DE19611390B4

DE19611390B4 - Glasfaseroptischer Rotationssensor oder Gyroskop mit verbesserter Meßspule

Info

Publication number: DE19611390B4
Application number: DE19611390A
Authority: DE
Inventors: Richard B. Oak Lawn Dyott
Original assignee: KVH Industries Inc
Current assignee: KVH Industries Inc
Priority date: 1995-04-07
Filing date: 1996-03-22
Publication date: 2007-03-22
Anticipated expiration: 2016-03-23
Also published as: GB2299666B; US5552887A; GB2299666A; DE19611390A1; GB9606399D0

Abstract

Glasfaseroptisches Gyroskop mit einer Lichtquelle (12), einer Spule (20) aus einer optischen Glasfaser mit mehrfachen Wicklungen, wobei die Spule um eine Messachse drehbar ist, mit Vorrichtungen (14, 16, 18) zum optischen Einkoppeln von Licht von der Quelle in die Spule, um gegenläufige Lichtstrahlen in der Spule zu erzeugen, und Photodetektionsvorrichtungen (24), die die gegenläufigen Strahlen empfangen, um ein Ausgangssignal zu erzeugen, das die Rotationsrate der Spule angibt, dadurch gekennzeichnet, dass die mehrfachen Wicklungen der Spule auf beiden Seiten des die Länge der Glasfaser halbierenden Mittelpunkts der Glasfaser, die die Spule bildet, in der Größe variieren und dass die mehrfachen Wicklungen in der Richtung der Längsachse der Spule kollabiert sind.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf glasfaseroptische Rotationssensoren oder Gyroskope.
Glasfaseroptische Rotationssensoren oder Gyroskope, wie sie gemeinhin genannt werden, werden zunehmend zur Detektion von Rotationen insbesondere in Navigationssystemen, wie etwa in Kraftfahrzeugen, Flugzeugen und Raumfahrzeugen, verwendet, wo eine zuverlässige Messung der Trägheitsrotation sehr kritisch ist.

In einem typischen, glasfaseroptischen Gyroskop wird Licht von einem Laser oder einer anderen geeigneten Lichtquelle mittels eines Strahlteilers in zwei getrennte Strahlen aufgeteilt und dann in die beiden Enden einer mehrfach aufgewickelten, optischen Glasfaserspule, typischerweise vom Einmodentyp, eingekoppelt. Von den beiden Glasfaserenden austretendes Licht wird durch den Strahlteiler kombiniert und von einem Photodetektor detektiert. Ein derartiges Gyroskop ist beispielsweise aus der DE 35 33 687 A1 bekannt.

Eine Rotationsmessung wird typischerweise durchgeführt durch die Detektion einer durch die Rotation induzierten Phasenverschiebung zwischen den sich in entgegengesetzter Richtung in der Glasfaserspule ausbreitenden Lichtstrahlen, die allgemein als "Sagnac-Phasenverschiebung" bezeichnet wird. Das dieser Phasenverschiebung zwischen den sich in entgegengesetzter Richtung ausbreitenden Strahlen entsprechende Signal wird typischerweise einer Form von Phasenmodulation unterworfen, und der Photodetektor wandelt das modulierte Signal in ein elektrisches Signal um, das den Grad der Rotation der Glasfaserspule angibt und elektronisch verarbeitet wird, um eine direkte Anzeige der Rotation zu geben.

Folglich wird jeder zusätzliche Vorgang, der eine nicht gegengleiche Differenz in der Phase zwischen den beiden Ausbreitungsrichtungen während der Durchgangszeit des Lichts durch die Spule bewirkt, als eine falsche Rotation festgestellt wird. Ein solcher Effekt, der Shupe-Effekt, wird durch den Durchgang eines thermischen Gradienten durch die Spule verursacht; die Temperaturänderung erzeugt eine Änderung im Brechungsindex des Materials, aus dem die Glasfaser besteht. Typischerweise ändert sich der Brechungsindex für Siliziumdioxyd ungefähr mit 10 Teilen pro eine Million pro °C. Der Effekt wird am besten erläutert, wenn man ein Gyroskop mit einer einzigen Wicklung betrachtet.

Wenn, wie in 8 gezeigt, ein thermischer Gradient durch die Spule geht, so daß er symmetrisch bezüglich des Mittelpunkts M der Glasfaser ist, die die Spule bildet, erfahren Abschnitte auf beiden Seiten von M zu jedem Zeitpunkt identische Änderungen des Index, so daß es keine netto Phasendifferenz zwischen den sich im Uhrzeigersinn und gegen den Uhrzeigersinn ausbreitenden Lichtwegen gibt. Wenn jedoch, wie in 9 gezeigt, der thermische Gradient die Spule asymmetrisch bezüglich des Mittelpunkts durchquert, erfahren die Abschnitte auf beiden Seiten von M zu unterschiedlichen Zeiten unterschiedliche Änderungen des Index, was zu einer Änderung in der Phase der beiden Lichtwege und somit zu einem falschen Rotationssignal führt. Hier gibt es eine Phasenverschiebung zwischen den sich mit und gegen den Uhrzeigersinn ausbreitenden Lichtwegen, wenn es eine netto Asymmetrie des über alle Wicklungen der Spule integrierten thermischen Gradienten gibt.

Der Shupe-Effekt nimmt im allgemeinen mit einer Abnahme der Länge der für die Spule verwendeten Glasfaser zu, da bei einer Verringerung der Glasfaserlänge weniger Wicklungen geformt werden.

Es ist derzeitige Praxis, den Shupe-Effekt durch Wickeln der Spirale in einer kontrollierten und ordentlichen Weise, so daß die Glasfaserelemente, die äquidistant vom Mittelpunkt sind, nebeneinander liegen, so daß der Temperaturgradient an allen Punkten die Glasfaser auf beiden Seiten des Mittelpunkts gleichermaßen und zum gleichen Zeitpunkt beeinflußt, zu verringern. Solche Spulen, als Shupe-Spulen bekannt, verlangen ein sehr kompliziertes, kontrolliertes Aufwickelverfahren und sind daher in der Herstellung teuer.

Ein weiteres Problem mit Glasfasergyroskopen ist die Notwendigkeit, die Achse der Meßspule senkrecht zu der Ebene zu halten, deren Trägheitsrotation gemessen wird. Wenn diese senkrechte Beziehung nicht aufrecht erhalten wird, ist die von dem Gyroskop gemessene Rotation nicht die Rotation der gewünschten Ebene.

Es ist eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Glasfasergyroskop zur Verfügung zu stellen, das eine sehr genaue Rotationsmessung mit einer Meßspule ermöglicht, die schnell und billig aufgewickelt werden kann. In diesem Zusammenhang ist es eine damit verbundene Aufgabe der Erfindung, eine Gyroskopmeßspule zur Verfügung zu stellen, die kein kompliziertes Aufwickelverfahren erfordert und die auf einen einfachen Kern aufgewickelt werden kann.

Es ist eine damit verbundene Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Glasfasergyroskop des obigen Typs zur Verfügung zu stellen, das thermisch induzierte, nicht gegengleiche Phasenverschiebungen reduziert oder beseitigt.

Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein glasfaseroptisches Gyroskop mit einer verbesserten Meßspule zur Verfügung zu stellen, das eine Verringerung der Glasfaserlänge in der Spule erlaubt.

Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein glasfaseroptisches Gyroskop mit einer Meßspule zur Verfügung zu stellen, die in der Richtung ihrer Achse extrem kompakt ist. In diesem Zusammenhang ist es eine damit zusammenhängende Aufgabe, ein derartiges Gyroskop zur Verfügung zu stellen, das das Erreichen der gewünschten senkrechten Beziehung zwischen der Achse der Meßspule und der Ebene, in der die Rotation gemessen werden soll, erleichtert.

Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein glasfaseroptisches Gyroskop mit einer Meßspule zur Verfügung zu stellen, die relativ wenig von mechanischen Spannungen beeinflußt wird. In diesem Zusammenhang ist es eine spezielle Aufgabe, eine Gyroskopmeßspule zur Verfügung zu stellen, die keinen zentralen Trägerkern oder Rolle in dem Gyroskop erfordert.

Diese und weitere Aufgaben werden erfindungsgemäß durch das in den beigefügten Patentansprüchen definierte Gyroskop gelöst.

Insbesondere werden entsprechend der vorliegenden Erfindung die obenstehenden Aufgaben gelöst durch ein glasfaseroptisches Gyroskop mit einer Spule aus einer Glasfaser mit mehrfachen Wicklungen, die in der Richtung der Achse der Spule kollabiert sind und die im Durchmesser auf beiden Seiten des Mittelpunktes der Glasfaser, die die Spule bildet, variieren.

Der Bereich der Größenvariationen der mehrfachen Wicklungen ist vorzugsweise etwa der gleiche auf beiden Seiten des Mittelpunktes der Glasfaser. Die Spule wird durch Aufwickeln der optischen Glasfaser auf eine Rolle mit einer Form geformt, die sich in ihrer Größe entlang ihrer Länge ändert, wie etwa ein Kegel, wobei Glasfaser auf beiden Seiten des Glasfasermittelpunktes auf Bereiche der Rolle aufgewickelt werden, die über ähnliche Größenbereiche variieren. Die Spule wird dann von der Rolle entfernt und in der Richtung der Spulenachse kollabiert. Die führt zu einer im wesentlichen flachen Spule, in der die Wicklungen, die von der Glasfaser auf gegenüberliegenden Seiten des Mittelpunkts geformt sind, über die Dicke der Spule in Ringrichtung verteilt sind.

Aus der DE 38 44 964 C2 oder der DE 689 09 778 T2 sind zwar Verfahren bekannt, bei denen eine Glasfaser auf einen kegelförmigen Grundkörper gewickelt und anschließend von dem Grundkörper abgestreift wird. Über einen Einsatz der auf diese Weise erhaltenen, nach dem Abstreifen regellos vorliegenden Spulen in einem Gyroskop ist diesen Dokumenten jedoch kein Hinweis zu entnehmen.

