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Die Erfindung betrifft einen faseroptischen Kreisel zur Ermittlung einer Winkelbeschleunigung.
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Aus der
GB 2 121 954 A ist ein faseroptischer Kreisel bekannt. Er umfasst einen Laser zur Erzeugung eines monochromatischen Lichts, eine Faserspule mit einer optischen Faser mit einem ersten Ende und einem zweiten Ende und eine Sensorschaltung. Im bekannten Fall wird das Licht des Lasers in einen ersten Lichtstrahl und einen zweiten Lichtstrahl aufgeteilt. Der erste Lichtstrahl wird in das erste Ende und der zweite Lichtstrahl in das zweite Ende der optischen Faser der Faserspule eingespeist, so dass die Faserspule in beiden Richtungen durchlaufen wird. Aufgrund des Sagnac-Effektes verschieben sich die Phasen des ersten und zweiten Teilstrahles in Abhängigkeit von der Drehrate der Faserspule gegeneinander. Dabei ist die Winkelgeschwindigkeit oder Drehrate proportional zu der Sagnac-Phasenverschiebung. Mit einer Sensorschaltung kann die erhaltene Phasenverschiebung zwischen dem ersten und zweiten Teilstrahl ermittelt werden. Die GB 2 121 954 A verkörpert das grundlegende Konzept eines faseroptischen Kreisels.
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Ein anderes Konzept eines faseroptischen Kreisels wird in der
US 4 681 446 A beschrieben. Der faseroptische Kreisel umfasst zunächst einen Laser zur Erzeugung eines monochromatischen Lichts und eine Faserspule mit einer optischen Faser mit einem ersten Ende und einem zweiten Ende. Das Licht des Lasers wird einem Strahlteiler zugeführt, der eine Aufteilung in einen ersten und zweiten Teilstrahl vornimmt. Den ersten Teilstrahl koppelt man in das erste Ende der Faserspule ein. Das zweite Ende der Faserspule ist an einen phasenkonjugierenden Spiegel angeschlossen, so dass der erste Teilstrahl dort reflektiert wird und wieder zurück durch die Faserspule geleitet wird. Eine Sensoreinrichtung misst die Phasenverschiebung zwischen dem ersten Teilstrahl und dem zweiten Teilstrahl.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen faseroptischen Kreisel zu schaffen, der auf einem alternativen Konzept beruht.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen faseroptischen Kreisel mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.
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Die Vorteile der Erfindung bestehen darin, dass der faseroptische Kreisel auf einem alternativen Konzept aufgebaut ist, das neue Anwendungsgebiete erschließt. Das alternative Konzept beinhaltet, dass der faseroptische Kreisel eine Winkelbeschleunigung ermittelt, also eine Drehbeschleunigung oder eine Drehverzögerung. Es wird nicht die Winkelgeschwindigkeit oder Drehrate oder Drehgeschwindigkeit als Wert erfasst, die bei bekannten Konzepten von Kreiseln proportional zur Sagnac-Phasenverschiebung ist. Der faseroptische Kreisel umfasst einen Laser zur Erzeugung eines monochromatischen Lichts und eine Faserspule mit einer optischen Faser mit einem ersten Ende und einem zweiten Ende. Für das alternative Konzept eines Faserkreisels ist ein Zweistrahl-Interferometer mit einem Strahlteiler, einem ersten Ami mit einer kurzen optischen Weglänge und einem zweiten Arm mit einer langen optischen Weglänge vorgesehen. Das monochromatische Licht des Lasers ist in das erste Ende der optischen Faser einführbar. Die Faserspule ist vom monochromaten Licht nur einmal durchlaufbar. Während des Durchlaufens der Faserspule erfährt das Licht aufgrund des Sagnac-Effekts eine Phasenverschiebung. Das aus dem zweiten Ende der optischen Faser austretende Licht ist dem Strahlteiler des Interferometers zuführbar. Im Anschluss an den Strahlteiler ist der erste Arm von einem ersten Teilstrahl und der zweite Arm von einem zweiten Teilstrahl durchlaufbar. Genau hier setzt das