DE1264835B

DE1264835B - Laser-Winkelgeschwindigkeitsmesser

Info

Publication number: DE1264835B
Application number: DEH58662A
Authority: DE
Inventors: Theodore J Podgorski
Original assignee: Honeywell Inc
Current assignee: Honeywell Inc
Priority date: 1965-03-01
Filing date: 1966-02-26
Publication date: 1968-03-28
Also published as: US3390606A; SE333064B; GB1142962A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

GOIp

GOIc

Deutsche KL: 42 ο -13/03

Nummer: 1 264 835

Aktenzeichen: H 58662IX b/42 ο

Anmeldetag: 26. Februar 1966

Auslegetag: 28. März 1968

Die Erfindung betrifft einen Winkelgeschwindigkeitsmesser zum Messen einer Drehbewegung durch Vergleich der Geschwindigkeiten zweier gegenläufig rotierender Lichtstrahlen.

Es ist bekannt, hierzu eine monochromatische Lichtquelle zu verwenden, normalerweise einen Laser, um zwei Lichtstrahlen von identischer einziger Frequenz herzustellen, die gegenläufig eine geschlossene Schleife rund um die Achse zurücklegen. Die Schleifen werden von Spiegeln umgrenzt, die den Weg der gegenläufig rotierenden Strahlen beherrschen. Die Lichtstrahlen, die in der gleichen Richtung wie die Vorrichtung rotieren, werden eine etwas andere Frequenz haben, wie die Lichtstrahlen, die in entgegengesetzter Richtung rotieren. Diese Differenz der Frequenz ist der Größe der Drehung proportional. Deshalb kann man ein Gerät bauen, das die Drehung mit Hilfe dieses Effektes mißt. Dieses Gerät sei »Laser-Winkelgeschwindigkeitsmesser« genannt.

Geräte dieser Art sind gewöhnlich großen Fehlern unterworfen, die aus kleinen Unvollkommenheiten und Fehlausrichtungen der Spiegeloberflächen und der Spiegelabstände herrühren. Deshalb kommen bei Laser-Winkelgeschwindigkeitsmessern eine Anzahl Mikrometer zum Justieren der Spiegel zur Anwendung, die in einem Viereck mit Lasern angeordnet sind, und zwar in einem oder allen Schenkeln dieses Vierecks. Ein solches Laser-Meßgerät verlangt eine genaue Ausrichtung der Spiegel, wenn es einwandfrei arbeiten soll. Dabei ist es trotzdem sehr empfindlich auch gegenüber geringen Vibrationen oder Stößen. Auch wird die Justierung nicht über längere Zeit beibehalten. Die Vorrichtung eignet sich nicht für einfache Herstellungsverfahren.

Durch die Erfindung werden die genannten Nachteile vermieden.

Der Winkelgeschwindigkeitsmesser nach der Erfindung besteht darin, daß zum Führen eines Laserstrahls durch einen vieleckigen Weg in einem Block der vorbestimmte Weg des Laserstrahls eingeformt ist. Die Laserfunktion wird entlang dem vieleckigen Weg vorzugsweise durch eine elektrische Entladung zwischen einer ersten und einer zweiten Kathode bewirkt. Insbesondere wird die Laserfunktion entlang dem vieleckigen Weg durch eine Stromentladung zwischen einer Kathode und zwei Anoden bewirkt, wobei die Entladungsstrecken zwischen der Kathode und jeder der Anoden voneinander getrennt sind und mehr als eine Seite des vieleckigen Weges benutzen.

Eine vorzugsweise Ausführungsform des Winkelgeschwindigkeitsmessers nach der Erfindung hat einen Block, der aus einem dielektrischen Material,

Laser-Winkelgeschwindigkeitsmesser

Anmelder:

Honeywell Inc., Minneapolis, Minn. (V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Ing. R₁ Mertens, Patentanwalt,

6000 Frankfurt, Neue Mainzer Str. 40-42

Als Erfinder benannt:

Theodore J. Podgorski, St. Paul, Minn. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 1. März 1965 (435 969)

insbesondere Quarz besteht und bei dem an jeder seiner Ecken an dem vieleckigen Weg ein dielektrischer Spiegel befestigt ist, der Licht von dem Weg an der einen Seite des Spiegels in den anderen Weg an der anderen Seite des Spiegels reflektiert. Es ist von Vorteil, wenn der Weg des Lasers von Tunneln in dem Block gebildet wird, die mit einem geeigneten Gas gefüllt sind. Erfindungsgemäß ist ferner eine Behälterhöhlung in der Mitte des Blocks vorgesehen, die mit einem der Tunnels des vieleckigen Weges in Verbindung steht und als Behälter für das Gas und die Kathode dient.