1a ist eine Illustration einer verbesserten Aufwicklungsanordnung einer Glasfaserspule, die für die Verwendung in einer Gyroskopanordnung nach 10 geeignet ist, nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Die 1b und 1c sind Drauf- bzw. Seitenansichten der aufgewickelten Spule nach 1a nach dem Kollabieren.
2 ist eine perspektivische Explosionsansicht einer bevorzugten Montageanordnung für die faseroptische Meßspule nach der vorliegenden Erfindung.
3 ist ein vergrößerter, vertikaler Querschnitt der in 2 gezeigten Meßspulenmontageanordnung.
Die 4a–4d sind perspektivische Ansichten bestimmter in den 2 und 3 gezeigter Elemente, die sequentielle Stufen in deren Aufbau zeigen.
5 ist eine vergrößerte perspektivische Ansicht der Meßspule in der Anordnung der 2–4.
6 ist eine Ergebniskurve eines Tests eines glasfaseroptischen Gyroskops, das mit einer um einen zylindrischen Kern gewickelten Meßspule ausgestattet ist.
7 ist eine Ergebniskurve eines Tests eines glasfaseroptischen Gyroskops, das mit einer Meßspule nach der vorliegenden Erfindung ausgestattet ist.
8 ist eine diagrammatische Darstellung einer glasfaseroptischen Meßspule, die von einem thermischen Gradienten durchquert wird, der symmetrisch bezüglich des Mittel punkts der die Spule bildenden Glasfaser ist.
9 ist eine diagrammatische Darstellung einer glasfaseroptischen Meßspule, die von einem thermischen Gradienten durchquert wird, der asymmetrisch bezüglich des Mittelpunkts der die Spule bildenden Glasfaser ist.
10 ist ein Blockdiagramm, das eine herkömmliche glasfaseroptische Gyroskopanordnung mit offener Schleife zeigt.
Wenn auch die vorliegende Erfindung für verschiedene Modifikationen und Alternativen geeignet ist, sind in den Zeichnungen beispielhaft bestimmte Ausführungsbeispiele der Erfindung gezeigt und werden hierin beschrieben. Es sollte jedoch klar sein, daß es nicht die Absicht ist, die Erfindung auf die spezielle hierin offengelegten Ausführungsformen zu beschränken, sondern daß sie im Gegenteil alle Modifikationen, Äquivalente und Alternativen mitumfassen sollen, die in das Wesen und den Umfang der Erfindung fallen, wie sie durch die beigefügten Patentansprüche definiert ist.
In 10 ist ein Blockdiagramm gezeigt, das ein herkömmliches glasfaseroptisches Gyroskopsystem 10 zeigt, das in einem offenen Schleifenmodus arbeitet. Das Gyroskopsystem 10 umfaßt eine optische Quelle 12, die vorzugsweise ein Diodenlaser ist, der überwiegend in einer einzigen, transversalen Mode oszilliert und ein breites, gaußsches optisches Spektrum besitzt, so daß Rückstreurauschen und Kerr-Effekt-Probleme reduziert werden. Ein von der optischen Quelle 12 herrührender Lichtstrahl wird auf einen optischen Richtkoppler 14 gerichtet, der als Strahlteiler dient.
Ein Teil des in den Richtkoppler 14 eintretenden Lichtstrahls wird durch einen Polarisator 16 geführt, bevor er in einen zweiten optischen Richtkoppler 18 geführt wird. Der Richtkoppler 18 dient auch als Strahlteiler, um zwei getrennte Lichtstrahlen zu erzeugen, von denen einer in ein Ende einer mehrfach gewickelten Glasfaserspule 20 geführt wird. Der andere Lichtstrahl von dem Richtkoppler 18 wird durch einen Phasenmodulator 22 in das andere Ende der Glasfaserspule 20 geführt. Von den beiden Glasfaserenden herrührendes Licht wird von dem Richtkoppler 18 zusammengeführt und von einem optischen Photodetektor 24 detektiert.
Die in die beiden Enden der Glasfaserspule 20 geführten Lichtstrahlen bilden gegenläufige Strahlen, die in der Abwesenheit einer Spulenrotation identische Pfadlängen besitzen. Wenn die Glasfaserspule 20 eine Rotation um ihre Symmetrieachse erfährt ändern sich die relativen Pfadlängen der beiden Lichtstrahlen entsprechend. Wenn zum Beispiel die Spule in Richtung des Uhrzeiger rotieren, wird die Pfadlänge des Strahls in Uhrzeigerrichtung vergrößert, während die Pfadlänge gegen die Uhrzeigerrichtung verringert wird. Als Ergebnis verursacht jede Rotation der optischen Glasfaserspule, daß die beiden gegenläufigen Strahlen eine nicht gegengleiche Phasenverschiebung erfahren. Dieses Phänomen ist als Sagnac-Effekt bekannt. Die nicht gegengleiche Phasenverschiebung aufgrund einer Rotation, die als Sagnac-Effekt bekannt ist, ergibt, wenn sie genau gemessen wird, eine exakte Angabe über das Maß der Rotation, die die Glasfaserspule erfährt.
In der Gyroskopanordnung der 8 wird die Ausgabe des Photodetektors 24 einer herkömmlichen Signalverarbeitung unterworfen, um eine Angabe der gemessen Rotationsrate zu erhalten.
Es ist wichtig, daß die beiden gegenläufigen Lichtstrahlen dieselbe Polarisation besitzen, so daß die Sagnac-Phasenverschiebung genau der gemessenen Rotationsrate entspricht. Wenn die Polarisationszustände der beiden gegenläufigen Lichtstrahlen nicht identisch sind, sind ihre Ausbreitungskonstanten nicht unbedingt dieselben. Folglich können die Phasen der beiden interferierenden Strahlen differieren, nachdem die Strahl durch die Glasfaserspule gegangen sind, was zu einem Meßfehler führt, der die Meßgenauigkeit erheblich beeinträchtigen kann, insbesondere wenn extrem niedrige Rotationsraten gemes sen werden. Zum Beispiel kann die Phasendifferenz, die aus der (spannungsinduzierten) Biege-Doppelbrechung in einer typischen Glasfaserspule herrührt und die in der Größenordnung von einigen hundert Radians sein kann, die Sagnac-Phasenverschiebung, die erzeugt wird, wenn ein Gyroskop mit der Erdrate rotiert, und die in der Größenordnung von 10^–4 rad liegt, vollständig überdecken.
Dieser Meßfehler wird verringert, wenn die Teile der Lichtstrahlen, die durch die Glasfaserspule mit identischen Polarisationszuständen gegangen sind, verwendet werden. Um eine vollständige Gegengleichheit des Meßsystems sicherzustellen, ist es außerdem wichtig, daß die gegenläufigen Lichtstrahlen nur einen einzigen Polarisationszustand aufweisen. Selbst wenn eine symmetrische Einmodenfaser verwendet wird, werden zwei degenerierte Polarisationsmoden erzeugt. Ein geringer Betrag zufälliger Asymmetrie existiert in einer realen Glasfaser und führt zu einem geringen Betrag an zufälliger Doppelbrechung, die in Verbindung mit zusätzlicher Doppelbrechung, die durch Biegen und Drehen der Faser erzeugt wird, dazu führt, daß sich die Polarisation von entlang der Faser geführtem Licht entlang der Faser ändert.
Bei der Messung der Rotation basierend auf dem Sagnac-Effekt unter Verwendung eines Gyroskopsystems des in 10 dargestellten Typs, wird die Sagnac-Phasenverschiebung ϕ (in Radians) in dem detektierten Signal bei einer vorgegebenen Frequenz f_m, durch folgende Beziehung erhalten:
wobei ω₀ die Radiansfrequenz der optischen Quelle in Radians/s ist, Ω die Rotationsrate des Gyroskops in Radians/s ist, C die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum in m/s ist und A die von der Glasfaserspule eingeschlossene Gesamtfläche ist, wie sie durch das Produkt der von einer einzigen Faserwicklung eingeschlossenen Fläche mit der Anzahl der Wicklungen erhalten wird.