alternative Konzept an. Während der erste Teilstrahl nur einen kurzen optischen Weg zurücklegt, muss der zweite Teilstrahl einen langen optischen Weg zurücklegen. Der zweite Arm mit dem langen optischen Weg wirkt als Zeitverzögerungsglied. Im Anschluss an den ersten und zweiten Arm sind mit einer Sensoreinrichtung Interferenzsignale einer Interferenz des ersten und zweiten Teilstrahles erfassbar. Bleibt die Winkelgeschwindigkeit konstant, bleibt die Sagnac-Phasenverschiebung konstant und die Interferenzsignale ändern sich nicht. Anders ist es, wenn eine Winkelbeschleunigung auftritt. Dann verschiebt sich im Anschluss an das zweite Ende der Faserspule die Sagnac-Phase über der Zeit. Nun zeigt sich die Wirkung des zweiten Armes oder des Zeitverzögerungsglieds. Ein erster Teilstrahl einer bestimmten Sagnac-Phase wird mit einem zweiten Teilstrahl zusammengeführt. Entsprechend ändern sich die Interferenzsignale am Ausgang des Zweistrahl-Interferometers. Das Maß der Änderung der Interferenzsignale hängt von dem Unterschied der optischen Wege zwischen dem ersten Arm und zweiten Arm des Zweistrahl-Interferometers ab und entspricht der Winkelbeschleunigung. Die Sensibilität des faseroptischen Kreisels wird nicht allein durch die Auslegung der Faserspule festgelegt. Die Faserspule kann in ihren Ausmaßen klein ausfallen. Systemfehler, die innerhalb der Lichtfasern entstehen, sind daher vermindert.
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Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung weist der faseroptische Kreisel eine Einstelleinrichtung für die Einstellung der optischen Weglänge des zweiten Armes auf. Mit der Einstelleinrichtung kann die Empfindlichkeit des faseroptischen Kreisels auch während des Betriebes eingestellt werden. Desto länger die optische Wegstrecke des optischen Armes ist, desto größer ist die Empfindlichkeit gegenüber den Winkelbeschleunigungen.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist die Einstelleinrichtung eine Vielzahl wählbarer optischer Wegstreckenelemente auf, die jeweils unterschiedliche optische Weglängen aufweisen. Diese Art einer Einstelleinrichtung ist einfach zu realisieren.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die optische Weglänge des ersten Armes des Zweistrahl-Interferometers mit einem Piezotranslator einstellbar, der ein Stellglied einer Interferenzsignal-Rückstellungs-Regelschaltung ist. Die Interferenzsignal-Rückstellungs-Regelschaltung mit Piezotranslator ermöglicht eine genaue Messung der Winkelbeschleunigung, da die Spannung, die am Piezotranslator anliegt, proportional zur Winkelbeschleunigung ist.
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Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Dabei zeigen
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1 einen faseroptischen Kreisel mit einem geregelten Michelson-Interferometer, als Prinzipskizze,
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2 einen faseroptischen Kreisel mit einem geregelten Mach-Zehnder-Interferometer, als Prinzipskizze;
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3 einen faseroptischen Kreisel mit einem Michelson-Interferometer und einfacher Sensorschaltung, als Prinzipskizze.
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Die 1 zeigt einen faseroptischen Kreisel 1 zur Ermittlung einer Winkelbeschleunigung. Der faseroptische Kreisel umfasst als Funktionseinheiten einen Laser 10, eine Faserspule 20 und ein Zweistrahl-Interferometer 30. Der Laser 10 erzeugt ein monochromatisches Licht. Die Faserspule 20 umfasst eine optische Faser 25 mit einem ersten Ende 21 und einem zweiten Ende 22. Das Zweistrahl-Interferometer 30 umfasst einen Strahlteiler 33a, einen ersten Arm 31 mit einer kurzen optischen Weglänge, einen zweiten Arm 32 mit einer langen optischen Weglänge und eine Sensorschaltung 40.