Bei einer Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes ist der vieleckige Weg ein Dreiecksweg, am besten ein gleichseitiges Dreieck.
Ausbildungen des Winkelgeschwindigkeitsmessers werden in der Beschreibung gegeben.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Es ist
F i g. 1 eine auseinandergezogene Darstellung,
F i g. 2 eine Draufsicht, schematisch dargestellt.

Die F i g. 1 zeigt einen durchsichtigen Quarzblock 10, durch den eine Gruppe von drei Lasertunnels 12, 14, 16 hindurchgebohrt ist. Die Endea der Lasertunnels 12, 14,16 treffen sich entlang ihren einander kreuzenden Mitten nahe den Ecken des dreieckigen

50· Quarzblockes 10, so daß sie eine dreieckige Aushöhlung innerhalb des Quarzblockes bilden. Dort, wo sich die Tunnels 12,14,16 schneiden, sind zylin-

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drische Bohrungen 74, 76, 78 ein kurzes Stück in die Bohrung 36, den Tunnel 12, den Tunnel 16 zur

den Quarzbolck eingebohrt. In dem Ausführungsbei- Anode 38 und seine Intensität wird am Potentio-

spiel wird deshalb ein Quarzblock verwendet, weil meter 63 eingestellt. Die Kathode 32 ist hohl und

Quarz verhältnismäßig stabil bezüglich der Größe hält die Entladung auf, um Sprüheffekte zu vermei-

und der Form gegenüber mechanischen und Wärme- 5 den, durch die die Zusammensetzung des Lasergases

beanspruchungen ist. Es können aber auch andere verändert und die Güte des Lasers, die für ein Gerät

Materialien verwendet werden, beispielsweise kera- solcher Art benötigt wird, verschlechtert würde,

mische Stoffe od. dgl. Wird nun das Meßgerät dazu gebracht, in zwei

An der Schnittstelle des Tunnels 12 mit dem Richtungen, die zwei Anoden entgegengesetzt sind,

Tunnel 16 ist von dem Block 10 die Seitenfläche 18 io zu entladen, dann gleicht sich dadurch der Fresnel-

im rechten Winkel abgeschliffen, so daß man einen Widerstands-Effekt (Fresnel-drag-effect) aus, bei

Spiegel 20 an die Fläche 18 kleben kann, der das dem die Bewegung des Stoffes in einer Richtung rund

Licht aus dem Tunnel 12 in den Tunnel 16 wirft und um das Dreieck die beiden einander entgegenlaufen-

yom Tunnel 16 in den Tunnel 12. Im Ausführungs- den Strahlen mit ihrer Frequenz verschiebt, und zwar

beispiel hat der Spiegel 20 einen dielektrischen Belag 15 auch dann, wenn das Meßgerät sich nicht dreht.

22, der so ausgewählt ist, daß er die gewünschte Durch Einstellung des Potentiometers 59 und des

Lichtfrequenz vollkommen reflektiert und der auf Potentiometers 63 können die beiden Entladungen

die Oberfläche 18 mit Hilfe optischer Berührung und so abgeglichen werden, daß der Fresnel-Widerstands-

eines zweckmäßigen Kunstharzleimes aufgeklebt ist. Effekt ausgelöscht wird.

Ähnlich sind an den Quarzblock an den Schnittstellen 20 In F i g. 2 sieht man eine Füllröhre 70, die durch

der Tunnels 12 und 14 und an den Schnittstellen der geeignete Mittel, im Ausführungsbeispiel den Stopfen

Tunnels 14 und 16 ein Spiegel 24 bzw. ein Spiegel 26 72, abgesperrt wird, wenn eine ausreichende Menge

angeklebt. Die Spiegel 20, 24 und 26 sind aus Quarz von Lasergas in die Hohlräume des Blockes 10 ein-

von Stabilität gegenüber Wärme und mechanischen geströmt ist.

