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Dehnungsmessstreifen: elektrisch oder optisch?

20. November 2009, 10:00 Uhr | Nicole Wörner

Die auf so genannten Faser-Bragg-Gittern basierenden optischen Dehnungsmessstreifen (DMS) werden bereits seit längerem als Alternative zum elektrischen Dehnungsmessstreifen gehandelt. Doch welche ist nun wirklich die »bessere« Lösung?

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Der elektrische DMS, auch Metallfolien-DMS genannt, ist ein ausgereiftes und mittlerweile weitestgehend perfektioniertes Produkt. Erfunden 1938, hat er sich über Jahrzehnte bewährt. Technische Daten, Vorgehensweisen bei der Installation der DMS, Grenzen der Anwendung sowie die Vor- und Nachteile, sind allgemein bekannt und umfangreich dokumentiert.

Über die neue Technologie »Optische Dehnungsmessstreifen « liegen jedoch erheblich weniger praktische Erfahrungen vor, ebenso fehlt es noch an ausführlicher Dokumentation. Auf den ersten Blick stellen sich dem Anwender daher eine Reihe von Fragen über die Vor- und Nachteile der Sensoren, ihre Funktionsweise, wie sie installiert werden, wann welche Technik eingesetzt wird und ob man nun überhaupt keine elektrischen DMS mehr braucht.

»Die Wirkungsweise eines so genannten Faser-Bragg-Gitters, auch kurz Bragg-Gitter genannt, ist seit Jahrzehnten in der Kommunikationsbranche bekannt. Man nutzt sie meist als optische Signalfilter«, erklärt Dirk Eberlein, Produktmanager Dehnungsmessstreifen und experimentelle Spannungsanalyse von Hottinger Baldwin Messtechnik HBM. »Das Bragg-Gitter besteht prinzipiell aus sehr vielen Reflektionsstellen in einer Glasfaser, die einen identischen Abstand zueinander aufweisen. An jeder dieser Stellen wird ein Teil des eingestrahlten Lichtes reflektiert. Das von den einzelnen Bragg-Gittern reflektierte Licht überlagert sich – das bezeichnet man auch als konstruktive Interferenz –, wodurch ein Reflektions-Peak entsteht.Dieser Peak weist eine charakteristische Wellenlänge auf, die vom Abstand der Reflektionsstellen abhängt.«

Der für die Dehnungsmessung nutzbare Effekt besteht darin, die Dehnung formschlüssig in das Bragg-Gitter einzuleiten. Hierdurch ändert sich der Abstand der Reflektionsstellen proportional zur eingeleiteten Dehnung, wodurch sich entsprechend die Wellenlänge des reflektierten Lichtes ändert. Analog zum elektrischen DMS gilt bei optischen DMS, dass die relative Wellenlängenänderung proportional zur eingeleiteten Dehnung ist.

Die wesentlichen Vorteile dieser Technologie liegen auf der Hand:

Innerhalb einer Glasfaser können mehrere Bragg-Gitter eingebracht werden. Hieraus ergibt sich ein Vorteil, der bei der Installation sowohl Kosten als auch Zeitaufwand drastisch reduzieren kann. Denn bei den elektrischen Dehnungsmessstreifen muss jeder einzelne DMS mit einem getrennten Anschlusskabel verschaltet werden. Als Beispiel: Werden zehn Bragg-Gitter in eine Glasfaser eingebracht, reduziert sich der Verschaltungsaufwand gegenüber elektrischen DMS entsprechend um den Faktor zehn. Der Vorteil bei der Gewichtsreduzierung, der sich durch die Anwendung einer Glasfaser gegenüber Anschlussleitungen aus Kupfer ergibt, ist ebenfalls nicht zu vernachlässigen. Die Masse von z.B. aufliegenden Anschlussleitungen kann durchaus das Ergebnis einer experimentellen Untersuchung verfälschen.
Weil mit Licht gemessen wird, sind die Sensoren unempfindlich gegenüber elektromagnetische Felder.
Auch der Einsatz unter hochexplosiven Bedingungen ist möglich, weil nur mit geringer Laser- Leistung gearbeitet wird.

Installationspraxis

»Bei näherer Betrachtung eines üblichen optischen DMS stößt der Anwender in der Praxis schnell auf das Problem der Installation«, führt Eberlein aus. »Bisherige Vorgehensweisen bei der Installationen einer Glasfaser mit einem Bragg-Gitter auf einem Prüfobjekt erfolgen oft so, dass rechts und links des eigentlichen Bragg-Gitters ein Tropfen Klebstoff aufgebracht wurde. Bei diesem Verfahren muss die Glasfaser vorgespannt und damit gedehnt werden, um auch negative Dehnungen (Stauchungen) messen zu können.