Glasfaserkabel werden in verschiedenen Instrumentierungsanwendungen eingesetzt, um Sensoren für verschiedene Arten von Messungen zu schaffen. Eine dieser Anwendungen ist die Überwachung des baulichen Zustands verschiedener Bauwerke wie Gebäude, Brücken, Tunnel usw. Der bauliche Zustand einer Infrastruktur kann als ihr physischer Zustand beschrieben werden, der ihre effektive Funktion und Lebensdauer beeinflusst. Die Überwachung des baulichen Zustands ermöglicht es, geeignete Vorkehrungen und Maßnahmen zu ergreifen, um die Sicherheit des Bauwerks zu gewährleisten und es über einen langen Zeitraum hinweg zu erhalten. Faseroptische Sensoren übertrumpfen andere mögliche Technologien, da die Glasfaser nicht nur robust ist, um rauen Umgebungen zu widerstehen, sondern auch von möglichen externen elektromagnetischen Störungen unbeeinflusst bleibt.

Bei den meisten Bauwerken aus Beton sind die wichtigsten Faktoren, die bei der Überwachung des baulichen Zustands im Gebäude selbst zu berücksichtigen sind, die Bildung von Rissen und die Ansammlung von Feuchtigkeit im Beton. Diese führen zu Spannungen und Dehnungen, die Dehnungen und Stauchungen oder Neigungs- und Verdrehungsdruckschwankungen verursachen, die die molekulare Integrität der Struktur beeinträchtigen. Faseroptische Sensoren helfen bei der Erkennung dieser Risse und der Feuchtigkeit, um die strukturelle Gesundheit dieser Bauwerke zu überwachen. Das Vorhandensein von übermäßiger Feuchtigkeit kann im Laufe der Zeit molekulare Räume in Betonplatten schaffen, in denen sich Luft ansammelt. Diese

Luftansammlung schwächt die integrale Festigkeit der Gebäudestruktur. Auch das Vorhandensein von Rissen und die Auswirkungen anhaltender Feuchtigkeit beeinträchtigen die molekulare Integrität der Struktur und machen sie anfällig für Einsturz und Zusammenbruch. Mit Hilfe von faseroptischen Sensoren können solche drastischen Folgen des Einsturzes durch eine konsequente und genaue Beobachtung von Feuchtigkeit und Rissen in der Gebäudestruktur vermieden werden.

Feuchtigkeitssensoren zur Erkennung des Feuchtigkeitsgehalts können mit Polymerfasern auf der Basis von Polyvinylalkohol-Hydrogelstäben entwickelt werden. Hydrogel dehnt sich in Gegenwart von Wasser aus, was zu Mikrobiegeeffekten an den Stäben führen kann. Dadurch wird das Senderlicht abgeschwächt und kann mit optischer Zeitbereichsreflektometrie analysiert und verarbeitet werden. Sie können auch unter Verwendung von mit Polyimid beschichteten Faser-Bragg-Gittern entwickelt werden. FBG-Sensoren beruhen auf Gittern im Inneren des Kabels, die bestimmte Wellenlängen des Lichts bei bestimmten „Bragg“-Wellenlängen reflektieren. Die mit einem ähnlichen hygroskopischen Material beschichteten Kabel quellen und biegen sich in Gegenwart von Wasser und werden zur Erkennung von Feuchtigkeit eingesetzt. Erstere werden für die verteilte Detektion eingesetzt, letztere für die Einzelpunkt-Detektion von Feuchtigkeit.

Reference: Photonic Humidity Sensor 1 and FBG Based Humidity Sensor 2

Risssensoren auf Glasfaserbasis können auf zahlreichen Technologien basieren, z. B. auf der Integration von Singlemode-Glasfaserkabeln in eine textile Netzstruktur oder auf FBG-Sensoren mit mechanischem Messgerät. Im ersten Fall überträgt die Struktur Dehnungen und Stauchungen an sich selbst, damit das Kabel Messungen durchführen kann, während im zweiten Fall ein Glasfaserkabel zusammen mit einem

FBG-Sensor verwendet werden, um Änderungen in verschobenen Strukturbausteinen zu bestimmen. Verschiedene Spannungen und Vibrationen, die Risse in der Struktur verursachen, können eine Abschwächung des Lichts bewirken, die gemessen und analysiert werden kann.

Reference: Fiber Optic Crack Sensor 3 and FBG Based Mechanical Crack Sensor 4

Faseroptische Sensoren für die Zustandsüberwachung von Bauwerken haben viele Vorteile gegenüber anderen herkömmlichen Methoden zur Überwachung von Bauwerken. Neben der Messung von Spannung, Dehnung und Druck sind Feuchtigkeit und Risse häufigere Beobachtungsmerkmale. Es gibt zahlreiche Möglichkeiten, faseroptische Technologien für diese Anwendungen zu nutzen und gleichzeitig neue Sensortypen mit verbesserter Genauigkeit und Präzision bei den Messungen oder neuere Modelle mit anderen Technologien zu entwickeln, die ganz andere Möglichkeiten der Bauwerksüberwachung bieten.

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F&E-Ingenieur bei SAMM Teknoloji

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