Distributed Strain Sensing (DSS)
a precise method for detecting changes in strain
Monitoring of deformation behavior of geotechnical structures
Introduction
As part of our work since 2016 with Distributed Strain Sensing (DSS), the question arose as to whether the subcomponents of DSS, especially the sensor cables that are only millimeters thick, can withstand the harsh site conditions in special civil engineering. For this reason, in 2016 we carried out the first in-situ tests under real boundary conditions with the instrumentation and the subsequent measurements on grouted strand anchors. In 2016 and the years that followed, it quickly became apparent that the concerns associated with this were and are often unfounded. The advantage of distributed strain sensing compared to single-point measurements is the detection of high spatially resolved strains and/or compressions. This is now accompanied by the possibility of recording all hotspots without prior specification of the location. Work began in 2016 with the use of Rayleigh technology to record the expansion and compression down to the millimeter range.
The Rayleigh technology is particularly suitable when the strain behavior (e.g. in grout bodies of anchors) is decisive in the building structure to be examined. This is in contrast to the Brillouin technology. A lower spatial resolution (minimum approx. 5 cm) can be assumed here. This measuring method is completely sufficient for structures that are predominantly characterized by compression (e.g. bored piles). However, the area to be monitored is an important aspect when choosing the technology. Rayleigh technology can only be used for measuring distances of up to 100 m. With the Brillouin technology, this contrasts with measuring distances of several kilometers.
Einführung
Im Rahmen unserer Arbeit in den Jahren seit 2016 mit dem Distributed Strain Sensing (DSS) stellte sich die Frage, ob die Teilkomponenten des DSS, insbesondere die nur millimeterdicken Sensorkabel, unter den rauen Baustellenbedingungen des Spezialtiefbaus bestehen können. Aus diesem Grund führten wir im Jahr 2016 die ersten in-situ Versuche unter realen Randbedingungen bei der Instrumentierung und den folgenden Messung an Verpresslitzenankern durch. Dabei zeigte sich in 2016 und den darauf folgenden Jahren sehr schnell, dass die damit verbundenen Sorgen vielfach unbegründet waren und sind. Der Vorteil des Distributed Strain Sensing im Gegensatz zu Einzelpunktmessungen ist die Erfassung von hohen ortsaufgelösten Dehnungen und/ oder Stauchungen. Damit einher geht nunmehr mögliche Erfassung aller Hotspots ohne vorherige Spezifizierung des Ortes. Begonnen wurden die Arbeiten im Jahr 2016 mit dem Einsatz der Rayleigh-Technologie zur Erfassung der Dehnungen und Stauchungen bis in den Millimeterbereich.
Die Rayleigh-Technologie eignet sich insbesondere dann, wenn das Dehnungsverhalten (z.B. in Verpresskörpern von Ankern) in der zu untersuchen Bauwerksstruktur maßgebend ist. Im Gegensatz hierzu steht die Brillouin-Technologie. Hier ist von einer geringeren Ortsauflösung (minimal ca. 5 cm) auszugehen. Für Bauwerke welche überwiegend durch Stauchungen (z.B. Bohrpfähle) geprägt sind, ist dieses Messverfahren völlig ausreichend. Einen wichtiger Aspekt bei der Wahl der Technologie stellt jedoch der zu monitorende Bereich dar. So ist die Rayleigh-Technologie nur für Messtrecken bis 100 m einsetzbar. Dem stehen bei der Brillouin-Technologie Messtrecken von mehreren Kilometern gegenüber.
Basics of Distributed Strain Sensing (DSS)
Distributed Strain Sensing is based on the analysis of optical signals generated by the continuous coupling of a high-frequency laser pulse with the aid of a transmitter and reader unit in fiber-optic cables (optical fibers). The DSS measurement device essentially comprises a narrow-band laser, optics for coupling the laser into the fiber and for decoupling the backscattered light, as well as at least one optical receiver and digital data processing. The backscattered light signals can be used to analyze minute changes in the length of the sensor fiber with spatial resolution when the object to be monitored is deformed and the fiber is stretched or compressed. The spectrum of the backscattered light then shows a shift in the so-called Brillouin or Rayleigh wavelength. This shift has a precisely defined relationship with the stress on the fiber. Such physical length changes in fiber-optic cables are caused in particular by compression and elongation of the optical fiber. However, they are also caused by temperature influences on the optical fiber. These temperature influences may have to be calculated out of the mechanical length changes. DSS measurement makes it possible to obtain real-time information about physical length changes along the optical fiber. An essential advantage of this method compared to single point measurements is the non-specific localization of event hotspots.
Grundlagen des Distributed Strain Sensing
(DSS)
Das Distributed Strain Sensing beruht auf der Analyse von optischen Signalen, welche durch die ständiges Einkopplung eines hochfrequenten Laserimpulses mithilfe einer Sender- und Leseeinheit in faseroptischen Kabeln (Glasfasern) entstehen. Das DSS-Messgerät umfasst im Wesentlichen einen schmalbandigen Laser, Optik zur Einkopplung des Lasers in die Faser und zur Auskopplung des zurückgestreuten Lichts sowie mindestens einen optischen Empfänger und eine digitale Datenverarbeitung. Anhand der Rückstreulichtsignale lassen sich kleinste Längenänderungen der Sensorfaser ortsaufgelöst analysieren, wenn sich das zu überwachende Objekt verformt und die Faser gedehnt oder gestaucht wird. Das Spektrum des zurückgestreuten Lichts zeigt dann eine Verschiebung der sogenannten Brillouin- oder Rayleigh-Wellenlänge an. Diese Verschiebung steht in einem genau definierten Zusammenhang mit der Belastung der Faser. Derartige physikalische Längenänderungen in faseroptischen Kabeln entstehen insbesondere durch Stauchungen und Dehnungen der Glasfaser. Jedoch ebenfalls durch Temperatureinflüsse auf die Glasfaser. Diese Temperatureinflüsse müssen ggf. aus den mechanischen Längenänderungen herausgerechnet werden. Durch die DSS-Messung ist es möglich in Echtzeit Informationen über physikalische Längenänderungen entlang der Glasfaser zu erhalten. Ein wesentlicher Vorteil dieser Methode gegenüber Einzelpunktmessungen ist die unspezifische Lokalisierung von Ereignishotspot’s.