Beim Messen der Sagnac-Phasenverschiebung φ ist die gemessene optische Leistung proportional zum Quadrat des Absolutwerts des gemessenen elektrischen Feldes. Weiterhin sind die optische Leistung und die Phasen der interferierenden Lichtstrahlen in einem reziproken System gleich. Wenn man die nicht-reziproke Leistungsdifferenz vernachlässigt, die für die typischerweise verwendeten Spulenlängen vernachlässigbar ist, hängt die gemessene Leistung P_D im wesentlichen von der nicht-reziproken Phasendifferenz ϕ_NR ab und hängt wie folgt mit der Eingangsleistung P₀ zusammen:
Der Kosinusfaktor in Gleichung 2 erreicht seinen maximalen Wert, wenn die nichtreziproke Phasendifferenz viel kleiner als 1 rad ist. Somit wird die gemessene Leistung unabhängig von den typischerweise kleinen Phasenverschiebungen, die durch Rotationen induziert werden. Es ist daher notwendig, eine voreinstellende Phasendifferenz zu addieren, um das gemessene Signal zu verschieben, um sowohl die Maxima als auch die Minima der Sinuskurve zu vermeiden.
Der Phasenmodulator 22 in dem Gyroskopsystem der 10 führt diese Funktion durch, indem er den gewünschten Betrag der Phasendifferenzmodulation erzeugt, so daß die Amplitude der optischen Leistung, die sich bei der Phaserimodulationsfrequenz f_m ändert, proportional zu kleinen Rotationsraten gemacht wird. Da der Phasenmodulator 22 an einem Ende der Glasfaserspule 20 angeordnet ist, erfahren die beiden gegenläufigen Lichtstrahlen dieselbe Phasenmodulation zu verschiedenen Zeitpunkten, wodurch eine nicht gegengleiche Phasendifferenzmodulation zwischen den interferierenden Strahlen erreicht wird. Da das gemessene Signal auf einem hochfrequenten Träger (also dem Phasenmodulationssignal) voreingestellt wird, wird elektronisches Rauschen im wesentlichen eliminiert, während die Meßempfindlichkeit erhöht wird.
in einer vollständig in Glasfaser ausgeführten Gyroskopanordnung, wie sie in 10 gezeigt ist, wird eine Einheitslänge der optischen Glasfaser für die Glasfaserspule 20 verwendet, wobei ein Segment der Glasfaser, das sich von einem Ende der Spule aus erstreckt, verwendet wird, um einen Lichtweg zwischen der optischen Quelle 12, dem Richtungskoppler 14, dem Polarisator 16 und dem Koppler 18 zu erzeugen. Ein Segment der Glasfaser, das sich von dem anderen Ende der Spule 20 aus erstreckt, erzeugt einen Lichtweg zwischen dem entsprechenden Spulenende, dem Phasenmodulator 22 und dem Richtungskoppler 18.
Der Phasenmodulator 22 ist typischerweise vom mechanischen Modulationstyp, bei dem ein kurzer Abschnitt der optischen Faser über einen piezoelektrischen (PZT) Zylinder gezogen ist. Wenn an zeitabhängiges, elektrisches Feld an den PZT-Zylinder angelegt wird, wird darin eine mechanische Spannung induziert und der Radius des Zylinders verändert. Als Ergebnis wird auch der Durchmesser der Glasfaser um den PZT-Zylinder herum entsprechend verändert. Folglich werden der Glasfaserdurchmesser und die Brechungsindizes und daher die Phase der durch die Glasfaser geführten Welle entsprechend dem angelegten Signal geändert.
Wie aus Gleichung 1 ersichtlich, ist in glasfaseroptischen gyroskopischen Systemen des in 10 gezeigten Typs die Sagnac-Phasenverschiebung und somit die Meßempfindlichkeit direkt proportional der von der Glasspule eingeschlossenen Gesamtfläche, also dem Produkt der von einer Wicklung der Glasfaserspule eingeschlossenen Fläche und der Gesamtzahl der Wicklungen in der Spule. Bei einer Spule mit einem festen Spulendurchmesser kann die Empfindlichkeit, die proportional der von den gegenläufigen Strahlen innerhalb der Spulen zurückgelegten Gesamtentfernung ist, erhöht werden, indem die Anzahl der Wicklungen der Spule erhöht wird.
Zum Optimieren der Leistung des Gyroskopsystems der 10 muß die Rotationsempfindlichkeit maximiert und die Rauschempfindlichkeit minimiert werden. Um dies zu erreichen, ist es notwendig, die für die gegenläufigen Lichtstrahlen zum durchqueren der Länge der Glasfaserspule erforderliche Durchgangszeit t mit der Phasenmodulationsfrequenz f_m entsprechend der folgenden Beziehung anzupassen:
wobei ω_m die Radiansfrequenz der Modulationsquelle ist und gleich 2πf_m ist. In Einheiten der Gruppengeschwindigkeit V_g der von der Glasfaser geführten optischen Welle ausgedrückt, wird die Durchgangszeit wie folgt definiert:
wobei L die Spulenlänge in Metern ist und V_g die Gruppengeschwindigkeit in Metern/s ist. Durch Einsetzen von Gleichung 4 in Gleichung 3 wird die Modulationsfrequenz f_m wie folgt erhalten:
Da die Gruppengeschwindigkeit V_g ungefähr gleich
ist, wobei
der mittlere Brechungsindex des Glasfaserkern und der Hülle ist und C die Lichtgeschwindigkeit ist, stellt die Größe V_g eine Konstante dar. Folglich ist die Modulationsfrequenz f_m umgekehrt proportional zur Spulenlänge.
Die obige Diskussion setzt eine konstante Temperatur durch die Glasfaserspule 20 voraus. Wie früher erwähnt, sind eine Quelle für Verschiebungen in einem glasfaseroptischen Gyroskop, wenn es in einer veränderlichen Umgebung verwendet wird, zeitabhängige thermische Gradienten. In dem hypothetischen Fall einer einlagigen Spule, die in einer gleichförmigen Spirale mit einem konstanten Radius gewickelt ist, erzeugt eine Temperaturänderung nur an einem Ende der Spule eine Änderung des Brechungsindex der Spulenfaser an diesem Ende der Spule. Folglich erfährt der Lichtstrahl, der an diesem Ende in die Spule eintritt, eine Phasenverschiebung, bevor der entsprechende Bereich des gegenläufigen Lichtstrahls dieses Ende der Spule erreicht. Da die Phasenverschiebung nicht von einer Rotation der Spule erzeugt wird, stellt sie einen Fehler dar, wenn sie in dem Photodetektor festgestellt wird.
Entsprechend der vorliegenden Erfindung werden die thermisch induzierten, nicht gegengleichen Phasenverschiebungen verringert oder beseitigt, indem eine Glasfaserspule verwendet wird, in der die Spulenwicklungen sich auf beiden Seiten des Mittelpunkts der Glasfaser, die die Spule bildet, in der Größe ändern und in der Richtung der Achse der Spule kollabiert sind. Eine derartige Spule verringert thermisch induzierte, nicht gegengleiche Phasenverschiebungen in der Spule erheblich. Die Größenänderungen der mehrfachen Wicklungen der Spule müssen nicht einem regelmäßigen Muster folgen, sondern sind vorzugsweise zufällig verteilt, so daß jede Zunahme eines thermischen Gradienten über die Spule hinweg wahrscheinlich Bereiche der Spule auf beiden Seiten des Mittelpunktes der Gesamtlänge der die Spule bildenden Glasfaser beeinflußt. Somit verursacht ein thermischer Gradient aus einer beliebigen Richtung zufällige Phasenverschiebungen in allen Wicklungen, so daß es keine Gesamtphasenverschiebung gibt, wenn diese über die Gesamt spule integriert werden. Ein solches System ist natürlich nicht möglich für eine Spule mit nur einer Wicklung, und das Ausmaß der zufälligen Phasenabweichungen nimmt linear mit der Anzahl der Wicklungen ab. Diese zufälligen Abweichungen können als Rauschen betrachtet werden, das entsprechend dem Quantenrauschmodell entsprechend dem Quadrat der Anzahl der Wicklungen N verringert wird. Somit ist der Betrag des Phasenverschiebungs-"Rauschens", das von einem die Spule durchquerenden, thermischen Gradienten erzeugt wird, proportional zu N^–1, N^–1/2 oder N^–3/2.
