DE19638203A1

DE19638203A1 - Optischer Sensor für Rotationsbewegungen

Info

Publication number: DE19638203A1
Application number: DE1996138203
Authority: DE
Inventors: Siegbert Steinlechner; Goetz Dr Kuehnle; Thomas Alt
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1996-09-19
Filing date: 1996-09-19
Publication date: 1998-04-02
Anticipated expiration: 2016-09-20
Also published as: DE19638203C2

Description

Stand der Technik

Die Erfindung bezieht sich auf einen optischen Sensor für Rotationsbewegungen mit einer Strahlungsquelle zum Abgeben von Strahlung in eine Faseroptik, in die eine Strahlteilerein richtung zum Aufteilen der Strahlung in zwei Teilstrahlen eingekoppelt ist, welche eine Faser wicklung in zwei entgegengesetzten Richtungen durchlaufen, mit einer Modulatoreinrichtung zum Erzeugen einer unterschiedlichen Phasenverschiebung der beiden Teilstrahlen, so daß die Phasendifferenz unterschiedlich moduliert ist, und mit einer Auswerteeinrichtung, mit der aus der Modulation der Phasendifferenz eine Rotationsbewegung der Faserwicklung feststellbar ist.

Ein derartiger optischer Sensor ist in der WO-93 05364 angegeben. Dieser bekannte optische Sensor weist eine ringförmige Faserwicklung auf, die von zwei Teilstrahlen in entgegengesetzten Richtungen durchlaufen wird. Die beiden Teilstrahlen sind frequenzmoduliert, und ein Teilstrahl durchläuft einen optischen Umweg, der zu einer Frequenzverschiebung führt. Die Drehung der Faserwicklung führt zu einer Änderung der Phasenlage, so daß mittels einer Auswerteeinrichtung eine Drehrate der Faserwicklung feststellbar ist. Der optische Sensor ist besonders geeignet als Faserkreisel oder Drehratensensor.

Ein weiterer optischer Sensor in Form eines Faserkreisels ist in der DE 41 27 859 A1 angegeben. Auch hierbei wird die Drehgeschwindigkeit nach dem Sagnac-Prinzip gemessen, wobei zwei Teilstrahlen die Faserwicklung in entgegengesetzter Richtung durchlaufen. Um die Phasendiffe renz der beiden Teilstrahlen zu modulieren, ist eine von der Faserwicklung getrennte Modulator einrichtung vorgesehen, wobei nähere Angaben zur Wirkungsweise der Modulatoreinrichtung nicht gemacht sind.

Bei den bekannten optischen Sensoren ist nachteilig, daß die Gesamtfaserlänge und der Durch messer der Faserwicklung relativ groß sind und der Aufbau aufwendig ist.

Vorteile der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen optischen Sensor der eingangs angegebenen Art bereitzustellen, dessen Aufbau bei relativ hoher Empfindlichkeit weniger aufwendig ist.

Diese Aufgabe wird mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Hiernach ist also vorgesehen, daß die Modulatoreinrichtung mindestens einen elektrisch angesteuerten Piezokörper aufweist, daß die Faserwicklung zumindest teilweise auf dem Piezokörper (5, 6) aufgebracht ist und daß die Faserwicklung über den Piezokörper unterschiedlich modulierbar ist. Durch Verwendung der der Erzeugung des Meßsignals unter Ausnutzung des Sagnac-Effekts dienenden Faserwicklung gleichzeitig zur Modulation der Phasendifferenz, wobei die Faserwick lung auf einen Piezokörper zumindest teilweise aufgewickelt ist, kann die der Modulation dienende Längenänderung der aufgewickelten Faser durch Änderung des Durchmessers des Piezokörpers bei der elektrischen Ansteuerung in verhältnismäßig weiten Bereichen bewirkt werden. Dadurch kann umgekehrt die Amplitude des Piezokörpers minimiert werden, wodurch die Anforderungen an eine Treiberelektronik reduziert werden. Durch die gleichzeitige Verwen dung der Faserwicklung zur Modulation und zur Erzeugung des Meßsignals wird der sonst störende Einfluß des Phasenmodulators auf die der Erzeugung des Meßsignals dienende Faser wicklung eliminiert und gewinnbringend eingesetzt. Der Piezotubus dient gleichzeitig als Halte rung der Faserwicklung und zur Realisierung der Modulation. Dadurch wird der Aufbau des optischen Sensors vereinfacht und kompakter, die Anzahl der Komponenten wird verringert, woraus eine Verringerung der Kosten resultiert. Zu einer erheblichen Senkung der Kosten führt auch, daß die Gesamtfaserlänge auf ein Minimum reduziert werden kann.

