DE1523271B2

DE1523271B2 - Einrichtung zum messen einer drehbewegung

Info

Publication number: DE1523271B2
Application number: DE19661523271
Authority: DE
Inventors: Marvin Menlo Park Calif Chodorow (V St A)
Original assignee: Vanan Associates, PaIo Alto, Calif (V St A )
Priority date: 1965-06-21
Filing date: 1966-06-13
Publication date: 1971-09-09
Also published as: GB1102827A; DE1523271A1; US3627422A

Description

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In einer Laser-Winkelgeschwindigkeitsmeßeinrich- . spannungsgesteuerter Modulator angeordnet ist, mit

tung werden zwei monochromatische Lichtstrahlen dem die Resonanzfrequenz der beiden Strahlungsmodi

erzeugt und in entgegengesetzter Richtung durch verschoben wird.

einen in sich geschlossenen Strahlenpfad geschickt, Bei der Einrichtung nach dem älteren Vorschlag

der die Rotationsachse des Systems umschließt. Eine 5 wurde zwar ein durch einen Wechselstrom erregtes

Rotation des Systems bewirkt, daß sich die effektive Faraday-Element verwendet, dieses diente aber nicht

Pfadlänge für die beiden Strahlen verändert, wodurch zur Modulation des Lichtstrahls, sondern zur körper-

zwischen den beiden Strahlenbündeln ein Frequenz- liehen Verschiebung, was durch die Erfindung gerade

unterschied entsteht, denn die Oszillationsfrequenz der vermieden werden soll.

Laserstrahlen hängt von der Länge des Laserpfades ab. io Spezielle Lösungsformen, d. h. Ausführungsformen

Der Frequenzunterschied zwischen den beiden des Erfindungsgedankens, sind in den Unteran-Strahlen ruft eine Phasenverschiebung zwischen diesen Sprüchen gekennzeichnet und in der folgenden, ins Strahlen hervor, die sich proportional zum Frequenz- einzelne gehende Beschreibung an Hand der Zeichunterschied verändert; die Phasenverschiebung zwi- nüng näher erläutert; es zeigt

sehen den beiden Strahlen ist also proportional zum 15 F i g. 1 eine schematische Darstellung einer Aus-Integral des Frequenzunterschiedes oder, mit anderen führungsform der Erfindung und
Worten, das Ausgangssignal stellt das Integral der F i g. 2, 3 und 4 schematisch weitere Ausf ührungs-Rotationsgeschwindigkeit dar. formen der Erfindung.

Bei niedrigen Winkelgeschwindigkeiten ist der Gemäß F i g. 1 weist die Einrichtung nach der Frequenzunterschied zwischen den beiden Strahlen ao Erfindung ein aktives Material 10 auf, beispielsweise gering, und es tritt häufig ein Mitziehen der Schwin- einen kontinuierlich arbeitenden Gaslaser, der von gungen der beiden Strahlen auf, so daß kein Frequenz- beiden, voneinander weg weisenden Enden kohärente unterschied zwischen den Strahlen meßbar ist. Es ist Strahlung ausstrahlt. Die Strahlung wird von Eckdann unmöglich, niedrige Winkelgeschwindigkeiten zu spiegeln 12a bis 12d reflektiert, die unter 45° zur aufmessen, weil bei diesen niedrigen Geschwindigkeiten 25 treffenden Strahlung liegen, und dadurch wird eine kein der Winkelgeschwindigkeit proportionaler Fre- geschlossene Schleife gebildet, in der das Licht im quenzunterschied existiert. wesentlichen den gleichen Weg verfolgt, jedoch in