Einflüssen, können aber auch aus anderem Material 25 Gegen Beschädigungen des dielektrischen Belages

hergestellt sein. der Spiegel 20, 24, 26 durch dieJEntladungen sind die

In die Mitte des Blockes 10 ist eine becherförmige Bohrungen 74 und 76 und 78 an den Schnittpunkten Behälterhöhlung 28 eingebohrt, und eine Ringnut 30 der Tunnel 12, 14 und 16 vorgesehen, ist in den Boden derjiöhlung 28 eingeschnitten. Die Da der Strom den kürzesten Weg und den Weg des Nut 30 nimmt den Sockel einer zylindrischen Kathode 30 geringsten Widerstandes nimmt, wird er beispiels-32 auf. Ein Quarzdeckel 34 auf der Oberseite der weise bei dem Spiegel 24 von dem Tunnel 12 dicht Höhlung 28 schließt "die Kathode 32 darin ein. Im um den Punkt 80 herum in den Tunnel 14 abbiegen, Ausführungsbeispiel besteht der Deckel 34 aus Quarz wodurch er körperlich von der Oberfläche des Spie- und ist mit einem geeigneten Kunstharzleim an dem gels 24 getrennt bleibt. Die Entlastung in dem Laser-Block 10 dichtend befestigt, wie dies auch bei den 35 gas erzeugt zwei Laserlichtstrahlen entlang der Bahn Spiegeln der Fall ist. 82, die in entgegengesetzter Richtung laufen, wie dies

Eine weitere kleine Bohrung 36 ist von der Seite durch die Pfeilspitzen 84 und 86 angezeigt ist. Rund der Höhlung 28 her durch den Tunnel 12 und durch um das Dreieck werden die beiden Strahlen mit Hilfe das Äußere des Blockes 10 hindurchgebohrt. Durch der Spiegel 20, 29 und 26 reflektiert. Die beiden ein-. diese Bohrung wird ein geeignetes Lasergas in die 40 ander entgegenrotierenden Strahlen sind dann von Tunnels 12, 14 und 16 und in die große Höhlung 28 gleicher Frequenz, wenn sich der Block 10 nicht um eingebracht, die hierfür als Reservoir dient. Der große eine senkrecht zu dem Dreieck der Rohre dreht. Vorrat an Lasergas in der Höhlung 28 gibt der Ein- Dreht sich der Block 10 um diese Achse dann unterrichtung eine längere Betriebsdauer als es der Fall scheiden sich die Strahlen in der Frequenz, und diese wäre, wenn nur die Tunnels 12, 14 und 16 mit Gas 45 Differenz wird auf die folgende Weise bestimmt. Da gefüllt wären. Ein Paar zylindrische Anoden 38 und die dielektrischen Spiegel bezüglich ihrer Rückstrah-40 ragen in die erweiterten Enden 42 und 44 der lung nicht völlig perfekt sind, geht ein kleiner Teil Tunnels 14 und 16 hinein. Man verursacht eine der zwei Strahlen durch jeden Spiegel hindurch. An Gleichstromentladung zwischen den Kathoden 32 und den Spiegel 26 ist ein Spezialprisma 90 angeklebt, den Anoden 38 und 40, um die Lasertätigkeit in dem 50 das diese beiden Nebenstrahlen kombiniert und sie dreieckigen Raum zu veranlassen. Das Gerät nach auf einen Detektor wirft, wobei ein kleiner Winkel F i g. 1 wird schematisch von oben in F i g. 2 dar- dazwischen besteht. Die beiden Strahlen sind monogestellt. Hierbei werden die gleichen Bezugszeichen chromatisch, wodurch der kleine Winkel ein Franfür gleiche Teile benutzt. Die Stromquelle 50 sorgt senmuster (fringe pattern) auf der Oberfläche einer während des Betriebes für einen Gleichstrom zwi- 55 Detektorreihe 91 erzeugt. Hat nun einer der Strahlen sehen den Kathoden 32 und 40 über die Leiter 51, eine etwas höhere Frequenz als der andere, dann be-53, 55 und 57 und das Potentiometer 59. Ebenso ent- wegen sich die abwechselnd hellen und dunklen sendet die Quelle 50 einen Gleichstrom von der Streifen des Fransenmusters in einer Richtung, wäh-Kathode 32 zur Anode 38 über einen Leiter 61, ein rend, wenn der andere Strahl eine höhere Frequenz Potentiometer 63 und die Leiter 65, 53, 51. Die erste 60 hat, das Fransenmuster sich in der entgegengesetzten Stromentladung wird von dem Inneren der hohlen Richtung bewegt. Diese Bewegung kann durch die Kathode 32 ausgesandt und fließt durch eine schmale Detektorreihe in einer an sich bekannten Weise ana-Bohrung 67 in der Seite der Kathode 32 durch das lysiert werden. Die Richtung und die Größe der BeLoch 36 und den Tunnel 12 in Richtung auf den wegung dieses Fransenmusters ist für die Größe und Spiegel 24 und entlang dem Tunnel 14 zur Anode 65 Richtung der Rotation des Blockes 10 kennzeichnend. 40. Sie wird von dem Potentiometer 59 auf ihre In-„ In einer bevorzugten Ausführungsform hat die tensität geprüft. Der zweite Entladungsstrom fließt Oberfläche 92 des Prisma 90 eine zu 50% reflektievom Inneren der Kathode 32 durch die Bohrung 67, rende Auflage, während die Oberfläche 94 eine Auf-

