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Knowhow der Faseroptik Wissenswertes über Technik, Anwendung und Kosten/Nutzen
Faseroptische Sensoren FOS

Faseroptische Sensoren werden als FOS bezeichnet und ist ein spezieller Messaufnehmer (Sensor) für optische Messverfahren auf Grundlage von  charakteristischen Veränderungen von Lichtwellenleitern (LWL) durch äußere Einflüsse.

Bei faseroptischen Sensoren wird die Messgröße nicht durch eine elektrische Größe repräsentiert bzw. übertragen, sondern durch eine optische.

Lichtwellenleiter werden in der Nachrichten- und Kommunikationstechnik zur Datenübertragung, oder auch in der Automatisierungstechnik, eingesetzt und zeichnen sich neben der hohen Bandbreite vor allem dadurch aus, dass sie eine Übertragung ermöglichen, die unanfällig gegenüber äußeren Einflüssen ist, beispielsweise gegenüber elektromagnetischen Feldern Blitzeinschag in Wasserbauwerken und auf offenem Feld oder Störfrequenzen.

Trotz dieser optimalen Übertragungseigenschaften können auch die optischen Signale in Lichtwellenleitern durch innere und äußere Einflüsse gedämpft oder verändert werden.

Sie reagieren unter anderem auf geometrische Änderungen des Wellenleiters wie Biegung, Zug, Druck, Querspannung oder Torsion sowie Änderung der Lichtführungseigenschaften durch Oxidation oder Feuchteeintrag, bei Beschädigungen des Mantelmaterials.

An diesem Punkt setzt die Nutzung eines Lichtwellenleiters als faseroptischer Sensoren an der die Messtechnik im Bauwesen revolutionieren kann.

Bei dieser Anwendung ist die Beeinflussung der Lichtsignale durch äußere Parameter explizit erwünscht oder muss im optimalen Fall durch geeignete mechanische oder thermische Maßnahmen bei der Applikation an das Bauwerk ausgeschlossen werden.

Als Messsignal dient die Änderung verschiedener Parameter des eingebrachten Lichts, wie Intensität, Wellenlänge (Farbe) und Polarisation sowie die Laufzeit (Geschwindigkeit) des Lichts.

Am einfachsten lässt sich die Intensitätsänderung und somit die Transmissions-Eigenschaften über eine Dämpfungsmessung erfassen. Dies war auch die erste Nutzen bringende Konzeption unserer Forschungsarbeit, die in unserem Schwesterunternehmen GLÖTZL Baumesstechnik damals durch Jürgen Glötzl und Marc Voet in den frühen 90er Jahren untersucht wurde.

Die anderen Parameter erfordern in der Regel einen etwas aufwändigeren Messaufbau, so sind für die Erfassung der Wellenlängenänderung ein Spektrometer und für die Erfassung der Polarisation entsprechende Polarisatoren und Modulatoren notwendig.

Man unterscheidet heute - nachfolgend erläutert - zwei typische Klassen faseroptischer Sensoren und Systematiken:

intrinsisch extrinsisch

Die Glasfaser selbst und mögliche Veränderungen der optischen Parameter wird als als Messaufnehmer definiert und ist somit zugleich Sensor und Übertragungsleitung.

Beispiele sind:

Temperaturmessung

zur ortsaufgelösten Temperaturmessung durch temperaturabhängige Raman-Streuung in der Glasfaser.

Dehnungsmessung

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

1 Braggitter-Sensorik  als punktuelle Applizierung eines Gitters im Strang eines Lichtwellenleiters

2 Brillouin-Streuung verteilter Dehnungsmessung deren Temperaturabhänigkeit kompensiert werden muss.

Beide Verfahren sind auch in einem Kabel gemeinsam durch Überlagerung zur Referenzierung anwendbar. Sie sind die Basis aller geotechnischen Anwendung oder direkter Nutzen für die Baustatik zur Bauwerkssicherung im Ingenieurbau, und deshalb unser Hauptthema.

Drucksensoren

Durch Druck mechanisch induzierte Biegeverluste führen zu Transmissionsänderungen in der Glasfaser.

Diese Eigenschaft wird als Microbending-Prinzip bezeichnet und wurde im Forschungsprojektent  FODES untersucht und in Form eines Microbending Druckaufnehmers verwirklicht.

Eine Vielzahl an Anwendungen lassen sich in diesen Verfahren als Sensor herleiten. Erfahrungen zur Applizierung der Faser auf geeigneten Trägermaterialien ist notwendig, um physikalische Größen wie Kraft, Spannung Wegstreckenmessung oder die Faser als Druck- oder Temperaturaufnehmer zu konfigurieren.

