Faseroptische Sensorik

Faseroptische Sensorik nutzt Licht als Informationsträger, um physikalische Größen zu erfassen. Dabei werden optische Signale durch eine Glasfaser geführt. Ändern sich entlang der Faser oder an ihrem Ende äußere Einflüsse wie Temperatur, Dehnung, Druck oder Vibration, verändern sich messbare Eigenschaften des Lichts – etwa Intensität, Phase, Wellenlänge, Streuverhalten oder Polarisation.

Der entscheidende Vorteil: Die Glasfaser selbst wird zum Sensor. Sie ist elektrisch isolierend, immun gegenüber elektromagnetischen Störungen, korrosionsbeständig und für extreme Umgebungen geeignet. Dadurch eignen sich faseroptische Messsysteme besonders für Anwendungen in Hochspannungsumgebungen, explosionsgefährdeten Bereichen, der Energietechnik, industriellen Anlagen oder sicherheitskritischen Infrastrukturen. Durch den geringen Durchmesser ist sie außerdem flexibel integrierbar, z. B. in Kupferspulen von E-Motoren oder Komposit-Laminaten von Windrotoren.

Je nach Messaufgabe kommen unterschiedliche physikalische Effekte zum Einsatz. Einige Sensoren messen an einem definierten Punkt, andere erfassen mehrere diskrete Messstellen entlang einer Faser, während sogenannte verteilte Verfahren ein kontinuierliches Profil über viele Kilometer ermöglichen. Grundlage sind dabei etablierte optische Prinzipien wie Interferenz, Wellenlängenverschiebung oder Lichtstreuung.

Faseroptische Sensorik verbindet somit die physikalische Präzision der Photonik mit der Robustheit industrieller Messtechnik – und eröffnet Lösungen dort, wo klassische elektrische Sensorik an ihre Grenzen stößt.

Faseroptische Sensoren lassen sich unter anderem nach Art der Messwerterfassung entlang der Faser einteilen. Diese Orientierung an der Messaufgabe orientiert ist besonders praxisnah.

Diese drei Kategorien bilden den strukturellen Rahmen für die unterschiedlichen physikalischen Messprinzipien, die im nächsten Abschnitt näher erläutert werden.

3.1.2 Interferometrische Sensoren (z. B. Fabry-Pérot)

Interferometrische Sensoren basieren auf der Änderung der optischen Weglänge. Zwei reflektierende Flächen bilden eine Kavität. Verändert sich deren Abstand durch Druck, Dehnung oder Temperatur, verschiebt sich das Interferenzmuster des reflektierten Lichts. Diese Phasen- oder Intensitätsänderung wird hochpräzise ausgewertet.

Typische Messgrößen: Druck, Dehnung, Temperatur, akustische Signale

Stärken: Sehr hohe Auflösung und Dynamik

Typische Anwendungen: Hochdruckmessung, Medizintechnik, Schwingungsanalyse

3.1.3 Fluoreszenz- bzw. Phosphorbasierte Sensoren

Hier wird ein temperaturabhängiges lumineszierendes Material am Sensorkopf optisch angeregt. Änderungen in Intensität, Spektrum oder Lebensdauer der Fluoreszenz liefern das Messsignal. Die Faser dient lediglich als Lichtleiter.

Typische Messgröße: Temperatur

Stärken: Elektrisch isoliert, robust gegenüber EMV

Typische Anwendungen: Industrieanlagen, medizinische Anwendungen

3.1.4 Polarimetrische Sensoren

Diese Sensoren nutzen Änderungen des Polarisationszustands von Licht in einem magnetooptischen Material. Ein externes Magnetfeld – beispielsweise das Feld eines stromdurchflossenen Leiters – bewirkt eine Drehung der Polarisation des Lichts. Aus dieser Polarisationsänderung kann die magnetische Feldstärke und damit indirekt der elektrische Strom bestimmt werden.

Typische Messgrößen: Strom, Magnetfeld

Stärken: Berührungslos, hochspannungsfest

Typische Anwendungen: Energieübertragung, Netzüberwachung

3.2.2 Gemultiplexte interferometrische Sensoren

Mehrere interferometrische Sensorköpfe können über spektrale oder zeitliche Multiplexverfahren an einer Faser betrieben werden. Die Auswertung erfolgt über interferometrische Demodulation, etwa mittels Weißlicht-Interferometrie.

