DE2202207A1

DE2202207A1 - Einrichtung zum Messen von Drehbewegungen

Info

Publication number: DE2202207A1
Application number: DE19722202207
Authority: DE
Inventors: Killpatrick Joseph E
Original assignee: Honeywell Inc
Current assignee: Honeywell Inc
Priority date: 1971-01-21
Filing date: 1972-01-18
Publication date: 1972-08-03
Also published as: NL7200912A; CA948435A; GB1335636A

Description

220Z2.07

02-4517 Ge 14. Januar 1972

HONEYVJELL IKC.
2701 Fourth Avenue South
Minneapolis, Minn., USA

Einrichtung zum Messen von Drehbewegungen

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Messen von Drehbewegungen durch Vergleich der Frequenz zweier gegenläufig
in einem geschlossenen,der Drehbewegung ausgesetzten Umlaufpfad umlaufender elektromagnetischer Strahlenbündel annähernd gleicher Frequenz, insbesondere Laserstrahlenbündel,.wobei ein Teil beider Strahlenbündel aus dem UmIaufpfad herausgeleitct wird und auf einem optischen Detektor ein der Frequenzdifferenz entsprechendes Streifenmuster erzeugt. Solche, vielfach auch als Laserkreisel bezeichnete Meßeinrichtungen sind beispielsweise aus den deutschen Patentschriften 1 292 899 und 1 300 soviie aus der Offenlegungsschrift 2 021 512 bekannt. Als optischer Detektor dient dabei moistens ein optisch-elektrischer Umformer, auf dessen optisch wirksamer Eingangsseite von den beiden Teilstrahlenbündeln ein bandförmiges Streifenmuster
erzeugt wird, welches sich mit einer von der Größe des Frequenzunterschiedes abhängigen Geschwindigkeit in einer vom
Vorzeichen des Frequenzunterschiedes abhängigen Richtung bewegt. Zwei fotoelektrische Fühler erzeugen entsprechend der
Bewegung des Streifenmusters um 90° gegeneinander phasenverschobene elektrische Signale.

Aus den obengenannten Druckschriften sind Maßnahmen zum Vermeiden des Mit Ziehens der Frequenz des einen Strahlenbündel

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durch das andere Strahlenbündel bei geringen Drehgeschwindigkeiten bekannt. Eine dieser Maßnahmen besteht darin, daß der gesamte Umlaufpfad in Drehschwingungen um die Empfindlichkeitsachse versetzt wird. Dies erfordert eine starre Lagerung der optischen Teile der Meßeinrichtung auf dem in Drehschwingungen zu versetzenden Träger, damit der kleine Winkel zwischen den beiden das Streifenmuster erzeugenden Strahlenbündeln auf jeden Fall konstant gehalten wird und zwar auch dann, wenn die Meßeinrichtung unterschiedlichen Temperaturen ausgesetzt ist. fei den bekannten Einrichtungen dieser Art, wird eine aus Spiegeln und Prismen bestehende Anordnung verwendet, um die gewünschte Winkellage aufrechtzuerhalten. Ein modifiziertes Porrp-Prisna reflektiert das eine Strahlenbündel auf einen Spiegel, welcher seinerseits dieses Strahlenbündel auf den optischen Detektor reflektiert, welches zusammen mit dem anderen Teilstrahlenbündel, welches den teildurchlässigen Spiegel durchsetzt, auf dem optischen Detektor das Streifenmuster bildet. Der Nachteil eines solchen Porro-Prismas liegt darin, daß die gewünschte Strahlausrichtung nur in einer Ebene vorhanden ist und somit das Prisma sehr genau in der Orthogonalebene ausgerichtet bleiben muß, um die erforderliche Strahlausrichtung in der Normaleber.c zur Laserebene aufrechtzuerhalten. Diese Bedingung der genauen Ausrichtung des Prismas verteuert nicht nur die Herstellung der Meßeinrichtung, sondern erschwert auch deren Wartung. Außerdem können bereits geringfügige Lageverschiebungen der optischen Elemente infolge von Temperaturschv/ankungen die Genauigkeit der Meßeinrichtung beeinträchtigen.

Aufgabe der Erfindung ist es, diese Schwierigkeiten mit möglichst einfachen Mitteln zu beheben.

Die Erfindung sieht zur Lösung dieser Aufgabe vor, daß im Strahlenweg des einen aus dem Umlaufpfad herausgeleiteten Teilstrahlenbündelsein Würfelecken-Prisma derart angeordnet ist, daß es das auftreffende Teilstrahlenbündel praktisch parallel auf einen

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optischen Uberlagerer reflektiert, welcher vom anderen Teilstrahlenbündel durchsetzt wird. Durch die Überlagerung der beiden Teilstrahlenbündel wird auf dorr optischen Detektor das Streifenmuster erzeugt.

Der wesentliche Vorteil der Verwendung eines Kürfelecken- Prismas im Vergleich zur bisherigen Technik liegt darin, daß die stündige genaue Ausrichtung des Pris.p.ss gegenüber den anderen optischen Teilen nicht mehr orfordet~lich ist, weil ein Würfelecken-Prisma einen auftreffenden Strahl unabhängig vom Einfallswinkel ties Strahls praktisch stets parallel zum einfallenden Strahl reflektiert. Hierdurch werden die bei Meßeinrichtungen be);annter Art erforderlichen Wartungskosten wesentlich verringert. Außerdem ist die neue Heßeinrichtung kaum noch temperaturempfindlich.

Als optischer Uberlagerer der beiden Strahlenbündel ist in weiterer Ausbildung der Erfindung ein teildurchlässiger Spiegel mit zumindest teilreflektierender Rückseite vorgesehen, dessen Vorderseite der Strahlenbündelführung im Uniaufpfad dient und welcher von den beiden aus dem Umlaufpfad herauszuleitenden Teilstrahlenbündeln durchsetzt wird. Im Strahlcnweg des einen Teilstrahlenbündels ist das l'ürfelecken-Prisma derart angeordnet, daß es dieses Teilstrahlenbündel auf die Rückseite des Spiegels reflektiert, von der es auf den optischen Detektor reflektiert wird. Das andere Teilstrahlenbündel fällt durch den teildurchlässigen Spiegel hindurch direkt auf den optischen Detektor.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert.

Die Meßeinrichtung enthält ein Lasermedium, welches in einen Umlaufpfad 1 zwei praktisch monochromatische, elektromagnetische Strahlenbündel erzeugt. .Diese laufen in entgegengesetzter

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Richtung in dem dreieckförmigen durch die beiden totalreflektierenden Spiegel 2 und 3 und den teildurchlässigen Spiegel 4 gebildeten Umlaufpfad um. Der teildurchlässige Spiegel 4 hat ferner eine teils reflektierende Rückseite 5. Alle drei Spiegel sind jeweils derart angeordnet, daß die Normalen ihrer Flächen den jeweiligen Eclr/inkel halbieren. Ein kleincr Teil des in Richtung der Pfeile 6 umlaufenden Strahlenbündels durchsetzt den teildurchlässigen Spiegel 4 und fällt auf einen fotoelektrischen Detektor 7. Ein Teil des anderen Strahlenbündels, welches in Gegenrichtung, nämlich in Richtung der Pfeile 8 durch den Umlaufpfad 1 läuft, durchsetzt ebenfalls den teildurchlässigen Spiegel und fällt auf ein innenreflektierendes Würfelecken-Prisma 9. Wie bereits erwähnt, hat ein solches Würfelecken-Prisma die Eigenschaft, daß der reflektierte Strahl unabhängig vom Einfallsvinkel des eintretenden Strahls parallel zu diesem verläuft. Das Würfelecken'-Prisma 9 reflektiert somit das Teilstrahlenbündel 8 parallel zurück auf die reflektierende Rückseite des teildurchlässigen Spiegels 4, von welcher das Teilstrahlenbündel ebenfalls auf den optischen Detektor 7 geworfen wird und zwar unter einem kleinen Winkel θ gegenüber dem Teilstrahlenbündel 6. Dieser Winkel θ zwischen den beiden Strahlen läßt das Streifenmuster auf der lichtempfindlichen Eingangsseite des Detektors 7 entstehen. Der Detektor stellt üblicherweise einen optisch-elektrischen Wandler dar, der aus der Bewegungsgeschwindigkeit und Bewegungsrichtung des Streifenmusters ein der Drehgeschwindigkeit und Drehrichtung der Meßeinrichtung proportionales Signal ableitet. Der Winkel θ kann auf verschiedene Weise erzeugt werden, beispielsweise durch einen Keilwinkel im Spiegel 4, eine geringfügige Fehlausrichtung des Würfelecken-Prismas oder durch optische Keile im Laserpfad. Das resultierende Streifenmuster besteht aus abwechselnden Hell-Dunkel-Linien, die sich in der einen oder der anderen Richtung über den Detektor bewegen und zwar je nach Drehrichtung .der Meßeinrichtung um die Emptindlichkeitsachse 10. Die Eewegungs-