Aus der französischen Patentschrift 1 388 732 ist ein entgegengesetzten Richtungen. Die polygonale Laser-Laser-Winkelgeschwindigkeitsmesser mit Nullpunkt- anordnung wirkt als Resonator mit zwei laufenden verschiebung bekannt, bei dem mit Hilfe einer doppelt 30 Schwingungsmodi, wobei die Schwingungen in entbrechenden Platte der Weg für Strahlen bestimmter gegengesetzten Richtungen zirkulieren. Wenn das Polarisation verlängert und mittels dem Detektor System ruht, zirkulieren die beiden einander entgegenvorgeschalteter Polarisationsfilter aus dem in der einen gerichteten Schwingungen mit im wesentlichen der Richtung umlaufenden Strahlenbündel die Strahlung gleichen Frequenz co₀. Wenn sich das System jedoch der einen Polarisationsrichtung und aus dem in Gegen- 35 dreht, verschieben sich die Frequenzen der beiden richtung umlaufenden Strahlenbündel die Strahlung Modi, die Frequenz des einen Modus steigt an, mit hierzu orthogonaler Polarisationsrichtung aus- während die des anderen fällt, weil die äquivalente gefiltert wird. Man erreicht hierdurch, daß bei still- Weglänge um den Resonator herum für beide Modi stehender Meßeinrichtung ein vorgegebener Frequenz- nicht gleich ist. Wenn also die Anordnung nach F i g. 1 unterschied zwischen den beiden Strahlenbündeln vor- 40 im Uhrzeigersinn rotiert oder eine gerichtete Bewehanden ist, der bei Drehung der Meßeinrichtung in der gungskomponente im Uhrzeigersinn hat, schwingt die einen Richtung zunimmt und bei Drehung in der ent- im Uhrzeigersinn rotierende Schwingung auf einer gegengesetzten Richtung geringer wird. Damit ist der Frequenz, die kleiner ist als ω₀, und die gegen den Nullpunkt des Differenzfrequenzsignals gegenüber Uhrzeigersinn umlaufende Schwingung schwingt mit dem Stillstand der Meßeinrichtung verschoben. Die 45 einer Frequenz, die größer ist als eo_o.
Gefahr des Mitziehens tritt hier nicht mehr bei fehlen- Gemäß der Erfindung ist in der von den Spiegeln der oder sehr geringer Drehbewegung der Meßein- 12a bis 12d gebildeten Schleife ein Modulator 14 anrichtung, sondern bei einer bestimmten Drehbewegung geordnet, so daß das Licht gebeugt und die Schwinin der einen Richtung auf. ' gungsfrequenz jedes Modus verschoben wird. Der Mo-

Es ist deshalb bereits vorgeschlagen worden, das 50 dulator kann beispielsweise ein mechanisch-elek-

Mitziehen der beiden Frequenzen dadurch zu ver- irischer Wandler sein, etwa ein Quarzkristall oder

meiden, daß die Verschiebungen abwechselnd und Rutil, der mit einem Signalgenerator 16 mit einer

symmetrisch nach beiden Seiten erfolgen (deutsches Mikrowellenfrequenzco_s gespeist wird. Wie in Fig. 1

Patent 1 292 899). dargestellt ist, wird der gegen den Uhrzeigersinn

Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zu- 55 zirkulierende Modus mit der Frequenz ω im Modu-

grunde, das Mitziehen der Frequenzen zu vermeiden, lator 14 gebeugt, und ein Teil der Strahlung wird zu

ohne daß eine Verschiebung des Lichtstrahls selbst einem reflektierenden Spiegel 18 a hin abgelenkt. Das

erfolgt. gebeugte Licht wird von einem Spiegel 18 a in einen

Die Erfindung betrifft demnach eine Einrichtung halbdurchlässigen Spiegel 18 b reflektiert. Ein Teil der

zum Messen einer Drehbewegung durch Vergleich der 60 Strahlung wird vom halbdurchlässigen Spiegel 18 b zu

Frequenzen zweier gegenläufig rotierender elektro- einem reflektierenden Spiegel 18 c reflektiert und von

magnetischer Strahlen annähernd gleicher Frequenz, dort zu einem weiteren Spiegel 18 a* und zurück zum

insbesondere Laserstrahlen in einem rotierenden Laser- Eckspiegel 18 a, so daß eine zweite geschlossene

pfad, wobei die Strahlen im Umlaufpfad so beeinflußt Schleife gebildet wird. Die sich in der zweiten Schleife

werden, daß sich ihre Frequenzen stärker voneinander 65 gegen den Uhrzeigersinn bewegende Strahlung ist

unterscheiden, und erfindungsgemäß wird die gestellte durch die Modulationsfrequenz co_s, etwa 1000 MHz,

Aufgabe bei einer solchen Einrichtung dadurch ge- frequenzmäßig verschoben, so daß die Schwingung

löst, daß in dem geschlossenen Weg ein wechsel- dieser Gegenuhrzeigersinnkomponente die Frequenz