Um Spulenwicklungen zu erzeugen, die sich in der Größe ändern, kann die Spule auf einem kegelförmigen Kern aufgewickelt werden. Um eine zufällige Verteilung der unterschiedlichen Größen der Spulenwicklungen, die von der Glasfaser auf beiden Seiten von dem Mittelpunkt der Gesamtlänge der zum Bilden der Spule verwendeten Glasfaser geformt werden, zu erreichen, kann die Glasfaser so auf den kegelförmigen Kern aufgewickelt werden, daß sich der Aufwickelpunkt entlang der Oberfläche des Kegels in der longitudinalen Richtung vor- und zurückbewegt. Vorzugsweise werden auch die Anfangs- und Endpunkte der transversalen Bewegungen zufällig verändert.
Durch das Aufwickeln mehrfacher Schichten kontinuierlicher Längen von optischer Glasfaser um einen kegelförmigen Kern 26, wie es in 1a gezeigt ist, und durch Kollabieren der Spule 20 in der axialen Richtung, wenn sie von dem Kern entfernt wird, wie es in den 1b und 1c gezeigt wird, wird die Glasfaser auf beiden Seiten des Mittelpunktes zufällig entlang der Spule sowohl in axialer als auch in radialer Richtung verteilt. Folglich beeinflußt jede Änderung der Bewegung eines thermischen Gradienten, der durch die Spule geht, Glasfaser auf beiden Seiten des Mittelpunkts, wodurch die unerwünschten, nicht gegengleichen Phasenverschiebungen verringert oder sogar beseitigt werden. Der bevorzugte Kernwinkel, also der Winkel zwischen der Achse des kegelförmigen Kerns und der kegelförmigen Oberfläche liegt zwischen 20° und 40°.
Wenn die Spule auf eine kegelförmige Rolle aufgewickelt wird, kann die Spule von der Rolle entfernt werden, indem die Spule einfach zum schmalen Ende der Rolle geschoben wird. Alternativ kann eine kollabierende Rolle verwendet werden. Zum Beispiel kann eine aufblasbare Rolle verwendet werden, aus der nach dem Aufwickeln jeder Spule einfach die Luft abgelassen wird. Es können auch mechanisch kollabierende Rollen verwendet werden. Kollabierende Rollen erlauben die Verwendung von anderen Rollenformen mit variablem Durchmesser als von kegelförmigen Formen, wie etwa rauhe oder Sägezahnformen.
Durch Entfernen der Glasfaser von der Rolle und anschließendem Kollabieren der Spule entlang ihrer Achse werden während des Aufwickelvorgangs auf die aufgewickelte Glasfaser ausgeübte Spannungen gelöst. Darüber hinaus gibt es keine Rolle, die eine thermische Ausdehnung oder andere Spannungen auf die Spule überträgt, nachdem die Spule in dem Gyroskop montiert worden ist und mit den anderen Komponenten des Gyroskops verbunden worden ist.
Auch wenn es vorzuziehen ist, daß die Meßspule nach der vorliegenden Erfindung aus einer optischen Glasfaser geformt wird, die die Polarisation der gegenläufigen Lichtwellen durch die nicht-zirkulare Geometrie des Glasfaserkerns (zum Beispiel durch einen elliptischen Kern) beibehält, ist die Erfindung auch nützlich für Spulen, die aus optischen Glasfasern geformt sind, die zirkulare Kerne besitzen und die Polarisation durch spannungsinduzierte Doppelbrechung beibehalten.
Das Kollabieren der Spule in der axialen Richtung beseitigt nicht nur Spannungen von der Spule sondern erzeugt auch eine Spule, die im wesentlichen flach ist. Das bedeutet, daß die axiale Dicke der Spule sehr klein ist, typischerweise 2 oder 3 Millimeter. Diese flache Spule ermöglicht, daß das gesamte Gyroskop mit einem sehr dünnen Profil hergestellt wird, und erleichtert auch die erwünschte senkrechte Ausrichtung der Spulenachse mit der Ebene, in der Rotationen gemessen werden sollen.
Die zum Herstellen der Meßspule verwendete optische Glasfaser ist vorzugsweise mit einer schützenden Polymerschicht überzogen. Bestimmte optische Glasfasern sind mit einem Metall überzogen, das brechen kann, wenn sie auf eine Spule mit einem ziemlich kleinen Radius gewickelt werden. Die Polymerbeschichtungen besitzen dieses Bruchproblem jedoch nicht. Die die Spule bildende Glasfaser kann auch mit einem Öl oder einem anderen Schmiermittel beschichtet sein, um die Gleitbewegung benachbarter Wicklungen übereinander zu erleichtern, wenn die Spule nach ihrer Herstellung ihre Form findet.
Die 2 und 3 zeigen eine bevorzugte Montageanordnung für die Meßspule nach der vorliegenden Erfindung. Die Spule 30 mit mehrfachen Wicklungen ist innerhalb eines Gelkörpers 31 angeordnet, der sich in einem ringförmigen Hohlraum 32 befindet, der durch ein Aluminiumgehäuse 33 geformt wird. Die Spule 30 ist vorzugsweise vorgeformt und mit einem Richtungskoppler 30a verbunden, der in Serie mit einem Polarisator 30b und einem zweiten Richtungskoppler 30c verbunden ist. Die Spule, die Richtungskoppler und der Polarisator werden dann alle in das Gel 31 eingetaucht, wobei eine Länge der Glasfaser an einem Ende der Spule sich durch ein Paar von Löchern 35a und 35b in der Innenwand des Hohlraums 32 erstreckt, um ein Teil eines piezoelektrischen Phasenmodulators oder PZT 34 zu bilden, der in einem zentralen Hohlraum 35 montiert ist, der von dem Gehäuse 33 gebildet wird. Die beiden Glasfasern an dem Ende des von der Spule entfernten Richtungskopplers erstrecken sich durch ein Paar von Spalten 32a und 32b im Boden des Hohlraums 32, um mit einem Laser 36 und einem Photodetektor 37 verbunden zu werden, die auf einer gedruckten Schaltkreistafel (PCB) 38 montiert sind. Die PCB 38 ist an dem unteren Bereich des Gehäuses 33 mittels einer Bodenplatte 39 und einer Mehrzahl von Schrauben befestigt. Zwei zusätzliche PCBs 41 und 42, die über dem Gehäuse 33 montiert sind, enthalten die Spannungsversorgungs- und Signalverarbeitungsschaltkreise für das Gyroskop. Die PCBs 41 und 42 sind voneinander und von dem Gehäuse 33 mittels zweier Reihen von Abstandsstiften 43 und 44 entfernt. All diese Elemente sind zusammen mit dem Gehäuse 33 und der PCB 38 innerhalb eines schützenden Zylinders 45 angeordnet. Eine Deckelplatte 46 verschließt das Ende des Zylinders 45. Eine Mehrzahl von Schrauben geht durch die Deckelplatte 46, die beiden PCBs 41 und 42 und die Abstandsstifte 43 und 44 und sind in das Gehäuse 33 geschraubt. Kanäle 47 und 48 in der Außenwand des Gehäuses nehmen einen Kabelbaum (nicht gezeigt) auf, um mehrere PCBs miteinander zu verbinden.
Um die optische Glasfaser vor Kräften zu schützen, die durch Beschleunigung und Vibrationen auf die sich von dem Gehäuse 33 zum Laser 36 und dem Photodetektor 37 erstreckenden Enden ausgeübt werden, ist der Raum zwischen dem PCB 38 und dem Boden des Hohlraums 32 vorzugsweise mit demselben Gel gefüllt, das für den Hohlraum 32 verwendet wird. Dieses zusätzliche Gel hält die Enden in stabilen Positionen zwischen dem Hohlraum 32 und der PCB 38.