lage mit etwa 100 °/o Reflexion hat. Deshalb geht der Lichtstrahl, der in der Richtung, die durch den Pfeil 86 angezeigt wird, durch den Spiegel 26 und in das Prisma 90 an einem Punkt 96 zu dem Detektor 91. Der Lichtstrahl, der mit dem Pfeil 84 bezeichnet ist, geht durch den Spiegel 26 und in das Prisma 90 auf die Oberfläche 94, von wo er auf die Fläche 90 reflektiert wird, und von dort aus, in Richtung rückwärts, annähernd auf den Punkt 96, wo er ebenfalls aus dem Prisma 90 auf den Detektor 91 zurückgeworfen wird. Der zwischen den Strahlen 84 und 86 auftauchende Winkel wird als Winkel Θ bezeichnet. Der Winkel Θ kann in engem Bereich von dem Winkel zwischen der Oberfläche 94 und der Oberfläche 98 des Prismas 90 kontrolliert werden. Die Beziehung ist so, daß der Winkel zwischen der Oberfläche 94 und der Oberfläche 98 gleich 90° ± Θ, dividiert durch 2 ist. Das heißt, daß jede Abweichung des Winkels zwischen der Oberfläche 94 und der Oberfläche 98 von 90° einen Winkel zwischen den Strahlen 84 und 86 ergibt, der doppelt so groß ist als diese Abweichung. So kann die Größe und die Stellung des Fransenmusters auf dem Detektor 91 durch die Wahl der Form des Prisma 90 kontrolliert werden.

Die Vorteile der Benutzung des Prismas 90 sind zahlreich. Das Prisma 90 neigt dazu, die Rückstrahlungen eines Strahles an der Umkehr in eine entgegengesetzte Richtung und um den dreieckigen Pfad, die die Funktion der Erfindung behindern würde, zu verhindern. Alle Oberflächen, die Licht reflektieren könnten, tun dies in einer Richtung, die nicht koaxial mit einem der Schenkel des Dreiecks verläuft. Dazu kommt, daß, dank dem etwa 90°-Winkel zwischen den Oberflächen 94 und 98, die Rotation des Prismas 90 um eine Achse senkrecht zu dem Tunneldreieck keinen Wechsel im Aussendewinkel der Strahlen 84 und 86 zur Folge hat. Deshalb ist die exakte Ausrichtung der optischen Komponenten während des Zusammenbaues wenig schwierig. In der Tat ist der Gegenstand der Erfindung verhältnismäßig unempfindlich in bezug auf Verdrehung irgendeines der Spiegel um eine Achse senkrecht zu dem Dreieck der Tunnels bezüglich des Blockes 10, weil eine Dreiecksgestalt, wie sie gezeigt wird, weitgehend das Bestreben zur Selbstausrichtung über einen weiten Winkelbereich hat. Das heißt aber, daß kleine Fehlstellungen der Spiegel 20, 24 und 26 um eine vertikale Achse die Funktion des Gerätes nicht stören.

Weil ferner die Spiegel 20, 24, 26 und das Prisma 90 in dem Ausführungsbeispiel alle aus Quarz sind und alle fest an dem Quarzblock 10 angeklebt sind, ergibt sich ein Gebilde von stabiler Struktur, das in der Lage ist, hohen Beschleunigungen und anderen mechanischen Beanspruchungen zu widerstehen. Ein Minimum an optischen Einzelteilen ist erforderlich, so daß die mangelhafte Wirksamkeit eines Laserstrahles, die von Unvollkommenheiten der optischen Komponenten und ihrer Oberflächen herrührt, nicht auftritt.