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ω + cü_s hat. Gleicherweise wird die im Uhrzeigersinn Schwingung ab. Bei einem Versuch hatten die durch

in der Hauptschleife umlaufende Schwingung mit der den Kristall zu den aktiven Medien 30 und 32 hin-

Frequenz ω' vom Modulator 14 abgelenkt, so daß ein durchtretenden Lichtimpulse eine Dauer von etwa

Modus geliefert wird, der die Sekundärschleife im 10"⁹ Sekunden und hatten einen Abstand von etwa

Uhrzeigersinn durchläuft, aber mit einer Frequenz 5 10~⁸ Sekunden.

ω' — co_s. Die beiden einander entgegengerichteten Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung erModi in der zweiten Schleife haben also merklich laubt die Sperre 42 den in entgegengesetztem Sinn unterschiedliche Frequenzen, so daß die Wahrschein- umlaufenden Impulsen, gleichzeitig durch die Sperre lichkeit für ein frequenzmäßiges Mitziehen praktisch 42 hindurchzutreten, diese einander entgegengerichbeseitigt ist. io teten Impulse laufen jedoch durch die beiden Laser 30 Im Betrieb läuft die Strahlung ω + <u_s durch den bzw. 32 zu verschiedenen Zeiten. Es ergibt sich also halbdurchlässigen Spiegel 186 in einen Spiegel 20 und keine Überlappung der Impulse in den Lasern 30 wird von dort in einen Photodetektor und Mischer 22 und 32 und keine Kopplung der einander entgegengeschickt. Auf gleiche Weise wird die Strahlung ω' — cu_s laufenden Modi, solange der zeitliche Abstand durch den Spiegel 18 b auf einen Spiegel 24 gerichtet, 15 zwischen den Enden der Laser 30 und 32 größer ist und von dort zum Detektor 22. Vom Detektor 22 als die Impulslänge. Dieser Abstand oder die Trennung wird abgegeben 2 ω + (ω — ω'). kann definiert werden als d = cAx, wobei Δτ die Im-

Um das gewünschte Differenzsignal ω — ω' zu er- pulsdauer und c die Lichtgeschwindigkeit bedeutet,
halten, das proportional der Drehgeschwindigkeit der Wenn jedoch an einem der Laser 30 oder 32 eine Anordnung ist, wird die Komponente 2co_s vom Aus- 20 Reflexion auftritt, durch die Energie in umgekehrter gangssignal getrennt. Das wird mittels eines Verviel- Richtung gerichtet wird, dann schwingt diese Energie fachers 26 erreicht, der an den Modulator 14 ange- nicht synchron mit dem Betrieb der Lichtsperre 42. koppelt ist, so daß eine Signalfrequenz 2a>_s geliefert Eine Reflexion an der Lichtsperre 42 würde jedoch wird. Dieses Signal wird an einen Mischer 28 gegeben, synchron mit den Steuerimpulsen vom Signalgenein dem die Komponente 2ω₈ vom Meßfühler 22 aus- 25 rator 44 auftreten, weil die beiden im entgegengegelöscht wird. Das übrigbleibende Differenzsignal ist setzten Sinne rotierenden Strahlungsimpulse gleichet) — ω', und das wird einem Verbraucher zugeleitet, zeitig durch die Sperre 42 hindurchtreten,
der dazu dient, die Drehgeschwindigkeit aus diesem Um eine solche unerwünschte Synchronität zwischen Differenzsignal zu berechnen. der reflektierten Strahlungsenergie und den im entin F i g. 2 ist eine andere Ausführungsform der 30 gegengesetzten Sinne rotierenden Strahlungsimpulsen Erfindung dargestellt, bei der zwei Laser 30 und 32 zu vermeiden, wird eine Anordnung gemäß F i g. 3 verwendet worden sind, die einander entgegenge- verwendet.