Die optische Glasfaser zum Erzeugen der Spule 30 ist eine Einmoden- und vorzugsweise eine die Polarisation haltende Glasfaser, wie zum Beispiel eine Glasfaser mit einem elliptischen, die Polarisation haltenden Kern oder eine D-förmige Glasfaser, wie sie in dem US-Patent Nr. 4 669 814 für Dyott beschrieben ist. Alternativ kann eine spannungsinduzierte, doppelbrechende Einmodenglasfaser oder eine Einmodenglasfaser mit einer hohen numerischen Apertur verwendet werden. Die Glasfaser besitzt vorzugsweise eine polymerische Beschichtung, auch wenn andere Arten von Schutzbeschichtungen verwendet werden können, falls es erwünscht wird, wie zum Beispiel mit Indium beschichtete Glasfasern.
In dem gezeigten Ausführungsbeispiel berührt der Körper der optischen Glasfaserspule 30 nur das Gel 31 und wird somit nur durch das Gel 31 in dem Gehäuse 33 gehalten. Wie in 4a gezeigt, wird das Gel zunächst als eine Schicht auf dem Boden des Hohlraums 32 geformt, während der Boden in einer perfekten, horizontalen Position gehalten wird. Die obere Oberfläche der Gelschicht ist dann perfekt eben und horizontal, wie es auch die Spule 30 ist, wenn sie auf der Oberseite der Gelschicht angeordnet wird. Alternativ kann die Spule auf einer Montageoberfläche angeordnet werden. Solcherart kann die Montageoberfläche die Anfangsschicht des Gels ersetzen oder auf der Oberseite der Anfangsschicht des Gels angeordnet werden. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel besteht das Gehäuse 33 aus zwei Teilen 33a und 33b, um das Anordnen der Spule in dem Gehäuse und des darin enthaltenen Gels zu erleichtern.
Nach dem Anordnen der Spule 30 auf der Bettungsschicht aus Gel in dem Gehäuseteil 33a wird der zweite Gehäuseteil 33b an dem ersten Teil befestigt, und dann wird der Rest des Hohlraums 32 durch eines der unten beschriebenen Ausdehnungslöcher 40 mit zusätzlichem Gel gefüllt. Das zusätzliche Gel hüllt die Spule 30 ein und bildet eine einheitliche Gelmasse mit der Bettungsschicht als Gel. Die gesamte Gelmasse verbindet sich beim Hartwerden des Gels vorzugsweise mit den Innenwänden des Hohlraums 32. Somit sind die Glasfaserspule 30 und die daran befestigten Komponenten (die Richtungskoppler und der Polarisator) letztlich vollständig in dem Gel 31 eingetaucht, wobei die beiden freien Enden der Faser den entfernten Koppler bilden, der das Gel durch die Schlitze 32a und 32b im Boden des Hohlraums 32 verläßt.
Die Steifheit oder der Youngsche Modul des Gels ist ausreichend groß, um die Spule 30 in einer festen Position innerhalb des Gehäuses 32 zu halten. Das heißt, daß die Spule innerhalb der Gelmasse nicht wandert, weder in eine Rotations-, noch in eine Axial-, noch in eine Radialrichtung. Diese feste Position der Spule muß über den gewünschten Bereich der Betriebstemperaturen, der typischerweise von etwa –55°C bis etwa +85°C geht, beibehalten werden. Die Temperatur, bei der ein Gel fest wird oder in einen brüchigen, glasartigen Zustand übergeht, wird als Glasübergangstemperatur bezeichnet. Zum Zwecke der vorliegenden Erfindung sollte die Glasübergangstemperatur unter dem Be triebstemperaturbereich des Gyroskops liegen.
Um die Ausdehnung und Schrumpfung des Gels mit sich ändernden Temperaturen auffangen zu können, sind eine oder mehrere Wände des Hohlraums 32 vorzugsweise mit Vertiefungen versehen, in die sich das Gel ausdehnen kann, ohne daß die Spule 30 erheblichen Druckänderungen unterworfen wird. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel werden die Vertiefungen durch eine Mehrzahl von Löchern 40 in der Wand 32c des Hohlraums gebildet. Die Wirkung der Löcher 40 besteht darin, die Volumenänderungen des Gels 31 über den Betriebstemperaturbereich des Gyroskops aufzunehmen, so daß sich das Gel durch die Löcher 40 ausdehnen und zusammenziehen kann, ohne den Druck auf die Spule 30 beträchtlich zu ändern. Als eine Alternative zu den Löchern 40 können die Hohlraumwände teilweise aus elastischem Material geformt werden, oder die obere Oberfläche kann mit Vertiefungen versehen sein. Eine Alternative ist, ein oder mehrere kompressible Elemente in dem Gel 31 einzubetten. Zum Beispiel können Luftblasen in das Gel eingefügt werden.
Wenn gewünscht, kann das spezifische Gewicht des Gels 31 auf etwa dasjenige der Spule 30 eingestellt werden. Die Spule besitzt typischerweise ein effektives spezifisches Gewicht von mehr oder weniger als 1,0, während das Gel ein spezifisches Gewicht von etwa 1,0 besitzen kann. Die Differenz in den spezifischen Gewichten kann bewirken, daß die Spule-Gel-Verbindung als ein Feder-Masse-System wirkt, das zu falschen Ausgangssignalen des Gyroskops führt, wenn das Feder-Masse-System Resonanzfrequenzen innerhalb des Frequenzbereichs einer Vibrationseingabe besitzt. Um dieses Problem zu vermeiden, kann das Gel mit massiven oder hohlen Siliziumdioxyd-Mikrokugeln oder -Teilchen geladen sein, um die Differenz zwischen den spezifischen Gewichten des Gels und der Feder zu reduzieren und dadurch die Resonanzfrequenzen der Spulen-Gel-Kombination einzustellen. Das Laden des Gels erhöht auch die Viskosität und Steifheit des Gels.
Die gezeigte Montageanordnung ergibt hervorragende Ergebnisse zum Schutz der Faser h. Wie diskutiert, sieht die vorliegende Erfindung Vorkehrungen vor, um dem Gel eine Ausdehnung zu ermöglichen, so daß die Spule keinem Druck ausgesetzt wird, wie etwa Ausdehnungsflächen in der oberen Abdeckplatte, Diaphragmas oder Luftsäcke.
Wenn gewünscht, kann das Gel mit massiven oder hohlen Mikrokugeln geladen werden. Das Laden des Gels mit Teilchen (vorzugsweise aus Siliziumdioxyd, aber auch andere Teilchen stehen zu Verfügung) besitzt einige vorteilhafte Einflüsse neben der Änderung des spezifischen Gewichts. Der geringe thermische Ausdehnungskoeffizient von Siliziumdioxyd (oder ähnlichem Teilchenmaterial) verringert den gesamten thermischen Ausdehnungskoeffizienten des geladenen Gels, ohne daß eine physikalische Spannung auf die Spule ausgeübt wird. Das Laden des Gels mit bis zu 40 Volumenprozent Siliziumdioxydteilchen wurde untersucht, und auch größere Beimengungen können praktikabel sein. Zum Beispiel verringert ein Gel mit einer Beimengung von 50 Volumenprozent Siliziumdioxydteilchen den thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Gels von etwa 300 ppm/°C auf etwa 150 ppm/°C, was zu einer entsprechenden Verringerung der mit thermischen Veränderungen verbundenen Effekte führt.