In dem vorzugsweisen Ausführungsbeispiel hat der Spiegel 20 eine leicht gekrümmte Oberfläche 100. Diese gekrümmte Oberfläche hat sich bei dem Spiegel 20 als besonders nützlich erwiesen, um zwei Laserstrahlen gleichlinig zu machen und ihre Zerstreuung zu verhindern. Ein Radius für diese Krümmung der Oberfläche 100, der sich als besonders wirkungsvoll erwiesen hat, ist ein Radius von 15 m.

Auch hat sich herausgestellt, daß die Herstellung der Tunnels 12, 14, 16 mit Durchmessern relativ geringerer Größe von Vorteil bei der Aufrechterhaltung einer hohen Leistung der Laserstrahlen ist. Ein Durchmesser von ungefähr 8 mm (⁵/₁₆ Zoll) hat sich als besonders brauchbar erwiesen. In F i g. 2 sind drei Befestigungsbohrungen 101, 103 und 105 dargestellt. Diese Bohrungen kann man benutzen, um das Meßgerät an irgendeinem Gegenstand zu befestigen, dessen Drehung gemessen werden soll.

Claims

Patentansprüche:

1. Winkelgeschwindigkeitsmesser zum Messen einer Drehbewegung durch Vergleich der Geschwindigkeit zweier gegenläufig rotierender Lichtstrahlen, dadurch gekennzeichnet, daß zum Führen eines Laserstrahls durch einen vieleckigen Weg in einem Block (10) der vorherbestimmte Weg (12, 14, 16) des Laserstrahls eingeformt ist.

2. Winkelgeschwindigkeitsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserfunktion entlang dem vieleckigen Weg (12,14,16) durch eine elektrische Entladung zwischen einer ersten (38, 40) und einer zweiten Elektrode (32) bewirkt wird.

3. Winkelgeschwindigkeitsmesser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserfunktion entlang dem vieleckigen Weg (12,14,16) durch eine Stromentladung zwischen einer Kathode (32) und zwei Anoden (38, 40) bewirkt wird, wobei die Entladungsstrecken zwischen der Kathode (32) und jeder der Anoden (38, 40) voneinander getrennt sind und die Entladungen mehr als eine Seite des vieleckigen Weges benutzen.

4. Winkelgeschwindigkeitsmesser nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Block aus einem dielektrischen Material, insbesondere Quarz besteht und an jeder seiner Ecken an dem vieleckigen Weg (12, 14, 16) ein dielektrischer Spiegel (20, 24, 26) befestigt ist, der Licht von dem Weg (12, 14, 16) an der einen Seite des Spiegels (20, 24, 26) in den anderen Weg (14, 16, 12) an der anderen Seite des Spiegels (20, 24, 26) reflektiert.

5. Winkelgeschwindigkeitsmesser nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Weg des Lasers von Tunneln in dem Block (10) gebildet wird, die mit einem geeigneten Gas gefüllt sind.

6. Winkelgeschwindigkeitsmesser nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine Behältererhöhung (28) in der Mitte des Blockes (10), die mit einem der Tunnels (12) des vieleckigen Weges in Verbindung steht und als Behälter für das Gas und die Kathode dient.

7. Winkelgeschwindigkeitsmesser nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der vieleckige Weg ein Dreiecksweg (12, 14, 16) ist.

8. Winkelgeschwindigkeitsmesser nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Dreieck (12, 14, 16) ein gleichseitiges Dreieck ist.

9. Winkelgeschwindigkeitsmesser nach den Ansprüchen 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die

Mittel zum Vergleichen der Frequenzen aus einem
Prisma (90) bestehen, das auf der Rückseite eines
der dielektrischen Spiegel (26) befestigt ist.

10. Winkelgeschwindigkeitsmesser nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Prisma
(90) genau rechtwinklige, innen reflektierende
Flächen hat.

11. Winkelgeschwindigkeitsmesser nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei Entladungen zwischen der Kathode und den beiden Anoden durch Stromsteuermittel (59, 63) im Stillstand derart symmetrierbar sind, daß die Frequenzen der beiden Strahlen einander gleich sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen