DE19638203C2 - Optischer Sensor für Rotationsbewegungen - Google Patents
Optischer Sensor für RotationsbewegungenInfo
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Description
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 A1 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.
Aus der EP 551 874 A2 ist ein optischer Sensor für
Rotationsbewegungen mit einer Strahlungsquelle zum Abgeben von
Strahlung in eine Faseroptik bekannt, in die eine
Strahlteilereinrichtung zum Aufteilen der Strahlung in zwei
Teilstrahlen eingekoppelt ist, welche eine Faserwicklung in zwei
entgegengesetzten Richtungen durchlaufen. Vorgesehen ist eine
Modulatoreinrichtung zum Erzeugen einer unterschiedlichen
Phasenverschiebung der beiden Teilstrahlen, so daß die
Phasendifferenz unterschiedlich moduliert ist. Die
Modulatoreinrichtung weist einen elektrisch angesteuerten
Piezokörper auf, wobei die Faserwicklung zumindest teilweise auf
den Piezokörper aufgebracht ist.
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
Zeichnung 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 Gyroscopes" J.
Phys. E: Sci. Instrum., 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:
Pin: Leistung der Spektrallinie bei der einfachen Modulationsfrequenz
γ: Kontrast des Interferenzsignals
Pin: 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)
ωm: Modulationskreisfrequenz
Lm: Länge des Faserstückes
L: Gesamtlänge der Hauptwicklung inkl. moduliertes Faserstück
D: Durchmesser der Hauptwicklung
τm: Laufzeit des Lichtes durch das modulierte Faserstück
τ: Laufzeit des Lichtes durch die gesamte Hauptwicklung inkl. moduliertem Faserstück
λ: Vakuumwellenlänge des Lichts
c: Vakuumlichtgeschwindigkeit
γ: Kontrast des Interferenzsignals
Pin: 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)
ωm: Modulationskreisfrequenz
Lm: Länge des Faserstückes
L: Gesamtlänge der Hauptwicklung inkl. moduliertes Faserstück
D: Durchmesser der Hauptwicklung
τm: Laufzeit des Lichtes durch das modulierte Faserstück
τ: 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 Lm 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 ωm.τm « 1 und τm « 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 ωm.τ < 2.π, so daß es nur ein Extremum für k = 0 an der Stelle
τm = 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 (4)
1. Optischer Sensor für Rotationsbewegungen, mit einer
Strahlungsquelle (2) zum Abgeben von Strahlung in eine
Faseroptik, in die eine Strahlteilereinrichtung (3) zum
Aufteilen der Strahlung in zwei Teilstrahlen eingekoppelt ist,
welche eine Faserwicklung (7), die zumindest teilweise auf einen
Piezokörper (5, 6) aufgebracht ist, in zwei entgegengesetzte
Richtungen durchlaufen, mit einer Modulatoreinrichtung, die den
Piezokörper (5, 6) enthält, der elektrisch angesteuert ist 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 (7) feststellbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß
die Modulationsfrequenz der Phasenmodulation 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.
2. Optischer Sensor nach Anspruch 1,
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.
3. Optischer Sensor nach Anspruch 2,
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.
4. 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.
Priority Applications (1)
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DE1996138203 DE19638203C2 (de) | 1996-09-19 | 1996-09-19 | Optischer Sensor für Rotationsbewegungen |
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DE1996138203 DE19638203C2 (de) | 1996-09-19 | 1996-09-19 | Optischer Sensor für Rotationsbewegungen |
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DE19638203A1 DE19638203A1 (de) | 1998-04-02 |
DE19638203C2 true DE19638203C2 (de) | 1998-07-02 |
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ID=7806105
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DE1996138203 Expired - Fee Related DE19638203C2 (de) | 1996-09-19 | 1996-09-19 | Optischer Sensor für Rotationsbewegungen |
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Families Citing this family (1)
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DE3606802A1 (de) * | 1986-03-01 | 1987-09-03 | Teldix Gmbh | Einrichtung zur messung der drehgeschwindigkeit |
WO1993005364A1 (de) * | 1991-09-02 | 1993-03-18 | Robert Bosch Gmbh | Optischer sensor für rotationsbewegungen |
DE4127859A1 (de) * | 1991-08-22 | 1993-07-08 | Teldix Gmbh | Einrichtung zur messung der drehgeschwindigkeit |
EP0551874A2 (de) * | 1992-01-16 | 1993-07-21 | Japan Aviation Electronics Industry, Limited | Faseroptischer Kreisel |
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1996
- 1996-09-19 DE DE1996138203 patent/DE19638203C2/de not_active Expired - Fee Related
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