Die Teilchen können entweder hohl oder massiv, unregelmäßig geformt oder kugelförmig sein, und die mittlere Größe der Teilchen kann variieren. Typischerweise liegt der Durchmesser von massiven Teilchen, die als Füller verwendet werden, im Bereich von 20–300 Mikrometer, aber die mittleren Teilchengrößen können auch außerhalb dieses Bereichs liegen. Entsprechend einem Buch von Lee et al. mit dem Titel The Handbook of Epoxy Resins, McGraw-Hill, das hierin durch Bezugnahme mitaufgenommen wird, sind entsprechend dem Abschnitt mit dem Titel "Settling Properties of Fillers" die typischen massiven Teilen, die als Füller für Epoxydharze verwendet werden, diejenigen, die durch ein 325-mesh Sieb gehen, das eine Öffnung von 0,0017 Zoll (44 Mikrometer) besitzt, außerdem sind Teilchen üblich, die durch ein 200-mesh Sieb gehen, das eine Öffnung von 0,0029 Zoll (74 Mikrometer) besitzt. Tabelle 14–2 des Buches zeigt, daß massive Teilchen mit mittleren Größen von 0,15 bis 2500 Mikrometern als Füller für Epoxydharze verwendet werden. Zum Beispiel wird Quarz mit mittleren Teilchengrößen bis zu 300 Mikrometern verwendet, aber massive Teilchen mit Größen von mehr als 300 Mikrometern können sich sehr schnell in Abhängigkeit von dem spezifischen Gewicht der Teilchen in dem Gel absetzen. Daher ist eine maxiale Größe von 300 Mikrometern oder weniger für massive Teilchen vorzuziehen. Die Absetzungseigenschaften von hohlen Teilchen unterscheiden sich von denen massiver Teilchen, und daher können hohle Teilchen größere mittlere Teilchengrößen besitzen, ohne sich zu setzen.
Die Teilchen bestehen vorzugsweise aus Siliziumdioxyd und bleiben in dem Gel gelöst, aber ein Teilchen kann keine große Kraft auf andere Teilchen ausüben, da die Kraft auch auf die Gelmatrix wirken würde, die sehr schwach ist. Darüber hinaus könnte, wenn die Teilchen zu viel Kraft aufeinander ausüben würden, die Kraft sich in der Gelmatrix ausbreiten und die Spule negativ beeinflussen. Dies könnte zu einem Problem werden, wenn die Beimischung so groß ist, daß Teilchenklumpen gebildet werden.
Weiterhin kann es, da die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Gels und des Spulengehäuses unerwünschte Materialflüsse erzeugen können, wünschenswert sein, diese so gleich wie möglich zu machen. Dies könnte erreicht werden, indem das Gehäuse aus einem Plastikmaterial oder aus einem ähnlichen Material gemacht wird. Da dieses wahrscheinlich nicht genau den thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Gels besitzt, könnte die Teilchenbeimengung verwendet werden, um den thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Gels für das beste Ergebnis einzustellen.
Ein weiterer Vorteil der Beimischung von Teilchen in das Gel liege in der Erhöhung der Viskosität des Gels. Dies ist ein bekannter Effekt in Gels, und der Vorteil ist, daß das Gel als eine verbesserter Schwingungsdämpfung dient. Zum Beispiel wurde qualitativ beobachtet, daß das Gel zittert oder vibriert, wenn es durch eine mechanische Anregung angeregt wird, aber die Amplitude dieser Vibration nimmt deutlich ab, wenn dem Gel Teilchen beigemengt werden. Folglich reduziert der Vibrationsdämpfungseffekt durch die Beimengungen zum Gel die mögliche Verstärkung von Vibrationsanregungen.
Die viskose oder Coulomb-Dämpfung kann auch dazu dienen, die Eingabe von hochfrequenten Vibrationen von der Umgebung des Sagnac-Rings zu reduzieren. Daher besitzt der Designer des Gyroskops einen weiteren Freiheitsgrad hinsichtlich der Leistung des Gyroskops. In einigen Situationen kann die Anwesenheit von hochfrequenten Vibrationen die Signalverarbeitungselektronik überlasten. Dies geschieht, wenn die Winkelrate für eine konstante Winkelauslenkung proportional zur Frequenz zunimmt.
Ein weiterer Vorteil der Beimengung von Teilchen zu dem Gel ist die Tatsache, daß die thermische Volumenleitfähigkeit des Gels modifiziert werden kann. Die Änderung der thermischen Eigenschaften kann durch Einstellen des Volumenanteils der Beimengungen und des Anteils von massiven zu hohlen Teilchen gesteuert werden. Eine Verringerung der thermischen Leitfähigkeit kann bei der Steuerung von zeitabhängigen thermischen Gradienteneffekten beträchtlich sein.
Alternativ kann entsprechend einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung die Gelviskosität auch durch Dispersion von Teilchen mit Durchmessern von einem Mikrometer oder weniger erhöht werden. Nur eine Beimengung von 5% von Teilchen mit einem Mikrometer Größe wäre erforderlich, um ein sehr viskoses Gel zu erhalten. Ein Gel mit solcher Beimengung würde die Kontrolle der Vibrationseffekte ermöglichen, hätte aber nur geringe Auswirkungen auf die thermischen Eigenschaften des Gels. Das Laden des Gels mit Teilchen mit Durchmessern von einem Mikrometer oder weniger mit den oben für größere Teilchen beschriebenen Volumenanteilen würde das Gel zu viskos machen, um es gießen zu können. In Abhängigkeit von dem betrachteten Ingenieursproblem können die Alternativen zur Modifikation der Geleigenschaften kombiniert werden und das Gel mit Teilchen mit einer Größe von einem Mikrometer oder weniger mit einem geringen Volumenanteil geladen werden, um die Gelviskosität zu erhöhen, und mit größeren Teilchen (massiv, hohl oder beides) mit höheren Volumenanteilen geladen werden, um die thermischen und spezifischen Gewichteigenschaften des Gels zu ändern.
Zusätzlich erhöht die Teilchenbeimengung den Kompressionsmodul, wodurch sowohl die natürlichen transversalen und Rotationsfrequenzen des Rings und des Gels als Feder-Masse-System erhöht werden. Dadurch wird eine zusätzliche Designflexibilität erreicht, da es möglich ist, die mechanischen Eigenschaften des Gesamtsystems zu ändern.
Auch wenn die Erfindung in den Zeichnungen unter Verwendung einer kreisförmigen Spule gezeigt wurde, sollte klar sein, daß die Spule viele weitere geometrische Formen, wie etwa elliptische oder rechteckige Formen, besitzen kann.
Vergleichtests wurden mit einem Paar von glasfaseroptischen Gyroskopen durchgeführt. Ein Gyroskop war mit einer Meßspule ausgestattet, die aus 75 m optischer Glasfaser mit einem elliptischen Kern hergestellt war und auf eine zylindrische Aluminiumrolle mit einem Durchmesser von 3 Zoll gewickelt wurde. Das andere Gyroskop war mit einer Meßspule aus 75 m der gleichen Glasfaser, die zuvor um eine kegelförmige Rolle mit einem Durchmesser 3 Zoll an einem Ende und 2 Zolle am anderen Ende gewickelt und dann von der Rolle entfernt und entlang ihrer Achse kollabiert worden war, ausgestattet. Jede Meßspule war auf einer heißen Platte mit einem Ende der Spule auf der Platte angeordnet, und der Gyroskopausgang wurde für eine Dauer von 2 Stunden alle 10 Sekunden gemessen. Die Temperatur der heißen Platte wurde ebenfalls über den gleichen Zeitraum gemessen und zusammen mit der ersten Ableitung der Temperaturkurve aufgetragen.
Die Ergebnisse dieser Vergleichstests sind in den 6 und 7 gezeigt. Bei der ersten Spule (6) kann man sehen, daß die Gyroskopausgabe kurz nach dem Anschalten der heißen Platte abfällt und eine Rotation von mehr als –100°/h angibt. Das Gyroskop war jedoch auf einer festen Halterung befestigt. Dann kehrte das Gyroskop zu einem normalen Betrieb zurück. Die Spitze-zu-Spitze-Änderungen der Gyroskopausgabe betrugen 171,4°/h. Bei der zweiten Spule (7) gab es keinen meßbaren Ausschlag in der Gyroskopausgabe und somit keine falsche Angabe der Rotation. Die Spitze-zu-Spitze-Änderungen der Gyroskopausgabe betrugen nur 100°/h.