richtete Strahlungsmodi liefern. Von reflektierenden Gemäß F i g. 3 sind mehrere Lichtsperren 46 und 48 Eckspiegeln 34, 36 und 38 und einem halbdurch- in einer geschlossenen Schleif e angeordnet, und zwar in lässigen Spiegel 40 wird ein geschlossener Weg oder ₃₅ gleichen Abständen von einem Punkt P, der vom eine Schleife gebildet. Am halbdurchlässigen Spiegel 40 Laser 30 innerhalb der Schleife den gleichen Abstand wird mittels eines Fühlers ein Ausgangssignal erhalten, hat wie vom Laser 32. Die Impulse zirkulieren, überdas die Differenz der in einander entgegengesetztem lappen sich aber in den aktiven Medien 30 und 32 Sinne rotierenden Frequenzen darstellt. Eine optische nicht. Die Lichtsperren 46 und 48 dienen als Phasen-Sperre 42 ist im wesentlichen im gleichen Abstand 40 modulatoren, so daß die Impulse von jeder Sperre sich zwischen den beiden Lasern 30 und 32 angeordnet und an einem Punkt kreuzen, der im wesentlichen zwischen wird mittels eines Signalgenerators 44 mit einer Fre- den beiden Lichtsperren 46 und 48 liegt. Jede Reflexion quenz betrieben, die ein Vielfaches des Modusab- eines Impulses von der Sperre 46 am Laser 30 oder 32 Standes ist. Die Modiabstände liegen in den Frequenz- kehrt also zu dem Laser zu einer anderen Zeit zurück, Intervallen Af — c/L, wobei c die Lichtgeschwindig- 45 als der Impuls von der Sperre 48 ankommt und umgekeit und L den Umfang der geschlossenen Schleife be- kehrt. Mit anderen Worten, irgendwelche Reflexionen, deuten. Die Frequenz irgendeines Modus η ist defi- die sich ausbilden, sind mit Strahlungsimpulsen nicht niert als f_n = cß_n, wobei λ die Wellenlänge des synchron, und dadurch wird ein Mitziehen effektiv verModus ist. mieden.

Wenn die Sperre42 mit einer Frequenz^/ be- 50 Gemäß Fig. 4 enthält eine Ringlaseranordnung trieben wird, wobei ρ eine ganze Zahl ist, zirkuliert ein einen Gaslaser 50 und einen elektrooptischen Modu-Lichtimpuls kontinuierlich in jeder Richtung synchron latorkristall 52, beispielsweise einen Kristall aus Kamit der Sperre. Wenn die Sperre speziell aus einem liumdiphosphat (KDP), der mit einem elektrischen Kristall besteht, der mit einer akustischen stehenden Modulationsfeld aktiviert wird, das von einer Signal-Welle mit einer Frequenz Af/2 moduliert wird, dann ₅₅ quelle 54 kommt. Das elektrische Feld wirkt auf den ist die während der Nulldurchgänge der akustischen Kristall 52 in der Weise, daß dessen Dielektrizitäts-Schwingung, die in dem Kristall erzeugt worden ist, konstante verändert wird, wodurch die äquivalente durchlaufende Strahlung synchron zu der Erregungs- Weglänge durch den Kristall geändert wird. Für Schwingung, wobei zwischen zwei Nulldurchgängen irgendeinen Teil eines rotierenden Modus wird die die Strahlung einmal um die Schleife zirkuliert. 60 Frequenz durch die gesamte Weglänge um das System Während des größten Teils des akustischen Zyklus festgelegt, und diese Weglänge enthält die äquivalente wird das Licht von der akustischen Schwingung im Weglänge des modulierenden Kristalls. Dieses Maß Kristall gebeugt und abgelenkt und folgt also nicht hängt vom Momentanwert der elektrischen Feldstärke dem Weg, in dem es durch die verstärkenden Laser 30 im Kristall ab, das zu der Zeit herrscht, zu der der be- und 32 hindurchlaufen würde. Ein Teil des Lichtim- 65 treffende Teil des rotierenden Modus durch den pulses läuft jedoch ohne Ablenkung während jedes Kristall hindurchtritt. Die Modulationsfrequenz, die Zyklus durch, und die Dauer dieses nicht abgelenkten in den Kristall eingespeist wird, wird so gewählt, daß Teiles hängt von der Amplitude der akustischen jeder Teil des gesamten Wellenzuges bei jedem Durch-

lauf durch den Kristall auf die gleiche Phase des Modulationsfeldes trifft.

