Faseroptische Sensoren in Bauwerken Risse und Verformungen finden

Präzisionsmessungen des Untergrunds für die Sicherheit.
Präzisionsmessungen des Untergrunds für die Sicherheit.

Wenn ab Ende 2017 der ICE mit 300 km/h zwischen Nürnberg und Erfurt verkehrt, ist Sicherheit oberstes Gebot. Der Bau der vielen Brücken und Tunnel erfordert eine akribisch genaue Prüfung des Untergrunds auf eventuelle Verformungen. Ideal für solche Präzisionsmessungen sind faseroptische Verfahren.

Schwere Massen, die mit hoher Geschwindigkeit über von Menschenhand errichtete Bauwerke jagen, hinterlassen ihre Spuren. Eventuelle Senkungen oder andere Verformungen gilt es in ihrem Frühstadium zu erkennen, damit rechtzeitig Sanierungsmaßnahmen eingeleitet werden können, bevor ein ernsthafter Schaden auftritt. Das gilt nicht nur für Eisenbahnstrecken, auch für Straßenbrücken, denen der wachsende Schwerlastverkehr hart zusetzt, sowie auch für Bergwerke, Staudämme und andere Großbauten. Generell die am schlechtesten kalkulierbaren Objekte sind Tunnel, weil der Fels oft nicht massiv ist, sondern durch Schichten von Kies, Sand oder Schlamm unterbrochen ist, die sich gegeneinander verschieben können.

Zur Überwachung wird eine ausgeklügelte elektronische Messtechnik installiert. Konventionell macht man das mit Dehnungsmessstreifen (DMS) an kritischen Stellen. Das funktioniert soweit; ihr Nachteil aber: Jeder Dehnungsmessstreifen braucht ein eigenes Kabel; das macht die Installation teuer. Eine Alternative wären Funksender, aber der regelmäßige Austausch der Batterien ist aufwendig und Energy Harvesting ist nicht überall möglich.

Eine in den letzten Jahren aufgekommene Alternative mit deutlich günstigeren Eigenschaften sind faseroptische Sensoren. Sie sind erst wenig verbreitet, aber das Interesse daran nimmt schnell zu dank einiger enormer Vorteile: Sie erlauben Messungen an vielen Stellen mit nur einer einzigen Faser; dadurch fallen die Verlegungskosten weitaus geringer aus. Mit mehr Messstellen kann die Überwachung genauer sein. Zur Auswertung der vielen Messwerte kann dann ein neuronales Netzwerk zum Einsatz kommen, das einen umfassenden Überblick über die Gesamtsituation inklusive einer Plausibilitätsprüfung ermöglicht.
Auch ist die Signalübertragung nicht durch elektromagnetische Felder störbar (etwa von elektrifizierten Eisenbahnlinien). Messort und Signalauswertung können bis zu mehrere km voneinander entfernt sein. In der Praxis erlauben Glasfasern mehrere verschiedene Messmethoden; jede hat ihre eigenen Vor- und Nachteile. Die Auswahl geschieht je nach den Anforderungen des Einzelfalls.

Ortsdiskret: Faser-Bragg-Gitter (FBG)

Dieses Prinzip ist schon vielfach in Gebrauch und hat seine Leistungsfähigkeit bewiesen. In den Faserkern werden auf einer Länge von etwa 1 mm mittels Bestrahlung durch einen UV-Laser periodische Bereiche „eingeschrieben“, in denen der Brechungsindex etwas verändert ist. An jeder Übergangsstelle wird ein kleiner Teil des eingespeisten Lichts reflektiert. Bei der Wellenlänge, die dem Doppelten des Rasters entspricht, überlagern sich alle Reflexionen kon-struktiv. Genau diese Bragg-Wellenlänge kommt dann mit hoher Intensität zurück und kann am Ort des Lichtsenders gemessen werden. Die Reflexionen aller anderen Wellenlängen haben nur sehr geringe Intensitäten.

Ändert jetzt die Faser ihre Länge – etwa durch Dehnung bzw. Stauchung oder auch durch Temperaturänderung – dann verschiebt sich die Bragg-Wellenlänge, was mit geeigneten Messgeräten auswertbar ist. Man erhält auf diese Weise eine Art optischer Dehnungsmessstreifen. Übliche Fasern lassen sich bis zu 2 % dehnen. Vorteilhaft ist, dass sich mehrere solcher Faser-Bragg-Gitter in eine einzige Faser einbauen lassen, unterscheidbar über die jeweiligen Bragg-Wellenlängen. Ein gewisser Nachteil: Die Messung ist nur an einzelnen diskreten Messpunkten möglich; deren Anzahl pro Faser ist begrenzt auf etwa 20 bis 30. Und die Präparation der Faser ist kostspielig.

Wegen dieser Einschränkungen hat die Forschung nach alternativen Verfahren gesucht, die erstens die gesamte Faser kontinuierlich auf ihrer ganzen Länge nutzen können und zweitens keine besondere Vorbehandlung erfordern. Die Grundlage: In eine Glasfaser eingestrahltes Licht wird immer zu einem sehr geringen, aber messbaren Anteil zurückgestreut und kann am Ort des Senders detektiert werden. Hier treten drei verschiedene physikalische Effekte auf, die nicht miteinander verwechselt werden dürfen: Rayleigh-Streuung, Brillouin-Streuung und Raman-Streuung (Bild 1). Alle sind technisch nutzbar; welche man auswählt, hängt von den Erfordernissen des jeweiligen Einzelfalls ab.