Die Funktion der Glasfaser ist in diesem Fall nur als Überträger der von einem Sensor erfassten Messgröße, die als optisches Signal zur Verfügung gestellt wird

Beispiele sind:

Glasfaser-Pyrometer

bei denen die zur Temperaturmessung benutzte Infrarot-Strahlung zu schwer zugänglichen Messorten transportiert werden kann (Hochofen etc.).

Temperatursonden

bei denen die temperaturabhängige Kinetik der Phosphoreszenz von an der Spitze der Glasfaser angebrachten Magnesium-Fluorgermanats zur Temperaturmessung benutzt wird.

Optische Mikrophone oder Glasfaser-Schallwandler

bei denen die Schalldruckänderungen an der Membran in optische Intensitätsänderungen umgewandelt werden, durch Reflexion von Laserlicht an der sich bewegenden Membran.

Lichtschranken

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

Temperatursensor

dessen Glasfaserspitze mit einem Galliumarsenid-Kristall bestückt ist, der, im Hinblick auf dessen Eigenschaft unter Temperatureinwirkung die Lage der Bandkante zu verändern, ausgewertet wird.

Extrinisisch angewendete Sensoren gibt es von vielen Herstellern und vor allem in der Profit versprechenden Anwendung in der Medizintechnik. Eine Überführung in die Geo- und Baumesstechnik steht noch aus oder scheitert am Verständnis oder den hohen Anschaffungskosten der Sensorelemente und Erfassungstechnologien.

Aus diesem Grund vertiefen wir, als GGB GmbH, unser Engagement und Spezialisierung auf die intrinisische Glasfasersensorik, da der Kostennutzen Vorteil dieser Technologie in unserem Markt offensichtlich ist..

Lichtwellenleiter LWL und Anwendung von Glasfaserkabeln

Der eigentliche Lichtwellenweiter auch umgangssprachlich Glasfaser genannt wird im Ziehturmverfahren hergestellt.

Sie besteht im Wesentlichen aus einem Core aus Quarzglas (Glasfaser) oder Kunststoff  (Polymerfaser) im gebräuchlichen Sinne.

Polymerfasern haben sich in der Vergangenheit mehrheitlich als ungeeignet für den Einsatz im Ingenieurbau erwiesen. Das zeigen historische Forschungsergebnisse von  Rainer Glötzl, der den Einsatz von Polymerfasern zwar gefördert und publiziert, aber nicht zu Ende gebracht hat.

Polymerfasern zeichnen sich durch eine sehr hohe Dämpfung aus, die einen Einsatz bei Messstrecken über 200 m nahezu unmöglich machen. Außerdem ist die Applikation und Vernetzung der Fasern nicht weiter untersucht und entwickelt worden, so dass ein Monitoring noch in weiter Ferne scheint.

Dennoch können wir erwarten das diesbezüglich bestimmt noch weitere Forschungsgelder angefordert und genutzt werden, was uns als GGB aber nur am Rande interessiert.

Wir beziehen uns ausschließlich auf geprüfte und auf dem Markt erhältliche Glasfasern und Glasfaserkabel, die einen Einsatz über viele km möglich macht und deren Verwendung in Multiplexern auf Grundlage des geprüften Einsatzes in der Datenübertragungstechnik als wegweisend bezeichnet werden kann.

Auf der anderen Seite haben wir in der Vergangenheit ausreichend und Umfassend in der Anwendung der Systeme mitgeforscht und unser Kompetenznetzwerk im vollen Umfang weltweit erweitert.

Lichtwellenleiter werden in der Regel als Faser zusammen mit Cladding und Coating als Rohfaser und verschiedensten mechanischen Eigenschaften ausgeliefert.

Als direkt messender Dehnungssensor ist ihr "roher" Einsatz und Anbindung nicht nur ungewöhnlich, sondern kann aufgrund seiner Dimensionen auch effizient und architektonisch unsichtbar in öffentlichen Sichtbereichen angewendet werden. Auch eignet sich eine Faser unter gewissen Randbedingungen auch in Einbindung von Laminaten und Kompositmaterialien in modernsten Baustoffen.

Vorausgesetzt, der Einbau wird durch ein erfahrenes und geschultes Team vorgenommen, die das notwendige Feingefühl im Umgang einer "rohen" Faser aufbringen können stellt sich die Montage als unkomliziert und Unmittelbar dar. Verbundmatierialen und Kunstharze können auf Grundlage ihrer Eigenschaften für ihre Verwendung und MEssziel angepasst ausgewählt und eingesetzt werden.

Eine umfassende Fehlerbetrachtung der gesamten Instrumentierung ist demnach nach GUM möglich und macht dieses Messsystem zu einem unverzichtbaren Instrumentarium klar definierter Zustände.