Die Modulation der Phasendifferenz für Modulationsfrequenzen kleiner als der Kehrwert der Strahllaufzeit durch die halbe Faserwicklung ist genau dann maximal, wenn die Hälfte der Faser der Hauptwicklung moduliert wird. In diesem Fall ist die Länge der modulierten Faser nicht mehr gegenüber der nicht modulierten Faser vernachlässigbar, so daß auch die Faser der Modulator einrichtung zum Sagnac-Effekt beiträgt.

Die Modulation der Phasendifferenz der beiden Teilstrahlen kann dadurch noch weiter erhöht werden, daß die Faserwicklung in zwei Hälften aufgeteilt ist und daß die beiden Hälften der Faserwicklung mittels der Modulatoreinrichtung gegenphasig betrieben sind. Dabei ist der Aufbau vorteilhafterweise derart, daß für die beiden Hälften der Faserwicklung zwei getrennte Piezokörper vorgesehen sind oder daß ein Piezokörper vorgesehen ist, dessen eine Elektrode entsprechend den beiden Hälften geteilt ist. In diesem Fall ist die gesamte Faserwicklung für die Modulatoreinrichtung ausgenutzt, und die Funktionen Phasenmodulator und Erzeugung des Meßsignals unter Ausnutzung des Sagnac-Effekts sind in der Modulatoreinrichtung vereint.

Ist weiterhin vorgesehen, daß der Piezokörper als Piezotubus ausgebildet ist und daß die gegebenenfalls geteilte Elektrode die Innenelektrode des Piezotubus ist, so wird nur ein einziger Piezokörper bei Ausnutzung der gesamten Faserwicklung für die Modulatoreinrichtung benötigt.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen optischen Sensor in Form eines interferometrischen faseroptischen Gyroskops mit modulierter Faserwicklung und

Fig. 2 ein als bekannt angenommenes interferometrisches faseroptisches Gyro skop mit von der Faserwicklung getrennter Modulatoreinrichtung.

Anhand der Fig. 2 wird zunächst ein optischer Sensor 1 in Form eines interferometrischen faseroptischen Gyroskops erläutert, wie es vorliegend als bekannt angenommen wird. Eine von einer Strahlungsquelle 2, z. B. einer Laserdiode, abgegebene Strahlung wird über einen ersten und einen zweiten Faserkoppler 3 bzw. 4 geleitet und in zwei Teilstrahlen aufgeteilt, die in entgegengesetzter Richtung eine aus einer Lichtleitfaser 9 oder einem Lichtleitfaserbündel gebildete Faserwicklung 7 in entgegengesetzten Richtungen durchlaufen. Die beiden Teilstrahlen werden nach Durchlaufen der Faserwicklung 7 und einer Modulatoreinrichtung mit einem Piezokörper 5′ über den ersten und zweiten Faserkoppler 3, 4 einem Detektor 8 zugeführt, der einen Teil einer Auswerteeinrichtung bildet.

Bei Drehung der Faserwicklung 7 benötigen die beiden Teilstrahlen nach dem Sagnac-Effekt unterschiedliche Laufzeiten durch die Faserwicklung, so daß sich eine Phasenverschiebung der beiden Teilstrahlen ergibt. Mittels der Modulatoreinrichtung wird die Phasendifferenz der beiden Teilstrahlen moduliert, um sie mit der Auswerteeinrichtung zuverlässig auswerten zu können. Diese Zusammenhänge sind in der Literatur (B. Culshaw, I.P. Giles: "Fibre Optic Gyrnscopes" J. Phys. E: Sci. lnstrum., Vol. 16, 1983; DE 41 27 859 A1; siehe auch die eingangs genannte WO 93/05364) näher erläutert, so daß wegen Einzelheiten auf diese Literaturstellen hingewiesen sei.

Bei derartigen herkömmlichen Optischen Sensoren 1 ist für eine zuverlässige Erfassung von Drehraten eine möglichst große Faserlänge erforderlich, die unter anderem durch eine möglichst große von der Faserwicklung 7 umfaßte Fläche A erzielt wird. Bei den als bekannt angenomme nen faseroptischen Gyroskopen wird nur ein kleiner Teil der insgesamt für die Haupt-Faserwick lung 7 verwendeten Lichtleitfaser 9 für die Modulatoreinrichtung mit dem Piezokörper 5, verwen det, wobei der Sagnac-Effekt in der Modulatoreinrichtung vernachlässigbar ist. D.h. die Funktio nen Phasenmodulation und Erzeugung des Meßsignals unter Ausnutzung des Sagnac-Effekts sind getrennt.

Erfindungsgemäß ist die für das Meßsignal zuständige Faserwicklung 7 zumindest teilweise auf dem Piezokörper 5, 6 der Modulatoreinrichtung aufgebracht, wie Fig. 1 zeigt. Mit dieser Maß nahme wird die relativ große Länge der Faserwicklung 7 ausgenutzt, um die Modulation zu vergrößern bzw. die Amplitude des z. B. als Piezotubus ausgebildeten Faserkörpers 5, 6 relativ gering zu halten, da sich bei konstanter Amplitude des Piezokörpers 5, 6 die Modulation durch Verlängern der modulierten Lichtleitfaser 9 vergrößern läßt. Die gesamte Faserwicklung wird dabei ungleichförmig moduliert, da bei gleichförmiger Modulation die Modulation der Phasendiffe renz der beiden Teilstrahlen verschwindet. Man kann zeigen, daß die Modulation der Phasendif ferenz für Modulationsfrequenzen kleiner als der Kehrwert der Lichtlaufzeit durch die halbe Faserwicklung 7 genau dann maximal wird, wenn die Hälfte der Lichtleitfaser 9 der Faserwick lung 7 moduliert wird.

In diesem Fall ist die Länge der modulierten Lichtleitfaser 9 nicht mehr gegenüber der nicht modulierten Lichtleitfaser 9 vernachlässigbar, so daß auch der Faseranteil der Modulatorein richtung zum Sagnac-Effekt beiträgt.

Die Modulation der Phasendifferenz der beiden Teilstrahlen kann noch erhöht werden (Faktor 2), wenn statt einer Modulatoreinrichtung für eine Hälfte der Faserwicklung 7 zwei gegenphasig betriebene Modulatoreinrichtungen für die beiden Hälften der Faserwicklung 7 eingesetzt werden. In diesem Fall ist die gesamte Faserwicklung 7 für die Modulatoreinrichtung ausgenutzt, die die Funktionen Modulation und Erzeugung des Meßsignals unter Ausnutzung des Sagnac- Effekts in sich vereint.

Werden die beiden Piezokörper 5, 6 der Modulationseinrichtung z. B. durch einen einzigen Piezotubus mit geteilter Innenelektrode ersetzt so lassen sich beide Modulatorabschnitte vorteilhaft mit nur einem Piezokörper realisieren.

Im folgenden wird die Wirkungsweise des erfindungsgemäßen optischen Sensors 1 anhand eines Ausführungsbeispiels noch näher erläutert. Dabei wird von einer kosinusförmigen Durchmesser modulation des Piezotubusses ausgegangen, so daß ein Linienspektrum bei Vielfachen der Modulationsfrequenz entsteht. Die zu messende Drehrate spiegelt sich dann in der Leistung der Spektrallinien wider. Die Leistungen bei ungeradzahligen Vielfachen der Modulationsfrequenz hängen sinusförmig von der zu messenden Drehrate ab (hohe Empfindlichkeit), und die Leistun gen bei geradzahligen Vielfachen hängen kosinusförmig von der Drehrate ab (niedrige Empfind lichkeit). Bei kleinen Modulationsamplituden ist der Einfluß der Drehrate auf die Spektrallinie bei der einfachen Modulationsfrequenz am stärksten. Deshalb wird im folgenden diese betrachtet. Außerdem ist der Phasenmodulationseffekt am größten, wenn die Modulatoreinrichtung mög lichst unsymmetrisch in der Faserwicklung 7 angebracht ist. Im folgenden wird deshalb an genommen, daß er sich direkt hinter dem zweiten Koppler in der Hauptwicklung befindet.

Leistung der Spektrallinie bei der einfachen Modulationsfrequenz:

mit:

und

P₁: Leistung der Spektrallinie bei der einfachen Modulationsfrequenz
γ : Kontrast des Interferenzsignals
P_in : in die Faser eingekoppelte Leistung
J₁: Bessel-Funktion 1. Ordnung
Φ : wirksame Amplitude der Phasenmodulation
s : Skalierungsfaktor
Ω : zu messende Drehrate
n : Berechnungsindex
δ : Amplitude der Durchmessermodulation des Piezotubusses (relative Durchmesseränderung)
ω_m : Modulationskreisfrequenz
L_m : Länge des Faserstückes
L : Gesamtlänge der Hauptwicklung inkl. moduliertes Faserstück
D : Durchmesser der Hauptwicklung
τ_m : Laufzeit des Lichtes durch das modulierte Faserstück
τ_t : Laufzeit des Lichtes durch die gesamte Hauptwicklung inkl. moduliertem Faserstück
λ : Vakuumwellenlänge des Lichts
c : Vakuumlichtgeschwindigkeit.

Gl. (1) zeigt, daß die Leistung der gewählten Spektrallinie, und damit das Signal-Rausch-Verhält nis, maximal wird, wenn J₁ maximal ist. Dies ist für |Φ| ≈ 1 ,843 der Fall. Dieser Wert ist für kurze modulierte Faserlängen L_m und insbesondere für kleine Amplituden der Durchmessermodu lation des Piezotubusses δ unter Umständen nur schwer erreichbar. Deshalb wird im Folgenden untersucht, wie man die modulierte Faserlänge bei konstanter Gesamtfaserlänge wählen muß, damit |Φ| möglichst groß wird.

In Gl. (2) ist berücksichtig, daß sich die Faserlänge während des Durchlaufes der Strahlung durch das modulierte Faserstück ändert. Üblicherweise wird das nicht berücksichtigt, d. h. die Modulatoreinrichtung in Form des Phasenmodulators wird als diskretes Bauteil behandelt. Die Gleichung für den diskreten Phasenmodulator erhält man im Grenzfall ω_m·τ_m « 1 und τ_m « τ.

Behandelt man den Phasenmodulator als diskretes Bauteil, wie in Gl. (4), so wächst die wirk same Amplitude der Phasenmodulation einfach linear mit der modulierten Faserlänge an. Physika lisch richtig wäre jedoch, daß die wirksame Amplitude der Phasenmodulation Null wird, wenn die gesamte Faser moduliert wird. Dies wird durch Gl. (2) korrekt beschrieben.

Gl. (2) zeigt, daß die wirksame Amplitude der Phasenmodulation Extrema hat, wenn gilt:

für ganze Zahlen k und

Die wirksame Amplitude der Phasenmodulation hat an diesen Stellen folgende Werte:

In bekannten Faserkreiseln gilt ω_m·τ ≺ 2·π, so daß es nur ein Extremum für k = 0 an der Stelle τ_m = τ/2, d. h. die halbe Faserlänge wird moduliert, gibt.

Bringt man 2 gleiche, gegenphasig betriebene Phasenmodulatoren an beiden Enden der Faser wicklung an, so müssen einige der obigen Gleichungen wie folgt modifiziert werden: Die Gln. (2), (4) und (6) müssen mit einem Faktor 2 multipliziert werden. D.h. die wirksame Amplitude der Phasenmodulation vergrößert sich um einen Faktor 2.

Claims

1. Optischer Sensor für Rotationsbewegungen mit einer Strahlungsquelle zum Abgeben von Strahlung in eine Faseroptik, in die eine Strahlteilereinrichtung zum Aufteilen der Strah lung in zwei Teilstrahlen eingekoppelt ist, welche eine Faserwicklung in zwei entgegen gesetzten Richtungen durchlaufen, mit einer Modulatoreinrichtung zum Erzeugen einer unterschiedlichen Phasenverschiebung der beiden Teilstrahlen, so daß die Phasendiffe renz unterschiedlich moduliert ist, und mit einer Auswerteeinrichtung, mit der aus der Modulation der Phasendifferenz eine Rotationsbewegung der Faserwicklung feststellbar ist,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Modulatoreinrichtung mindestens einen elektrisch angesteuerten Piezokörper (5, 6) aufweist,
daß die Faserwicklung (7) zumindest teilweise auf dem Piezokörper (5,6) aufgebracht ist und
daß die Faserwicklung (7) über den Piezokörper (5,6) unterschiedlich modulierbar ist.

2. Optischer Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Modulationsfrequenz der Phasenmodulation der Phasendifferenz kleiner als der Kehrwert der Strahllaufzeit durch die halbe Faserwicklung (7) ist und
daß die Hälfte der Faserwicklung (7) mittels des Piezokörpers (5, 6) moduliert ist.

3. Optischer Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Faserwicklung (7) in zwei Hälften aufgeteilt ist und
daß die beiden Hälften der Faserwicklung (7) mittels der Modulatoreinrichtung ge genphasig betrieben sind.

4. Optischer Sensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß für die beiden Hälften der Faserwicklung (7) zwei getrennte Piezokörper (5, 6) vorgesehen sind oder
daß ein Piezokörper vorgesehen ist, dessen eine Elektrode entsprechend den beiden Hälften geteilt ist.

5. Optischer Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß der Piezokörper (5, 6) als Piezotubus ausgebildet ist und
daß die gegebenenfalls geteilte Elektrode die Innenelektrode des Piezotubus ist.