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Das monochromatische Licht des Lasers 10 ist in das erste Ende der optischen Faser 25 einführbar. Die Faserspule 20 ist vom monochromatischen Licht nur einmal durchlaufbar. Das aus dem zweiten Ende der optischen Faser austretende Licht ist dem Strahlteiler 33a des Interferometers 30 zuführbar. Im Anschluss an den Strahlteiler 33a ist der erste Arm 31 von einem ersten Teilstrahl und der zweite Arm 32 von einem zweiten Teilstrahl durchlaufbar. Im Anschluss an den ersten Arm 31 und zweiten Arm 32 sind mit der Sensoreinrichtung 40 Interferenzsignale einer Interferenz des ersten und zweiten Teilstrahles zur Ermittlung einer Winkelbeschleunigung erfassbar. Im Falle einer Winkelbeschleunigung liegt im Anschluss des zweiten Endes 22 der optischen Faser eine sich zeitlich verändernde Sagnac-Phase vor. Die zeitlich veränderliche Sagnac-Phase bewirkt eine Frequenzverschiebung des in das Zweistrahl-Interferometer 30 eingeführten Lichtstrahls.
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Das Prinzip des faseroptischen Kreisels beruht auf der Frequenzsensitivität des Zweistrahl-Interferometers bei unterschiedlichen optischen Weglängen des ersten Armes 31 und zweiten Armes 32. Aufgrund der Weglängenunterschiede trifft der zweite Teilstrahl phasenverschoben mit dem ersten Teilstrahl interferometrisch zusammen. Je größer diese Phasendifferenz aufgrund der Weglängenunterschiede ist, desto größer ist die Frequenzsensitivität des Interferometers. Die Interferenzsignale stellen ein Maß der Winkelbeschleunigung dar.
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Der faseroptische Kreisel weist eine Einstelleinrichtung für die Einstellung der optischen Weglänge des zweiten Armes auf. Die Einstelleinrichtung weist eine Vielzahl wählbarer Wegstreckenelemente 32a, 32b und 32c auf, die jeweils unterschiedliche optische Weglängen aufweisen. Je nach gewünschter Empfindlichkeit setzt man ein Wegstreckenelement mit einer gewünschten optischen Weglänge in den zweiten Arm 32 des Zweistrahl-Interferometers 30 ein. Dies kann automatisiert erfolgen.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel nach 1 ist das Zweistrahl-Interferometer als Michelson-Interferometer ausgebildet. Während der erste Arm 31 durch einen Spiegel 35a begrenzt ist, ist der zweite Arm 32 durch einen Spiegel 36a begrenzt. Die Spiegel 35a und 36a reflektieren den ersten Teilstrahl und zweiten Teilstrahl zurück zum Strahlteiler 33a.
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Das vom Strahlteiler 33a beziehungsweise von den beiden Spiegeln 35a und 36a stammende Licht ist interferenzfähig. Komplementäre Interferenzsignale, die vom Strahlteiler 34a erhalten werden, werden Fotodioden 41 und 42 zugeführt.
