Laser-Distanzsensoren bei der Strukturüberwachung unter und über der Erde

Monitoring für Tunnel und Brücken

Anwendungen, bei denen für Postionier-, Vermessungs- oder Überwachungsaufgaben große Distanzen mit hoher Genauigkeit und möglichst schnell gemessen werden sollen, gibt es viele. Laser-Distanzsensoren, die Entfernungen von 0,05 bis zu 500m auf den Millimeter genau und schnell erfassen, sind dann meist die richtige Wahl. Bewiesen haben sie das bei der Überwachung von Tunnelgewölben oder beim Brückenmonitoring
Aufbau der Cloud-Lösung zum Brückenmonitoring.
Aufbau der Cloud-Lösung zum Brückenmonitoring. Bild: Welotec

Klassischerweise messen Laser-Distanzsensoren entweder die Lichtlaufzeit oder die Phasenverschiebung. Die Laufzeitmessung ist schnell, durch die anspruchsvolle Zeitmessung aber oft nicht ausreichend genau. Bei Distanzen von mehreren Hundert Metern liegt die Auflösung üblicherweise nur im Zentimeterbereich. Alternativ wird deshalb auch die Phasenverschiebung des reflektierten Laserstrahls gegenüber dem ausgesandten Strahl ausgewertet. Da diese entfernungsabhängig ist, lässt sich die zurückgelegte Distanz ermitteln. Diese Messung ist deutlich genauer, aber durch die aufwendigere Auswertung nicht so schnell wie die reine Laufzeitmessung. Der Schweizer Sensorikhersteller Dimetix kombiniert daher bei seinen Laser-Distanzsensoren die Vorteile beider Messmethoden, indem sowohl Laufzeit als auch Phasenversatz ausgewertet wird.

Um eine hohe Messgeschwindigkeit zu erreichen, arbeitet das Verfahren mit einer Hochfrequenzmodulation der Laseramplitude und wertet die Phasenlage und den Abstand dieser aufmodulierten Hochfrequenzsignale (Bursts) aus.
Um eine hohe Messgeschwindigkeit zu erreichen, arbeitet das Verfahren mit einer Hochfrequenzmodulation der Laseramplitude und wertet die Phasenlage und den Abstand dieser aufmodulierten Hochfrequenzsignale (Bursts) aus.Bild: Dimetix

Scharfer Blick in die Ferne

Um eine hohe Messgeschwindigkeit zu erreichen, arbeitet das Verfahren mit einer Hochfrequenzmodulation der Laseramplitude und wertet die Phasenlage und den Abstand dieser aufmodulierten Hochfrequenzsignale (Bursts) aus. Dabei wird der Laserstrahl in kurzen Abständen amplitudenmoduliert. Dadurch kann man sehr schnell die entfernungsabhängige Laufzeitverschiebung der einzelnen Pulspakete messen, aber auch die Phasenverschiebung der einzelnen Wellen zueinander innerhalb der modulierten Pakete. Die Sensoren messen deshalb schneller als normalerweise üblich und liefern auch bei großen Entfernungen genaue Werte. Abhängig vom Geräte-Typ eignen sich die Sensoren daher für Distanzen von 0,05 bis 500m und messen mit einer Genauigkeit von ±1mm bei einer Wiederholgenauigkeit von ±0,3mm. Sie messen üblicherweise auf eine speziell abgestimmte orange Reflexfolie. Bei Distanzen bis 100m gelten die Genauigkeitswerte aber auch für natürliche Oberflächen und selbst bei schwarzen Zielflächen oder direkter Sonneneinstrahlung im Außeneinsatz können die Geräte zuverlässige Messergebnisse liefern. Die Messgeschwindigkeit reicht bis 250Hz bei einer Ausgaberate von 1kHz.

 Der Laser-Distanzsensor ist an der Querstrebe montiert und misst den Abstand zur Tunneldecke.
Der Laser-Distanzsensor ist an der Querstrebe montiert und misst den Abstand zur Tunneldecke. Bild: Dimetix

Einsatz im Tunnel

Während der Bauarbeiten an einer Eisenbahninfrastruktur sind automatisierte Überwachungssysteme entscheidend, um potenziell gefährliche strukturelle Verformungen frühzeitig zu erkennen. Das Ingenieur- und Vermessungsbüro Ristag hat dafür bei einem Tunnelüberwachungssystem im Hauptbahnhof in Bern kostspielige Standard-Vermessungsgeräte durch Laser-Distanzsensoren ersetzt und das ohne Einbußen bei der Überwachungsgenauigkeit und Zuverlässigkeit.

Für das Tunnel-Monitoring werden normalerweise fest im Tunnel installierte Tachymeter verwendet. Diese Vermessungsgeräte sind in der Lage, die Position vieler am Tunnelgewölbe angebrachter Reflexionsprismen periodisch zu messen. Jedoch war bei der Baustelle in Bern die Sichtbarkeit der Tunneldecke durch Querstreben eingeschränkt. Um Verformungen dennoch präzise zu erkennen, wurde deshalb ein zweistufiges Messprinzip eingesetzt: Tachymeter messen die Position der Querstreben, während rund 20 Dimetix-Lasersensoren die Abstände zwischen Querstreben und Tunneldecke erfassen. Dadurch konnten Kosten für zusätzliche Tachymeter eingespart werden. Die Sensoren kommunizieren über eine RS485-Schnittstelle mit der Steuerung, welche die Messwerte vor Ort verarbeitet und auswertet. Alle zehn Minuten wird der Durchschnitt aus zehn Abstandsmessungen errechnet. Bei Überschreitungen der Sicherheitsgrenzwerte erhalten die Verantwortlichen automatisch eine Benachrichtigung per E-Mail oder SMS. Eine besondere Herausforderung war die wartungsfreie 24-Stunden-Verfügbarkeit der Sensoren während der Bauarbeiten, denn durch die hohe Verkehrsdichte war der Zugang zum Tunnel nur eingeschränkt möglich.

Brückenmonitoring mit Edge Computing

Brücken sind ständig der Witterung, starker Belastung und Bewegung ausgesetzt. Um eventuelle Deformationen festzustellen, bieten sich Verfahren an, die kontinuierlich Veränderungen an der Brücke messen und melden, ohne dass es durch die Prüfungen zu Verkehrsbeeinträchtigungen kommt. Basierend auf einem Laser-Distanzsensor bietet Dimetix dafür eine passende Lösung an. Der Sensor kann aufgrund seiner Genauigkeit und hohen Messrate bis 250Hz selbst kleinste Bewegungen der Brücke erkennen. Durch die große Reichweite ist zudem eine flexible Befestigung im Umfeld der Brücke möglich, was die Installation erleichtert und Kosten spart.

Die vom Sensor gesammelten Daten werden an ein Edge-Gateway übermittelt und dort verarbeitet. Durch die vollständige Cloud-Integration des Gateways in Azure IoT Hub und Azure Edge können die Daten dezentral verarbeitet sowie für Anwendungen bereitgestellt werden. Die Softwareumgebung und die im Gateway integrierte Firewall sorgen zudem für höchste Sicherheit; Anwender profitieren vom sicheren Zugriff aus der Ferne. Die in der Cloud gespeicherten Daten werden in Dashboards dargestellt und mit einem Warnsystem verknüpft. Bei einer auffälligen Messung an der Brücke wird der Betreiber automatisch informiert, kann sofort handeln und notwendige Maßnahmen ergreifen.

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