Faseroptisches Auslesesystem

• Fachliche Zuordnung: Bauwesen und Architektur
• Förderung: Förderung in 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 558169066

Zur Stärkung der experimentellen Grundlagenforschung und der angewandten Forschung am Fachbereich für Bau- und Umweltingenieurwissenschaften sollen faseroptische Messungen mit einem hochauflösenden faseroptischen Messsystem ermöglicht werden. Die Erfassung von Spannungen und Dehnungen in Bauteilen gehört zu der Kernanforderung experimenteller Forschung im Bauwesen und im Bauwerksmonitoring. Die Erfassung von Dehnungen im Inneren von Bauteilen oder Bodenkörpern war bisher entweder nur punktuell mittels Dehnungsmessstreifen oder unter Inkaufnahme von massiven Störungen z.B. mittels Inklinometern möglich, mit hohen Unsicherheiten behaftet (wie z.B. bei Ultraschallmessungen) oder beschränkt auf Dehnungsfelder an der Oberfläche, ermittelt mittels digitaler Bildkorrelationen. Die Methode der verteilten faseroptischen Messungen erlaubt erstmalig eine hochauflösende Erfassung von Dehnungs- und Temperaturfeldern. Entlang eines Sensors, einer optischen Messfaser, können dabei die Messdaten kontinuierlich auf Messlängen von bis zu 100 m und bei kürzeren Messlängen mit Auflösungen bis in den sub-mm-Bereich erfasst werden. Neben der Applikation auf oder in Bauteilen (z.B. Brücken, Tunnel oder Glasfassaden) können die flexiblen Messfasern auch störungsfrei direkt in Konstruktions- oder Bodenkörpern eingebracht werden und erlauben damit neue und innovative Einblicke in das Materialverhalten von Böden, Stahl, Beton, Glas und das Strukturverhalten von beispielsweise Brücken, Verkehrswegen und Sandwichelementen. Das beantragte faseroptische Auslesesystem ermöglicht die hochfrequente Auslesung und Auswertung von verteilt faseroptischen Messungen (distributed fiber optic sensing – DFOS). Die Technologie macht sich dabei verschiedene optische Phänomene zunutze, nämlich die Rayleigh- und Raman-Streuung von Licht, das durch eine optische Faser übertragen wird. Die Rayleigh-Streuung ermöglicht die Identifizierung lokaler Längenänderungen zwischen zwei aufeinanderfolgenden Messungen, die als Frequenzverschiebung innerhalb des Signals beobachtet werden. Aus dem resultierenden Streuprofil können mit den optischen Rückstreu-Reflektometern (dem „faseroptischen Auslesesystem“) die Dehnungen entlang der Faser in sehr hoher Auflösung bestimmt werden. Mittels Raman-Streuung können Temperaturänderungen entlang einer Glasfaser ermittelt werden. Sofern das Messgerät nicht die Nutzung spezieller Messfasern eines Herstellers vorschreibt, sind die optischen Fasern für DFOS sehr kostengünstig. Sie lassen sich zu hochwertigen 3D Sensoren kombinieren, so dass sehr vielfältige innovative Anwendungen mit geringen Folgekosten möglich sind. Aufgrund ihrer Flexibilität und geringen Größe können die Messfasern zudem nahezu ohne makroskopische Störung des Testkörpers in Labor- und Feldversuchen appliziert werden. Das beantragte Gerät stellt daher eine fundamentale Erweiterung der experimentellen Möglichkeiten der verschiedenen Arbeitsgruppen der TU Darmstadt dar.

• DFG-Verfahren: Forschungsgroßgeräte
• Großgeräte: Faseroptisches Auslesesystem
• Gerätegruppe: 8710 Optische Längenmeßgeräte (außer 062-067 und Meßmikroskope 503)
• Antragstellende Institution: Technische Universität Darmstadt
• Leiter: Professor Dr.-Ing. Hauke Zachert