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geschwindigkeit des Streifenmusters auf den Detektor ist der Drehgeschwindigkeit der Meßeinrichtung um die E-npfindlichkeitsachse 10 proportional.

Um das Mitziehen der beiden Strahlenbündelfrequenzen zu vermeiden, kann auch die Einrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zusätzlichen mechanischen Drehschwingungen um die Empfindlichkeitsachse unterworfen werden. Die hierdurch bedingten mechanischen Beanspruchungen, welche unter Umständen geringfügige Lageverschiebungen der optischen Elemente zur Folge haben können, sind infolge der Verwendung des Würfelecken-'Prismas ohne nachteilige Auswirkungen auf das Meßergebnis, weil der Winkel θ konstant bleibt, selbst wenn die' optischen Elemente geringfügig um eine zur Empfindlichkeitsachse senkrechte Achse fehlausgerichtet sind. Es ist nicht mehr erforderlich, die Ausrichtung der optischen Bauteile genau stets derart aufrechtzuerhalten, daß die Normale auf der Frontfläche des Prismas in der Zeichnungsebene liegt.

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Claims

Patentansprüche

ί 1.1 Einrichtung zum Messen von Drehbewegungen durch Vergleich der Frequenzen zweier gegenläufig in einem geschlossenen, der Drehbewegung ausgesetzten Umlaufpfad umlaufender elektromagnetischer Strahlenbündel annähernd gleicher Frequenz, insbesondere Laserstrahlenbündel, v;obei ein Teil beider Strahlenbündel aus dem Umlaufpfad herausgeleitet wird und auf einem optischen Detektor ein der Frequenzdifferenz entsprechendes Streifenmuster erzeugt, dadurch gekennzeichnet, daß im Strahlenweg des einen aus dem Umlaufpfad (1) herausgeleiteten Teilstrahlenbündels (8) ein Würfelecken-Prisma (9) derart angeordnet ist, daß es das auftreffende Teilstrahlenbündel praktisch parallel auf einen optischen Überlagerer (4,5) reflektiert, welcher vom anderen Teilstrahlenbündel (6) durchsetzt wird.
2. Einrichtung nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, daß als optischer überlagerer ein teildurchlässiger Spiegel (4) mit zumindest teilreflektierender Rückseite (5) vorgesehen ist, dessen Vorderseite der Strahlenbündelführung im Umlaufpfad (1) dient, und welcher von den beiden aus dem Umlaufpfad herauszuleitenden Teilstrahlenbündeln (6_r8) durchsetzt wird, und daß im Strahlenweg des einen Teilstrahlenbündels (8) das Würfelecken-Prisma (9) derart angeordnet ist, daß es dieses Teilstrahlenbündel auf die Rückseite (5) des Spiegels (4) reflektiert, von der es auf den optischen Detektor (7) reflektiert wird, während das andere Teilstrahlenbündel (6) direkt auf den optischen Detektor (7) fällt.

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3. Einrichtung nach Anspruch 2,dadur ch gekennzeichnet/ daß der als optischer überlagerer dienende teildurchlässige Spiegel (4) an einer Ecke des vorzugsweise dreieckförmigen Umlaufpfades (1) derart angeordnet ist, daß seine Normale den Eckwinkel halbiert.

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