Die Gesamtlänge um den Ring ist L, und dann ist die Modulationsfrequenz m_m = 2ncjL, wobei c wieder die Lichtgeschwindigkeit ist. Wenn das angelegte Signal sinusförmig ist, dann wird der den gesamten Modus bildende Wellenzug mit einer einzigen Frequenz frequenzmoduliert. Die Frequenzänderung hängt von der Amplitude des Feldes ab, das im Kristall 52 herrscht. Es ergeben sich zwei in entgegengesetztem Sinne laufende Modi, und die gleiche Momentanfrequenz jedes Modi tritt in der Mitte des KDP-Kristalls auf, und diese beiden überlappen einander; dementsprechend überlappen sich die beiden Modi auch an einem diametral der Kristallmitte gegenüberliegenden Punkt der Schleife. Diese Koinzidenz am diametral gegenüberliegenden Punkt ist auf die Symmetrie der Sinusmodulation zurückzuführen und kann dadurch vermieden werden, daß eine periodische nichtsinusförmige Modulation verwendet wird. Um ein Übereinstimmen der Amplitudenverläufe der beiden einander entgegengerichteten Modi an diesem diametral gegenüberliegenden Punkt zu vermeiden, d. h. einen Zustand, bei dem die Frequenz der einander entgegenlaufenden Schwingungen am dem Kristall diametral gegenüberliegenden Punkt im wesentlichen die gleiche Frequenz haben, kann ein Sägezahn-Modulationssignal von der Signalquelle 54 an den Kristall 52 gegeben werden. Der Sägezahn kann beispielsweise dadurch erzeugt werden, daß eine Kombination von (o_m und 2cu_m zur Modulation verwendet wird.

Claims

Patentansprüche: 35

1. Einrichtung zum Messen einer Drehbewegung durch Vergleich der Frequenzen zweier gegenläufig rotierender elektromagnetischer Strahlen annähernd gleicher Frequenz, insbesondere Laserstrahlen, in einem rotierenden Laserpfad, wobei die Strahlen im Umlaufpfad so beeinflußt werden, daß sich ihre Frequenzen stärker voneinander unterscheiden, dadurch gekennzeichnet, daß in dem geschlossenen Weg ein wechselspannungsgesteuerter Modulator angeordnet ist, mit dem die Resonanzfrequenz der beiden Strahlungsmodi verschoben wird.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Strahlungserzeugungseinrichtung wenigstens ein Gaslaser (10; 30, 32; 50) vorgesehen ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Reflektionseinrichtung Spiegel (12a, 12b, 12c, Hd; 34, 36, 38, 40) in den Ecken eines polygonalen geschlossenen Weges angeordnet sind.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einer der Spiegel (12c; 40) halbdurchlässig ist.

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor ein Photodetektor (22) ist, an den ein Mischer (28) angeschlossen ist.

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Mikrowellenfrequenzen liefernder Signalgenerator (16) zur Steuerung des Modulators (14) vorgesehen ist.

7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Modulator eine Strahlungssperre (42) ist, die normalerweise sperrt und derart synchron öffnet, daß die beiden Strahlungsmodi gleichzeitig durch die Sperre hindurchtreten können.

8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Sperren (46, 48) vorgesehen sind, die gleiche Abstände von einem Punkt (P) des geschlossenen Weges haben, durch & den die beiden Strahlungsmodi gleichzeitig hindurchlaufen.

9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Modulator (52) die wirksame Weglänge für die beiden Strahlungsmodi variiert, so daß die beiden Modi frequenzmoduliert werden.

10. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Weglängenmodulator (52) die Frequenz längs jedes Modus derart variiert, daß keine einander überlappenden Teile der beiden Modi den gleichen Momentanwert der Frequenz in einer Strahlungserzeugungseinrichtung haben.

11. Einrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Weglängenmodulator (52) ein elektrooptischer Modulatorkristall ist, dessen Dielektrizitätskonstante von der herrschenden elektrischen Feldstärke abhängig ist.

12. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Modulator ein Deflektor (14) ist, der Strahlung von beiden Modi g in einen zweiten geschlossenen Weg (18 a, ISb, 18 c, ISd) ablenkt, in dem beide Frequenzen andere, unterschiedliche Werte annehmen, und der Detektor (22) an den zweiten geschlossenen Weg angeschlossen ist.

13. Einrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Modulator (14) ein akustischer Kristall ist, der im ersten geschlossenen Weg unter dem Brewsterschen Winkel zur auftreffenden Strahlung liegt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen