Spezielle Sensorsysteme für Monitoringaufgaben

Bauhaus-Universität 

Weimar 

Spezielle Sensorsysteme 

für 

Monitoringaufgaben 

Einleitung 

Interferometrische Messsysteme 

Faseroptische Verfahren 

Raumverfahren 

Multisensorsysteme 

Geosensornetze 

Prof. Dr.-Ing. Willfried Schwarz 

Ausblick / Resümee 

Bauhaus-Universität Weimar 

Fakultät Bauingenieurwesen 

Professur Geodäsie und Photogrammetrie 

99423 Weimar, Marienstraße 9 

Tel.: 03643/584530, Fax: 03643/584534 

9. Jenaer GeoMessdiskurs 2011: Spezielle Sensorsysteme für Monitoringaufgaben, E-Mail: willfried.schwarz@uni-weimar.de 

am 21.06.2011

Quelle: Stempfhuber, W.: Geodätische Monitoringsysteme – 

Stand der Technik und Abgrenzung der gegenwärtigen Systeme. 

In: DVW-Schriftenreihe Band 59/2009: Zeitabhängige Messgrößen 

– Verborgene Schätze in unseren Daten, Seite 181-191. 

Einleitung 

Komponenten geodätischer Monitoringsysteme 

spezielle Sensorsysteme 

Leistungspotenziale 

Ausblick auf neuere Entwicklungen 

9. Jenaer GeoMessdiskurs 2011: Spezielle Sensorsysteme für Monitoringaufgaben, am 21.06.2011 

2

geodätische Messgrößen 

• Abstand und Länge 

• Richtung und Winkel 

• Neigung 

• Höhenunterschied 

• Geradheit und Ebenheit 

• Optical Tooling 

• Position 

• Navigation 

geotechnische Messgrößen 

• Änderung von Riss- und 

Fugenöffnungen 

• . . . 

g e o m e t r i s c h e G r ö ß e n 

Messgrößen 

• Geschwindigkeit 

• Beschleunigung 

• Schwingung 

• Dehnung 

• Kraft 

Zeitbereich 

• statisch 

• kinematisch 

• Echtzeit 

Hierbei wird Echtzeit in dem Sinne verstanden, 

dass eine bestimmte Messung 

einschließlich ihrer Auswertung innerhalb 

eines bestimmten Zeitraums ausgeführt 

sein muss, bevor eine bestimmte Zeitschranke 

erreicht ist. 


3

Messsensoren 


4

Bekannte Verfahren 

Triangulation 

Laufzeitmessung 

Phasenmessung 

Pseudo-Noise-Modulation 

zweidimensionale optische 

Modulatoren/Demodulatoren 

Polarisationsmodulation 

interferometrische Verfahren 

kohärente Strahlung 

Weißlichtinterferometrie 

Distanzen (-änderungen) 

berührungslose 

Distanzmessung 


5

Winkelmessung 

Geschwindigkeitsmessung 

Geradheitsmessung 

Ebenheitsmessung 

Laserinterferometrie 

Längenmessung 

Interferometer Reflektor 

Phasendifferenz = 0° Phasendifferenz = 180° 

0,6 um 

Verstärkung Auslöschung 

Messbereich und Genauigkeit: 

Distanzmessung: bis zu 30 m 

Genauigkeit: µm (Auflösung 10 nm) 

Einfluss der Atmosphäre 

Messfrequenz: 1 kHz und mehr 

Schwingungsmessungen 


6

Verformungs- und Schwingungsmessungen an Brücken 

Messaufbau 

Vibrometer 

reflektorlos 

Vorteile 

interferometrischer Messungen: 

• hohe Messgenauigkeit (

Amplitude in mm 

1.25 

1 

0.75 

0.5 

0.25 

Schwingungsmessungen an Brücken 

Fußgängerbrücke Erfurt 

Fourier-Frequenz-Spektrum (Messepoche 3) 

2.62 

0 

0 2 4 

Frequenz in Hz 

6 8 


Messwerte (Messepoche 3) 

-10 

0 20 40 60 

Zeit in Sekunden 


Höhenänderung in mm 

Höhenänderung in mm 

10 

7.5 

5 

2.5 

0 

-2.5 

-5 

-7.5 

10 

7.5 

5 

2.5 

0 

-2.5 

-5 

-7.5 


Messwerte (Ausschnitt) 

-10 

8 9 10 


11 12 

Die Auswertung erfolgte mit dem Programm 

AutoSignal 1.6 der Firma Systat Software 

Quelle: Engelhaupt (2005) 

8

Verformungsmessungen an einer Eisenbahnbrücke 

Verformung in Millimeter 

0,5 

0,0 

-0,5 

-1,0 

-1,5 

-2,0 

-2,5 

1. Wagen 2. Wagen 3. 

0 2 4 6 8 10 12 14 16 



Lokomotive 

9

Abstandssensor – chromatische Aberration 

Messbereich: 0,6 mm 

Auflösung: 20 nm 

Messfrequenz: 2000 Hz 

Messfleckgröße: 4 µm 

Messköpfe mit anderen 

Kenndaten sind verfügbar. 


10

Weisslichtinterferometrie zur 

Kalibrierung von Endmaßen 

Quelle: Schröder, G.; Treiber, H. (2002) 

Weisslichtinterferometrie 

Weisslichtinterferometrie 

Kohärenzlänge: nur wenige µm 

Interferenzkomparator nach Vaisälä 

Quelle: Deumlich, F.; Staiger, R. (2002) 


11

Längenänderungen - absolut (faseroptisch gemessen) 

Quelle: Koch, A.; Ulrich, R. (1991), 

Inaudi, D. u. a. (1994), 

Inaudi, D. (1999), 

Habel, W.; Brunner, F. (2011) 

Messungen im Innern 

der Bauwerke bzw. 

der Bauteile möglich! 

• Beliebig viele Fasern können mit einem Gerät 

nacheinander gemessen werden 

• Messzeit pro Faser < 7 Sekunden 


12

Anwendung: Hangbrücke beim Schladming 

Grundriss der ausgebauten Straße. 

Die 143 m lange und 45 cm dicke Betondecke 

(hellgrau) wird von 30 Bohrpfählen 

(blau) getragen. Temperaturen 

und Spannungen werden in 3 Messprofilen 

(MP1 bis MP3, rot) aufgezeichnet. 

Quelle: Flyer „Projekt Brückenüberwachung mit eingebettenen faseroptischen 

Sensoren“. TU Graz, www.cis.TUGraz.at/ivm 

Schematische Darstellung des Messprofils 3 


13

Mikrowelleninterferometrie 


14

Mikrowelleninterferometrie 

Quelle: Rödelsperger, S. u.a.: Terrestrische Mikrowelleninterferometrie 

– Prinzip und Anwendungen. In: Allgemeine 

Vermessungs-Nachrichten 117(2010)10, Seite 324-333 


15

Faser-Bragg- 

Gitter: 

Messung von 

Temperatur 

oder 

Dehnung 

Spektrometer 

Es können mehrere Gitter in einer 

Faser eingebracht werden. 

Schema eines Faser-Bragg-Gitters 

breitbandiges 

Eingangs-Licht 

reflektiertes 

Licht 

Relationen: 

UV Laser-Licht 

Gitter-Periode ( λ = 0,5 µm) 

∆λ = 1 pm ∆T = 0,14 K 

∆λ = 1 pm ∆L/L = 1,5 x 10 -6 

Messzeit für 16 FBG in einer Faser: 

< 1 Sekunde 

Phasenmaske/ 

Interferenzstreifen 

photosensitiver Faserkern 

(Durchmesser ca. 10 µm) 

transmittiertes 

Licht 

Anwendungen: 

• Dehnungsmessungen im Material möglich 

• Verformungsmessungen mit 

Deflektometersonde 


Faseroptische 

Deflektometersonde 

Ramandiffusion 

Brillouin-Streuung 

Fabry-Pérot-Interferometer 

16

Prinzip: 

Ramandiffusion 

Faseroptische Temperaturmessung 

Quelle: Vogel, B. u.a. (2011): Die verteilte faseroptische Temperatursensorik – 

Allgemeine Grundlagen und Beispiele für die Anwendung in der Praxis. 

In: Allgemeine Vermessungs-Nachrichten (AVN) 118(2011)7 

Zeitliche Entwicklung der Temperaturverteilung 

im Bereich einer undichten Bohrlochkomplettierung 

nach der Entlastung des Ringraums 


17

Elektronische Servotachymeter (Phasenvergleichsverfahren) 

Autom. Zielerfassung 

Messbereiche und Genauigkeiten: 

Richtungsmessung: 0,2 mgon = 0,2 mm auf 50 m 

Distanzmessung: 

auf Prismen bis zu 1000 m 1 mm + 2 ppm 

ca. 3-10 Messungen/Sekunde (Wiederholungsmessungen) 

reflektorlos bis zu 100 m (300 m) 2 - 5 mm 

Einheitlicher Raumbezug wird durch 

ein übergeordnetes Koordinatensystem 

nach Lage und Höhe hergestellt! 

Anwendungen: 

on-line 


reflektorlos 

kinematisch Messbasisfreies Messsystem 

18

Anwendungen: reflektorlose Distanzmessung 

Quelle: Wunderlich, T. u. a.: Schadenserkennung 

an einer Spannbetonbrücke durch reflektorlose 

Deformationsmessungen. 

Quelle: Wunderlich, T.: Geodätisches Monitoring – ein 

fruchtbares Feld für interdisziplinäre Zusammenarbeit. In: 

Vermessung & Geoinformation 1+2/2006, Seite 50-62. 


Verformung in mm 

0,0 

-10,0 

-20,0 

-30,0 

-40,0 

-50,0 

-60,0 

-70,0 

Dez 02 

20 m 

Jan 03 

Mrz 03 

Mai 03 

Jul 03 

Sep 03 

Nov 03 

Jan 04 

Mrz 04 

Mai 04 

Jul 04 

Sep 04 

Nov 04 

Jan 05 

Mrz 05 

Zeit 

Mai 05 

Jul 05 

Sep 05 

Nov 05 

Jan 06 

Mrz 06 

Mai 06 

Jul 06 

Sep 06 

Nov 06 

Jan 07 

Mrz 07 

Mai 07 

Jul 07 

19

Hochgeschwindigkeits- 

Phasenvergleichs- 

Laserscanner Z+F Imager 5010 

Terrestrisches Laserscanning 

• Reichweite 187 m 

• 1 Million Punkte/Sekunde 

• wählbare Auflösungsstufen 

• Sichtbereich 320°x 360° 

• Gewicht: 10 kg, 170 mm x 286 mm x 395 mm 

• Drehfrequenz des Spiegels: 50 U/s 

• Strahldivergenz

Terrestrisches Laserscanning 


21

Handscanner 

zSnapper der Firma 

ViALUX gmbH 

Handscanner (Lichtschnittverfahren) 

• Messfeld: 350 mm (Diagonale DIN A4) 

• Aufnahmezeit: 22 ms (handgehlaten) 

200 ms mit Stativ 

• Auflösung in der Entfernung: 0,02 – 0,05 mm 

• 3D-Bildrate: 46 Hz 

• 300 000 Objektpunkte (x, y, z) 

• Abmessungen: 230 mm x 130 mm x 115 mm 

• Gewicht: 2,3 kg 


22

Lasertracker mit Handtaster und Handscanner 


23

X 

Digitale Industriephotogrammetrie (punktuell) 

Z 

P i 

P ij 

O j 

Y 


24

Messfeld- 

größe 

Digitale Photogrammetrie (punktuell) 

Std.abw. der 

Punktabstände 

AiF-Projekt „Brettschichtholz“ 

Std.abw. der 

Dehnungen 

Punktabstand 

10 mm 20 mm 

300 mm 0,6 µm 0,006 % 0,003 % 

600 mm 1,6 µm 0,016 % 0,008 % 

relative Genauigkeit: 

1 : 312 500 = 3,2 · 10 -6 

Die Standardabweichungen der 

Punktabstände sind im ganzen 

Modell gleich. 


Flachprofilrahmen 

25

Digitale Photogrammetrie (flächenhaft) 

elektronische Speckle Pattern Interferometrie (ESPI) 

System ARAMIS der Firma GOM, Braunschweig 

Hologrammplatte 


Referenzwelle 

Objektwelle 

Spiegel 

Objekt 

26

Quelle: Müller, T.; Schwendemann, J.: iGPS – ein vielseitiges 

Messsystem hoher Genauigkeit. In: Allgemeine Vermessungs- 

Nachrichten 116(2009)4, Seite 146-157. 

iGPS 

Quelle: Depenthal, C.: Die kinematische Leistungsfähigkeit des 

iGPS. In: Allgemeine Vermessungs-Nachrichten 118(2011)? 


27

Fahrzeug 

• Odometer 

• L1 GPS Receiver 

• Accelerometer 

• Gierratensensor 

Geodätischer L1/L2 

GPS-Empfänger 

Integration und Fusion von Laserscannern 

mit weiteren Sensoren 

vernetzte Systeme 

(z. B. Geosensornetze) 


Imager 5006 

System 

VRS 

Kreisel 

Quelle: Kutterer (2006) 


X 

Z 

P i 

P ij 

O j 

Y 

Inclinometer 

SwissRanger 

DGPS-Empfänger 

digitale 

Photogrammetrie 

28

Quelle: Universität der Bundeswehr München 


Quelle: Neuhierl (2005) 


Quelle: Kutterer (2006) 

29

Scanner 

Kamera 

Spurweitenmessung 

Swiss Trolly – modulare Multisensorik 

Funk 

Positionierung 

(GPS/Tachymeter) 


Thermometer 

Quelle: Ingensand (2007) 

DatenerfassungNeigungssensoren 

Odometer 

30

Quelle: Hitachi 

Quelle: 

Bill, R.: Ad hoc wireless 

Geosensor Networks (GSN) 

Geosensornetze 

Quelle: 

Heunecke, O.: Geosensornetze im Umfeld der 

Ingenieurvermessung. In: Forum, Seite 357- 364. 


Quelle: 

Bill, R.: Ad hoc wireless 

Geosensor Networks (GSN) 

31

Einzelsensoren für 

Wegänderungen 

Abstand 

Temperatur, Luftdruck, Luftfeuchte 

Neigung 

Kraft 

kleiner, preiswerter, leistungsfähiger 

direkt ans Internet anschließbar 

(Kabel oder Funk) 

intelligente Sensoren 

RFID-Sensorik 

batteriefreie Sensortechnik 

(in der Entwicklung) 

Ausblick: Miniaturisierung von Einzelsensoren 

MEMS = 

Micro Electro Mechanical Systems 


32

Resümee 

Vielen Dank 

für Ihre 

Aufmerksamkeit. 


33

Spezielle Sensorsysteme für Monitoringaufgaben

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