Typische Messgrößen: Druck, Dehnung, akustische Signale

Stärken: Sehr hohe Auflösung an mehreren definierten Messstellen

Typische Anwendungen: Spezialanwendungen mit wenigen hochpräzisen Messpunkten

3.3.1.1 Rayleigh-OTDR (z. B. Distributed Acoustic Sensing – DAS)

Bei OTDR-basierten Systemen werden kurze Laserimpulse in die Faser eingespeist. Die Laufzeit des rückgestreuten Signals liefert die Ortsinformation entlang der Faser.

Typische Messgrößen: Vibration, akustische Signale, dynamische Dehnung

Stärken: Ereigniserkennung über viele Kilometer, vollständiges Dehnungs- oder Temperaturprofil entlang der Sensorfaser

Typische Anwendungen: Pipelineüberwachung, Perimeterschutz, Infrastrukturmonitoring

3.3.1.2 Rayleigh-OFDR (Distributed Strain/ Temperature Sensing)

OFDR-Systeme verwenden einen frequenzmodulierten Laser und analysieren das spektrale Rayleigh-Streumuster der Faser. Dieses Muster ist für jede Faserstelle einzigartig. Veränderungen durch Dehnung oder Temperatur verschieben das lokale Streuspektrum und können hochauflösend ausgewertet werden.

Typische Messgrößen: Dehnung, Temperatur

Stärken: sehr hohe Ortsauflösung (mm – cm-Bereich), hohe Sensitivität, kontinuierliches Messprofil entlang der gesamten Faser

Typische Anwendungen: Bauwerksüberwachung, Strukturtests, Faserverbundstrukturen, Materialtests

3.3.2 Raman-basierte verteilte Temperaturmessung (DTS)

Raman-Streuung ist temperaturabhängig. Das Verhältnis von Stokes- zu Anti-Stokes-Komponenten des rückgestreuten Lichts ermöglicht die ortsaufgelöste Bestimmung der Temperatur entlang der gesamten Faser.

Typische Messgröße: Temperatur

Stärken: Große Reichweiten (mehrere Kilometer), robuste Temperaturprofile

Typische Anwendungen: Kabelüberwachung, Tunnel, Energietechnik

3.3.3 Brillouin-basierte verteilte Temperatur- und Dehnungsmessung (DTSS)

Bei der Brillouin-Streuung wechselwirkt das Licht in der Faser mit akustischen Gitterschwingungen im Glas, sogenannten akustischen Phononen. Diese mikroskopischen Schallwellen im Material verändern den Brechungsindex und führen zu einer kleinen Frequenzverschiebung des gestreuten Lichts. Da diese Verschiebung von Temperatur und Dehnung abhängt, können beide Größen entlang der Faser gemessen werden.

Typische Messgrößen: Temperatur und Dehnung

Stärken: Kombination zweier Messgrößen, große Reichweiten

Typische Anwendungen: Bauwerksmonitoring, Geotechnik, Energieinfrastruktur

DAS – Distributed Acoustic Sensing
Verteiltes faseroptisches Messverfahren auf Basis der Rayleigh-Streuung zur Erfassung von Vibrationen und akustischen Signalen.

DFOS – Distributed Fiber Optic Sensing
Oberbegriff für faseroptische Messverfahren, bei denen eine Glasfaser über ihre gesamte Länge als Sensor genutzt wird.

DSS – Distributed Strain Sensing
Verteiltes Messverfahren zur Bestimmung von Dehnung. Es basiert typischerweise auf Rayleigh- oder Brillouin-Streuung und wird häufig in der Bauwerks- und Infrastrukturüberwachung eingesetzt.

DTS – Distributed Temperature Sensing
Verteilte Temperaturmessung entlang einer Glasfaser.

DTSS – Distributed Temperature and Strain Sensing
Verteilte Messung von Temperatur und Dehnung entlang einer Glasfaser, häufig auf Basis der Brillouin-Streuung.

FBG – Fiber Bragg Grating (Faser-Bragg-Gitter)
Periodische Modulation des Brechungsindex in einer Glasfaser, die eine spezifische Wellenlänge reflektiert. Wird zur Messung von Dehnung und Temperatur verwendet.

OFDR – Optical Frequency Domain Reflectometry
Messverfahren zur hochauflösenden ortsaufgelösten Analyse der Rayleigh-Rückstreuung entlang einer Faser.

OTDR – Optical Time Domain Reflectometry
Messverfahren, bei dem kurze Lichtimpulse in eine Faser gesendet und das zeitaufgelöste Rückstreusignal analysiert wird.