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Um eine genaue Messung der Winkelbeschleinigung zu ermöglichen, umfasst die Sensorschaltung 40 eine Interferenzsignal-Rückstellungs-Regelschaltung mit einem Piezotranslator 50 als Stellglied. Mit dem Piezotranslator 50 ist die optische Weglänge des ersten Armes 31 des Zweistrahl-Interferometers 30 einstellbar. Die Ströme der Fotodioden 41 und 42, die entsprechend der Lichtintensitäten sind, werden über eine Messbrücke einem Verstärker 43 zugeführt. Die Messbrücke umfasst die beiden Spannungsquellen U1 und U2 und einen Kondensator 44. Andern sich nun die Interferenzsignale zwischen den beiden interferierenden Komponenten aufgrund einer Änderung der Drehbeschleunigung, dann erzeugen die beiden Fotodioden 41 und 42 zueinander komplementäre Ströme. In der Brückenschaltung wird mit Hilfe des entstehenden Differenzstroms die Kapazität des Kondensators 44 so lange umgeladen, bis die an der Kapazität des Kondensators 44 abfallende Spannung die Änderung der Interferenzsignale ausgeglichen hat. Dies geschieht, indem die am Kondensator 44 anliegende Spannung verstärkt und auf den Piezotranslator 50 gegeben wird. Der Piezotranslator 50 verändert entsprechend seiner angelegten Spannung die optische Weglänge des ersten Armes 31 und stellt die Interferenzsignale einer Drehbeschleunigung auf einen anfänglichen Arbeitspunkt zurück. Die vom Verstärker 43 abgegebene und am Piezotranslator 50 anliegende Spannung entspricht über einen Eichfaktor der Drehbeschleunigung. Mit der Interferenzsignal-Rückstellungs-Regelschaltung kann sehr genau die Winkelbeschleunigung ermittelt werden. Ein Arbeitspunkt wird konstant gehalten und ein hierzu notwendiger Spannungswert an einem Stellglied ist ein Maß für die gewünschte Messgröße, die im vorliegenden Fall die Winkelbeschleunigung ist.
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Die 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel. Es werden nur die Unterschiede zum ersten Ausführungsbeispiel beschrieben. Ansonsten sind gleiche Bauteile der Ausführungsbeispiele mit gleichen Bezugszeichen versehen. Der Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel liegt darin, dass als Zweistrahl-Interferometer an Stelle eines Michelson-Interferometers ein Mach-Zehnder-Interferometer eingesetzt ist. Das Mach-Zehnder-Interferometer weist einen Strahlteiler 33b und Spiegel 35b und 36b auf. Die Spiegel 35b und 36b leiten den ersten Teilstrahl und zweiten Teilstrahl nach einem Durchlaufen des ersten Armes 31 und zweiten Armes 32 direkt auf einen Strahlteiler 34b, dem die gegenüber 1 unveränderte Sensorschaltung 40 mit der Interferenzsignal-Rückstellungs-Regelschaltung folgt.
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Die 3 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel mit einen faseroptischen Kreisel mit einem Michelson-Interferometer und einer einfachen Sensorschaltung 40. Eine Winkelbeschleunigung verändert das Interferenzsignal, das von der Fotodiode 41' wahrgenommen wird und vom Verstärker 43' verstärkt wird. Mit den vom Verstärker 43' abgegebenen Spannungswerten wird die Winkelbeschleunigung ermittelt. In Abweichung zum dargestellten Ausführungsbeispiel kann an Stelle eines Michelson-Interferometers auch ein Mach-Zehnder-Interferometer eingesetzt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- faseroptischer Kreisel
- 10
- Laser
- 20
- Faserspule
- 21
- erstes Ende
- 22
- zweites Ende
- 25
- optische Faser
- 30
- Zweistrahl-Interferometer
- 31
- erster Arm
- 32
- zweiter Arm
- 32a
- optisches Wegstreckenelement
- 32b
- optisches Wegstreckenelement
- 32c
- optisches Wegstreckenelement
- 33a
- Strahlteiler beim Michelson-Interferometer
- 33b
- Strahlteiler beim Mach-Zehnder-Interferometer
- 34a
- Strahlteiler beim Michelson-Interferometer
- 34b
- Strahlteiler beim Mach-Zehnder-Interferometer
- 35a
- Spiegel beim Michelson-Interferometer
- 35b
- Spiegel beim Mach-Zehnder-Interferometer
- 36a
- Spiegel beim Michelson-Interferometer
- 36b
- Spiegel beim Mach-Zehnder-Interferometer
- 40
- Sensorschaltung
- 41
- erste Fotodiode
- 41'
- einzige Fotodiode bei vereinfachter Sensorschaltung
- 42
- zweite Fotodiode
- 43
- Verstärker
- 43'
- Verstärker
- 44
- Kondensator
- 50
- Piezotranslator
- U1
- Spannungsquelle
- U2
- Spannungsquelle
