optisches Signal zur Verfügung gestellt wird.

Beispiele für die extrinsische FOS sind:

Glasfaser-Pyrometer

Glasfaser-Pyrometer ermöglichen den Transport von Infrarot-Strahlung zu schwer zugänglichen Messorten wie Hochöfen. Die Infrarot-Strahlung misst dort die Temperatur.

Temperatursonden

An die Spitze der Glasfaser wird Magnesium-Fluorgermanat angebracht. Temperatursonden nutzen dessen Phosphoreszenz zur Temperaturmessung.

Glasfaser-Schallwandler

Die Schalldruckänderungen an der Membran werden in optische Intensitätsänderungen umgewandelt. Dies geschieht durch Reflexion von Laserlicht an der sich bewegenden Membran.

Lichtschranken

Sie werden zur Objekterfassung in der Automatisierungstechnik eingesetzt. Optik und Elektronik sind in diesem Fall zu Gunsten der Anwendung getrennt voneinander angeordnet.

Temperatursensor

Im Gegensatz zur Temperatorsonde ist beim Temperatursensor die Glasfaserspitze mit einem Galliumarsenid-Kristall bestückt. Unter Temperatureinwirkung verändert sich bei diesem Kristall die Lage der Bandkante. Diese wird gemessen.

Intrinsische FOS

Bei den intrinsischen FOS sind die Glasfaser selbst und mögliche Veränderungen der optischen Parameter als Messaufnehmer definiert. Damit ist die Glasfaser zugleich Sensor und Übertragungsleitung. Daraus lassen sich eine Vielzahl von Anwendungen als Sensor herleiten. Erfahrungen zur Applizierung der Faser auf geeigneten Trägermaterialien ist notwendig, um physikalische Größen wie Kraft, Spannung, Wegstreckenmessung zu erfassen – oder die Faser als Druck- oder Temperaturaufnehmer zu konfigurieren.

Beispiele für die intrinsische FOS sind:

Temperaturmessung

Temperaturabhängige Raman-Streuung in der Glasfaser ermöglicht die ortsaufgelöste Temperaturmessung.

Dehnungsmessung

Zwei Verfahren finden bei der Dehnungsmessung in der Baustatik ihre Anwendung:

Bragg-Gitter-Sensorik als punktuelle Applizierung eines Gitters im Strang eines LWLs
Brillouin-Streuung als verteilte Dehnungsmessung, die wegen Temperaturabhängigkeit eine rechnerische Bereinigung erfordert

Beide Verfahren sind durch Überlagerung in einem Kabel gemeinsam anwendbar. Dadurch können sie miteinander verglichen und geprüft werden. Dehnungsmessungen sind die Basis aller geotechnischen Anwendungen und direkter Nutzen für die Baustatik zur Bauwerkssicherung – und deshalb unser Hauptthema.

Drucksensoren

Drucksensoren beruhen auf dem Microbending-Prinzip. Dies bedeutet, dass durch Druck mechanisch herbeigeführte Biegeverluste zu Übertragungsänderungen in der Glasfaser führen. Diese Theorie wurde im Forschungsprojekt FODES untersucht und in Form eines Microbending-Druckaufnehmers verwirklicht.

Zukunft der Baumesstechnik

Extrinsische Sensorik wird vor allem im Hinblick auf Medizintechnik entwickelt. Eine Überführung in die Geo- und Baumesstechnik steht noch aus oder scheitert am Verständnis oder den hohen Anschaffungskosten der Sensorelemente und Erfassungstechnologien.

Intrinsische FOS bringt vor allem im Bereich der Baumesstechnik einen enormen Kosten-Nutzen-Vorteil mit sich.