Claims

Glasfaseroptisches Gyroskop mit einer Lichtquelle (12), einer Spule (20) aus einer optischen Glasfaser mit mehrfachen Wicklungen, wobei die Spule um eine Messachse drehbar ist, mit Vorrichtungen (14, 16, 18) zum optischen Einkoppeln von Licht von der Quelle in die Spule, um gegenläufige Lichtstrahlen in der Spule zu erzeugen, und Photodetektionsvorrichtungen (24), die die gegenläufigen Strahlen empfangen, um ein Ausgangssignal zu erzeugen, das die Rotationsrate der Spule angibt, dadurch gekenn zeichnet, dass die mehrfachen Wicklungen der Spule auf beiden Seiten des die Länge der Glasfaser halbierenden Mittelpunkts der Glasfaser, die die Spule bildet, in der Größe variieren und dass die mehrfachen Wicklungen in der Richtung der Längsachse der Spule kollabiert sind.
Glasfaseroptisches Gyroskop nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich der Änderungen der Größen der mehrfachen Wicklungen auf beiden Seiten des die Länge der Glasfaser halbierenden Mittelpunkts der Glasfaser der gleiche ist.
Glasfaseroptisches Gyroskop nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spule eine kreisförmige Konfiguration in der zu der Längsachse der Spule transversalen Richtung besitzt, wobei der Durchmesser der Wicklungen auf beiden Seiten des die Länge der Glasfaser halbierenden Mittelpunkts der Glasfaser über den gleichen Bereich variiert.
Glasfaseroptisches Gyroskop nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mehrfachen Wicklungen der Spule alle symmetrisch bezüglich einer gemeinsamen Achse der Spule sind.
Glasfaseroptisches Gyroskop nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spule aus einer die Polarisation haltenden, optischen Glasfaser besteht.
Glasfaseroptisches Gyroskop nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spule wenigstens teilweise von Gel (31) umgeben ist.
Glasfaseroptisches Gyroskop nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Gyroskop ein festes Gehäuse (33) aufweist, das das Gel zusammen mit der Spule darin enthält.
Glasfaseroptisches Gyroskop nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass dem Gel Teilchen beigemischt sind.
Glasfaseroptisches Gyroskop nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Gel mit den Wänden des Gehäuses verbunden ist.
Glasfaseroptisches Gyroskop nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Gel einen Youngschen Modul aufweist, der konstant über den Betriebstemperaturbereich des Gyroskops ist, und eine Glasübergangstemperatur besitzt, die unterhalb des Betriebstemperaturbereichs des Gyroskops liegt.
Glasfaseroptisches Gyroskop mit einer Lichtquelle (12), einer Spule (20) aus einer optischen Glasfaser mit mehrfachen Wicklungen, wobei die Spule um eine Messachse drehbar ist, mit Vorrichtungen (14, 16, 18) zum optischen Einkoppeln von Licht von der Quelle in die Spule, um gegenläufige Lichtstrahlen in der Spule zu erzeugen, und Photodetektionsvorrichtungen (24), die die gegenläufigen Strahlen empfangen, um ein Ausgangssignal zu erzeugen, das die Rotationsrate der Spule angibt, dadurch gekennzeichnet, dass die mehrfachen Wicklungen der Spule in der Richtung der Längsachse der Spule kollabiert sind, wobei die Spulenwicklungen, die aus Glasfaser auf beiden Seiten des die Länge der Glasfaser halbierenden Mittelpunkts der Glasfaser geformt sind, über den axialen Erstreckungsbereich der kollabierten Spule hinweg verteilt sind.
Glasfaseroptisches Gyroskop mit einer Lichtquelle (12), einer Spule (20) aus einer optischen Glasfaser mit mehrfachen Wicklungen, wobei die Spule um eine Messachse drehbar ist, mit Vorrichtungen (14, 16, 18) zum optischen Einkoppeln von Licht von der Quelle in die Spule, um gegenläufige Lichtstrahlen in der Spule zu erzeugen, und Photodetektionsvorrichtungen (24), die die gegenläufigen Strahlen empfangen, um ein Ausgangssignal zu erzeugen, das die Rotationsrate der Spule angibt, dadurch gekennzeichnet, dass die mehrfachen Wicklungen der Spule in der Richtung der Längsachse der Spule kollabiert sind, wobei die Spulenwicklungen, die aus Glasfaser auf beiden Seiten des die Länge der Glasfaser halbierenden Mittelpunkts der Glasfaser geformt sind, über den radialen Erstreckungsbereich der kollabierten Spule hinweg verteilt sind.
Glasfaseroptisches Gyroskop mit einer Lichtquelle (12), einer Spule (20) aus einer optischen Glasfaser mit mehrfachen Wicklungen, wobei die Spule um eine Messachse drehbar ist, mit Vorrichtungen (14, 16, 18) zum optischen Einkoppeln von Licht von der Quelle in die Spule, um gegenläufige Lichtstrahlen in der Spule zu erzeugen, und Photodetektionsvorrichtungen (24), die die gegenläufigen Strahlen empfangen, um ein Ausgangssignal zu erzeugen, das die Rotationsrate der Spule angibt, dadurch gekennzeichnet, dass die mehrfachen Wicklungen der Spule in der Richtung der Längsachse der Spule kollabiert sind, wobei die Spulenwicklungen, die aus Glasfaser auf beiden Seiten des Mittelpunkts der Glasfaser geformt sind, über den axialen und den radialen Erstreckungsbereich der kollabierten Spule hinweg verteilt sind.
Glasfaseroptisches Gyroskop nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die mehrfachen Wicklungen der Spule sich über die Spule ändernde Durchmesser besitzen, wobei der Bereich und die Verteilung der unterschiedlichen Durchmesser auf beiden Seiten des die Länge der Glasfaser halbierenden Mittelpunkts der die Spule bildenden Glasfaser dieselben sind.
Glasfaseroptisches Gyroskop nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Spulentwicklungen für jeden unterschiedlichen Durchmesser auf beiden Seiten die Länge der Glasfaser halbierenden Mittelpunkts der Spule bildenden Glasfaser die gleiche ist.
Glasfaseroptisches Gyroskop nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Verteilung der Spulenwicklungen zufällig ist.
Glasfaseroptisches Gyroskop nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die mehrfachen Wicklungen der Spule sich über die Spule ändernde Durchmesser besitzen, wobei der Bereich und die Verteilung der unterschiedlichen Durchmesser auf beiden Seiten des Mittelpunkts der die Spule bildenden Glasfaser dieselben sind.
Glasfaseroptisches Gyroskop nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Spulenwicklungen für jeden unterschiedlichen Durchmesser auf beiden Seiten des Mittelpunkts der die Spule bildenden Glasfaser die gleiche ist.
Glasfaseroptisches Gyroskop mit einer Lichtquelle (12), einer Spule (20) aus einer optischen Glasfaser mit mehrfachen Wicklungen, wobei die Spule um eine Messachse drehbar ist, mit Vorrichtungen (14, 16, 18) zum optischen Einkoppeln von Licht von der Quelle in die Spule, um gegenläufige Lichtstrahlen in der Spule zu erzeugen, und Photodetektionsvorrichtungen (24), die die gegenläufigen Strahlen empfangen, um ein Ausgangssignal zu erzeugen, das die Rotationsrate der Spule angibt, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Glasfaserspule aus mehrfachen Wicklungen einer optischen Glasfaser geformt ist, die in zufälliger Weise um eine gemeinsame Achse gewickelt ist, so dass die Spulenwicklungen, die aus der Glasfaser auf gegenüberliegenden Seiten des die Länge der Glasfaser halbierenden Mittelpunkts der optischen Glasfaser geformt sind, zufällig über die Spule verteilt sind.
Glasfaseroptisches Gyroskop nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulenwicklungen auf gegenüberliegenden Seiten des die Länge der Glasfaser halbierenden Mittelpunkts der Glasfaser zufällig in der axialen Richtung verteilt sind.
Glasfaseroptisches Gyroskop nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulenwicklungen auf gegenüberliegenden Seiten des die Länge der Glasfaser halbierenden Mittelpunkts der Glasfaser zufällig in der radialen Richtung verteilt sind.
Glasfaseroptisches Gyroskop nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulenwicklungen auf gegenüberliegenden Seiten des die Länge der Glasfaser halbierenden Mittelpunkts der Glasfaser zufällig in der axialen und der radialen Richtung verteilt sind.
Glasfaseroptisches Gyroskop nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die mehrfachen Wicklungen der Spule zufällig über die Spule variierende Durchmesser besitzen.
Verfahren zum Formen einer Messspule (20) für ein glasfaseroptisches Gyroskop, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren folgende Schritte umfasst: – Aufwickeln mehrfacher Lagen unterschiedlicher Länge einer optischen Glasfaser in zufälliger Weise um einen Kern (26), so dass die Spulenwicklungen sich in ihrer Größe auf beiden Seiten des die Länge der Glasfaser halbierenden Mittelpunkts der optischen Glasfaser ändern; und – Entfernen der resultierenden Spule von dem Kern und axiales Kollabieren der Spule.
Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulenwicklungen auf gegenüberliegenden Seiten des die Länge der Glasfaser halbierenden Mittelpunkts der Glasfaser zufällig in der axialen Richtung verteilt sind.
Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulenwicklungen auf gegenüberliegenden Seiten des die Länge der Glasfaser halbierenden Mittelpunkts der Glasfaser zufällig in der radialen Richtung verteilt sind.
Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulenwicklungen auf gegenüberliegenden Seiten des die Länge der Glasfaser halbierenden Mittelpunkts der Glasfaser zufällig in der axialen und der radialen Richtung verteilt sind.
Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass die mehrfachen Wicklungen der Spule zufällig über die Spule variierende Durchmesser besitzen.
Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern sich im Durchmesser entlang seiner Länge ändert.
Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern in der radialen Richtung kollabierbar ist und dass der Kern kollabiert wird, nachdem die Spule darauf aufgewickelt worden ist, um ein Entfernen derselben von dem Kern zu ermöglichen.
Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser des Kerns entlang seiner Länge variiert und dass Glasfaser auf beiden Seiten des die Länge der Glasfaser halbierenden Mittelpunkts auf Bereiche des Kerns gewickelt werden, die sich über denselben Durchmesserbereich erstrecken.
Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass als Glasfaser eine die Polarisierung haltende Glasfaser eingesetzt wird.
Verfahren zum Formen einer Messspule (20) für ein glasfaseroptisches Gyroskop, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren folgende Schritte umfasst: – Aufwickeln mehrfacher Lagen kontinuierlicher Länge einer optischen Glasfaser um einen kegelförmigen Kern (26); und – Entfernen der resultierenden mehrschichtigen Spule von dem kegelförmigen Kern und axiales Kollabieren der Spule.
Verfahren nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, dass der Aufwickelpunkt in der longitudinalen Richtung entlang der Oberfläche des kegelförmigen Kerns auf zufällige Weise während des Aufwickelns der Spule vor- und zurückbewegt wird, so dass Spulenwicklungen auf gegenüberliegenden Seiten des die Länge der Glasfaser halbierenden Mittelpunkts der Glasfaser zufällig in der axialen Richtung verteilt sind.
Verfahren nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel zwischen der Achse des kegelförmigen Kerns und der kegelförmigen Oberfläche des Kerns zwischen 40° und 80° liegt.