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Neues Alarmglas: Faser-Bragg-Gitter erkennt jeden Einbruchsversuch

Sicherheitsglas löst erst Alarm aus, wenn es bricht. Forscher haben auf Basis eines Faser-Bragg-Gitters eine Glasscheibe konzipiert, die auch bei einer versuchten Manipulation durch Bohrer oder Schneidbrenner aufgrund der Temperaturänderungen als auch Erschütterungen in Echtzeit Alarm auslöst.

Demonstrator einer faseroptischen Alarmanlage mit Faser-Bragg-Gitter (Foto: Fraunhofer INT / Fraunhofer IPMS)

Demonstrator einer faseroptischen Alarmanlage mit Faser-Bragg-Gitter (Foto: Fraunhofer INT / Fraunhofer IPMS)

Sicherheitsglas wird eingesetzt, um vor Einbruch oder vor Verletzungen bei Glasbruch zu schützen. Beim Einbruchschutz besteht jedoch der Nachteil, dass die Scheibe erst brechen muss, damit der Glasbruchmelder Alarm auslöst. Denn herkömmliches Sicherheitsglas ist mit Metallfäden ausgerüstet, die erst bei einer mechanischen Beschädigung reißen und somit den Alarm aktivieren.

Wird das Sicherheitsglas beispielsweise durch einen Schneidbrenner oder lokal mit einem Bohrer beschädigt, reagieren konventionelle Anlagen gar nicht oder zu spät. Diesen Umstand machen sich Einbrecher zunutze und verwenden anstelle eines Hammers einen Bohrer oder Gasbrenner.

Forscher am Fraunhofer-Institut für Naturwissenschaftlich-Technische Trendanalysen INT und am Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme IPMS haben daher gemeinsam einen intelligenten Einbruchschutz auf Basis eines Faser-Bragg-Gitters patentieren (DE102011003073B4) lassen, der thermische und mechanische Belastungen durch äußeres Einwirken zeitnah und dynamisch erfasst. Bereits ein leichter Schlag gegen das Sicherheitsglas oder die Manipulation durch eine Flamme reicht aus, um den Alarm auszulösen.

Die Überwachung der Glasscheibe basiert auf einem Glasbruchsensor, der durch ein Faser-Bragg-Gitter, also in Lichtwellenleiter eingeschriebene optische Interferenzfilter, in einer Glasfaser realisiert wird. Der Sensor mit Faser-Bragg-Gitter ist ein optischer Sensor, der eine spezifische Wellenlänge des Lichts reflektiert, die durch Temperatur- und/oder Dehnungsabweichungen verändert wird. Durch Gewalteinwirkung ändert sich diese Wellenlänge und der Sensor löst Alarm aus.

Dabei werden einzelne Linien mittels UV-Licht in die Glasfaser eingeschrieben. In dem Faserkern entsteht eine periodische Modulation des Brechungsindex, mit hohen und niedrigen Brechungsindexbereichen, die das Licht einer bestimmten Wellenlänge reflektiert (Bandsperre). Dieses reflektierte Licht in Singlemodefasern ergibt sich durch die Bragg-Bedingung: λ = 2 n Δ, wobei Δ den Abstand der Gitterelemente beschreibt und n der Brechungsindex ist.

Trifft nun Licht auf das FBG, wird es durch Interferenz am FBG gebeugt (Reflexion). In Transmission ist an dieser Stelle des eingekoppelten Messlichts dementsprechend eine Lücke. Ändert sich der Abstand der Gitterelemente am Gitter nun durch den Einfluss von Erschütterung oder Wärme, so ändert sich auch λ. Diese Änderung kann man mittels eines empfindlichen optischen Messgerätes erfassen.

Das neuartige Alarmglas besteht aus einem Bragg-Gitter, einer Glasfaserzuleitung, einer Schnittstelle zur Alarmanlage und einer Auswerteelektronik, die das optische Messgerät enthält. Die Glasfaser kann in der Ecke der Fensterscheibe oder an anderen Positionen eingebracht werden. Die Auswerteeinheit, an die sich unterschiedliche Glasfasern anschließen lassen, wird im Rahmen der Fensterscheibe verbaut werden. Die Auswerteeinheit kann sich auch in großer Entfernung von dem Sicherheitsglas befinden, da das Faser-Bragg-Gitter in der Lage ist, Licht in der Glasfaser auch über mehrere Kilometer zu transportieren.

Übt jemand Druck auf die Glasscheibe aus oder wird sie erhitzt, ändert sich der Abstand der Gitterelemente zueinander und somit auch die übertragene Wellenlänge. Diese Änderungen können empfindliche optische Messgeräte erfassen. Sind die Veränderungen größer als ein vorher identifizierter Schwellenwert, werden Signale an die Alarmanlage übermittelt. Das System kann zudem sehr fein und gezielt eingestellt werden, es kann sowohl auf leichte als auch auf starke Schläge reagieren. Das lässt sich je nach Anwendungsfall individuell anpassen.

Ein weiterer Vorteil des Fraunhofer-Systems: Glasfasern sind resistent gegenüber elektromagnetischen Störungen. Elektronik lässt sich zum Beispiel durch das Aussenden von Mikrowellen stören. Deren Impulse können herkömmliche Alarmanlagen außer Kraft setzen oder einen ungewollten Alarm erzeugen. Außerdem schließt eine Mustererkennung Fehlalarme durch alltägliche Erschütterungen aus. Denn ein Fußball oder ein Vogel hinterlassen eine andere Signatur als ein Hammer oder ein Baseballschläger.

Glasfasersensoren mit Faser-Bragg-Gitter haben aber nicht nur Vorteile in Anwendungen von Sicherheitsglas, es eignet sich beispielsweise auch zum Überwachen von Brücken, Gebäuden, Rohrleitungen, tragenden Strukturen in der Luft- und Raumfahrt sowie Windkraftanlagen. Anwendungen faseroptischer Messtechnik mit Interferenz-Filtern sind aber auch in der Elektromobilität gefragt, da das rein optische Messprinzip ein sehr gutes Isolationskonzept gegenüber Hochspannung bietet und komplett immun gegen elektromagnetische Störungen (EMV) sind.

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"Neues Alarmglas: Faser-Bragg-Gitter erkennt jeden Einbruchsversuch" wurde am 16.08.2019 verfasst