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Meßverfahren - Faseroptische Verformungsmessungen mittels Bragg-Gitter- Technologie

Klink, T. / Slowik, V. / Quade, J.

Im Zusammenhang mit der experimentellen Traglastermittlung bildet das Langzeitmonitoring von Bauwerken eine wichtige Komponente. Als hierfür geeignete Dehnungssensoren werden im Beitrag die relativ neuen Faser-Brigg-Gitter-Sensoren beschrieben. Zunächst werden die theoretischen Grundlagen zur Erzeugung von Bragg-Gittern dargelegt. Die hierzu aufgezeigten Formeln zeigen, daß die Dehnung nur von der relativen Änderung der Bragg-Wellenlänge und der Temperatur abhängig ist. Die Gitterkonstanten sowie die thermischen Ausdehnungskoeffizienten sind weitgehend langzeitstabil. Die den Dehnungszustand charakterisierende Größe ist eine Frequenz. Das heißt, nur die Schwingungsperiode, nicht aber die Amplitude ist von Bedeutung, so daß Dämpfungen an den Kopplungsstellen und auf dem Signalweg keine Rolle spielen. Der Sensor, der aus einer 125 Mikrometer starken Glasfaser besteht, kann aufgrund seiner äußerst geringen geometrischen Abmessungen an und in verschiedenste Materialien appliziert werden und stellt dort (z.B. in Beton) nur eine geringe Gefügestörung dar. Die Sensoren weisen eine sehr hohe elektromagnetische Unempfindlichkeit auf. Aufgrund eines geeigneten die Glasfaser umgebenden Coatings können sie gegenüber alkalischem Milieu, hoher Luftfeuchte und anderen Umwelteinflüssen resistent gemacht werden. Es ist möglich, in eine Glasfaser mehrere sich durch unterschiedliche Resonanzfrequenzen auszeichnende Sensoren einzubringen (Multiplexing-Technik), die durch ein Auswertegerät analysiert werden können. Im Rahmen der im Forschungsvorhaben EXTRA II durchgeführten Untersuchungen wurde der Spektrumanalysator Ando AQ- 6315 A verwendet, mit dem sich Bragg-Wellenlängen mit einer Auflösung von 0,005 nm bestimmen lassen. Bei experimentellen Langzeituntersuchungen ergab sich ein maximaler Fehler bei der Dehnungsmessung von nur 5 Mikrometer/m. Bei der Applikation der reiner Faser muß dafür gesorgt werden, daß diese mechanisch nicht belastet wird. Der Sensor in Verbindung mit einem Sensorträger wird vor allem verwendet, um bei neuen Bauwerken die Betondehnung mit Hilfe eines fest installierten Sensors zu überwachen. Verschiedene Applikationsarten (Sensorträger) und der Einsatz an einem Pilotobjekt (Spannbetonbrücke) werden aufgezeigt.