Für den nachträglich Schutz gegen Mechanik- und Umwelteinflüsse sind Laminiertechniken zur Aussteifungen und Technologieanwendung des Housing notwendig.

Diese Anwendungstechnik kommt maßgeblich aus dem Flugzeug- und Schiffsbau und müssen erst noch ihren Weg in den Ingenieurbau finden. Was für uns kein Problem darstellt.

Das ist ein Schwerpunkt der GGB GmbH mit einem umfassenden Erfahrungsschatz machen wir das kostengünstig und geringster Ausfallwahrscheinlichkeit möglich. Nur mit diesem seit Jahrzehnten gewonnenen Wissen können die eingesetzten Messverfahren, die von der Anbindung der Faser am Bauwerk selbst gesichert angewendet werden.

Kabelhersteller bieten aus verschiedenen Bereichen, Faserbündel oder Einzelfasern auch mit Schutzhülle und Schutzmantel in verschiedener Konfiguration und Eigenschaften an, die ausreichend mechanischen Schutz gegen Zerstörung durch den unbestimmten und besonderen Einsatz auf einer Baustelle bietet.

Messfasern werden schon lange und gebräuchlicher Weise  innerhalb von Hochseekabeln verwendet, dass sich die hervorragenden Eigenschaften und Informationsgehalt als Messfaser zur Langzeitüberwachung der Kabel in der Tiefsee zu Nutze macht.

Glasfaserkabel stehen in ihren Verlegeeigenschaften und Sicherheitsnormen einem Elektrokabel mit nichts nach.

Sie können aufgrund ihrer hohen Flexibilität und Bruchdehnung von bis zu 4 % auch direkt im Betonkörper auch ohne Schutzrohre eingebaut und verlegt werden.

Ihre Lebenserwartung ist als Kommunikationsmedium der Zukunft nicht beschreibbar... übertrifft aber mit Sicherheit alle Erwartungen elektronischer Sensoren der Gegenwart.

Steckverbinder und Glasfaservernetzung

Wir unterscheiden zwei typische Steckverbinder, die in der Glasfasermesstechnik zum Einsatz kommen:

Im Labor:          E 200 Steckverbindungen
Im Feldeinsatz: F SMA Steckverbindungen mit Schrägschliff

Für Sonderanwendungen in besonders rauher Umgebung wie Hochsee oder im Bereich Bergbauinstrumentierung sind auch Steckverbindungen
in "Militärnorm" erhältlich.

Über den Einsatz solcher
Kostenintensiver Stecker wird im Besonderen
durch uns als Fachfirma beraten.

 

In der Regel lassen sich Schutz-
mechanismen zum Einsatz von
SMA Verbindungen empfehlen.

Diese werden bei uns konfektioniert.

Der Anschluss von Steckern oder Spleißen von Pigtails ist Voraussetzung für eine Vernetzung umfassender Installationen. Diese können auch von erfahrenen Netzwerkspezialisten oder Kommunikationstechnikern durchgeführt werden.

Rohe Glasfasern werden gebräuchlicher Weise mit einem Spleißverbindung miteinander verschweißt und verbunden.

Ein Spleiß muss gegen mechanische und umwelttechnische Einflüsse besonders vor Beschädigung geschützt werden und stellt eine natürliche Schwachstelle dar, wenn sie nicht ordnungsgemäß durchgeführt und dokumentiert wird. Ein besonderer Schutz vor Wassern und mechanischen Beschädigung ist in der Regel notwendig, so dass klassische Schutzmaßnahmen aus der Netzwerktechnik nicht als baustellegerecht angesehen werden können.

Der Spleiß ist ein außerordentliches Qualitätsmerkmal einer Vernetzung von Lichtwellenleitern, die sich in einer minimalen Dämpfung des Lichtsignals widerspiegelt wenn der Spleiß ordnungsgemäß ausgeführt wurde.

Spleißen sollte man nur in sauberen und trockenen Räumen, deshalb ist es notwendig das Baustellenapplikationen im Werk wie bei uns in der GGB, vorbereitet werden. Verlangen sie Qualitätsnachweise sie sind bei analogen Messverfahren unerlässlich.

Für Speiße vor Ort steht Ihnen bei uns ein voll klimatisierter Glasfaser-Sauberraum-Kleinbus zur Verfügung. Sie erkennen ihn auf ihrer Baustelle an der Beschriftung: "fiberoptics.one GGB"

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Eine Vernetzung erfolgt in der Regel durch Reihenschaltung der Messaufnehmer in einem Glasfaserstrang oder optischen Umschaltern (Multiplexern). Beachten Sie bitte, das nicht jedes Messverfahren beide Verfahren unterstützt.

Made in Saxony

Stand: 13.03.2018

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