DE2451124C3 - Einrichtung zur Messung einer absoluten Drehwinkelgeschwindigkeit - Google Patents

Description

Die Erfinduufe. bezieht sich auf eine Einrichtung zur Messung einer absoluten Drehvinkelgeschwindigkeit unter Ausnutzung der relativen Änderung von kreisförmigen, in sich geschlossenen, auf Resonanz abgestimmten Wellenleitern infolge Drehung und Bildung der Differenz von im Drehsinn und im Gegensinn verlaufenden Wellen, wobei ein spiralig gewundener Wellenleiter verwendet wird.

Es ist bekannt, stehende Wellen auf Lecherleitungen zu erzeugen. Diese stehenden Wellen kann man auch auf kreisförmig gebogenen Lecherleitungen erzeugen. 30 messen.

len nicht arbeiten kann, sondern zu wesentlich kürzeren elektromagnetischen Wellen übergehen muß. Es bieten sich die Lichtwellen als geeignete elektromagnetische Energie an.

Es ist bereits eine Anordnung zur Messung der Drehgeschwindigkeit bekannt (Appl. Phys. Lett. VoI 2, No. 3, 1. Feb. 1963, (I)), bei der als Verstärker Gaslaser verwendet werden. Hierfür wurden vier Gasrohren mit Brewster-Winkelfenstem und vier außenliegende Eckspiegel verwendet Da die ungedämpfte Wellenschwingung dadurch erreicht wird, daß die Wellen um den kompletten optischen Ring von 1 m Kantenlänge herumgeleitet statt zurückgespiegelt werden, sind die Schwingungen im Uhrzeiger- und Gegenuhrzeiger-Sinn .'oneinander unabhängig. Diese Schwingungen werden durch einen Eckspiegel herausgezogen, durch äußere Kombinationsoptiken kollinear gemacht und auf einer Fotokathode gemischt. Bei Veränderung der Drehgeschwindigkeit des gesamten Systems wurden Differenzfrequenzen von 1 bis 40 kHz erreicht

Die Frequenzverschiebung ergibt sich aus der durch die Drehung verursachten unterschiedlichen Wellenleiter-Weglängenänderung. Die hieraus resultierende Differenzfrequenz ist deshalb frequenzmäßig proportional der Winkelgeschwindigkeit. Hier ergibt sich z. B. die Möglichkeit, die Erddrehgeschwindigkeit zu messen (9,6° pro Stunde auf der Breite von Great Neck, New York). Es wird ebenfalls an die Möglichkeit gedacht, die Umlaufgeschwindigkeit der Erde um die Sonne zu

Voraussetzung ff> stehende Wellen ist der reflektierende Abschluß am Ende der Lecherleitung Diesen Abschluß kann man fortfallen lassen, wenn an Stelle der Reflexion die elektromagnetische Energie der Lecher-Auch für die Navigation bringt eine derartige Anordnung erhebliche Vorteile, da es sich um ein System ohne bewegte Teile handelt und daher keine Beschleunigungsempfindlichkeit auftritt. Die bekannte

leitung phasengetreu wieder in den - infang hineinfließt. 35 Anordnung (1) verbessert größenmäßig die Empfind-

An Stelle einer Lecherleitung, deren Ende wieder in den ■■■·■· · ·

Anfang hineinfließt, kann man auch einen ringförmig geschlossenen Hohlleiter nehmen. Die in diesen elektromagnetischen Systemen erzeugte Resonanzfrequenz stimmt mit der Frequenz der stehenden Wellen überein. Zur Erzeugung von stehenden Wellen ist es ggf. erforderlich, in den Hohlleiter oder in die Lecherleitung Verstärker einzubauen, die die vorhandene elektromagnetische Energie phasengetreu verstärken. Sorgt man Iichkeit der klassischen Versuche von Michelson-GaIe (Astrophys. 61. 140 (1945), (2)) und Sagnac (Compt. Rend. 157, 708 (1913). (3)), mit denen die Einflüsse der Drehung auf die Lichtfo. tpflanzung mittels einer umgebauten Zweistrahl-lnterferometer-Anordnung untersucht wurden. Die beiden Strahlen aus dem Strahlenteiler wurden durch einen geschlossenen Kreis im Drehsinn und im Gegensinn, jedoch auf identischen Wegen, geleitet und dann zusammengefaßt, um ein

nun dafür, daß die elektromagnetische Energie einer 45 Interferenz-Streifenmuster zu erzeugen. Die Interfe-Richtung sich nicht in die andere Richtung übertragen renzstreifenverschiebung, die sich aus der durch die kann, so ergeben sich je nach Drehgeschwindigkeit des
Hohlleiters verschiedene Frequenzen der stehenden

Wellen. Unter Drehgeschwindigkeit ist hier immer eine Drehung des Systems verursachten unterschiedlichen Weglängenänderungen für die im Drehsinn und im Gegensinn laufenden Strahlen ergibt, war proportional

Drehwinkelgeschwindigkeit zu verstehen, die sich auf 50 der Drehgeschwindigkeit. Die Ergebnisse wurden sehr

die Achse senkrecht zur Wellerieiterebene bezieht. Die Differenz beider Frequenzen ist proportional der Drehwinkelgeschwindigkeit um diese Achse. Um eine Differenzfrequenz meßbar zu machen, überlagert man beide Frequenzen und verstärkt die so entstehende Schwebungsfrequenz. Um Links- und Rechts-Drehun gen voneinander zu unterscheiden, ist die Schwebungs frequenz je nach Phasenlage in zwei hierfür vorgesehene Kanäle zu lenken. Dies ist mit entsprechenden Diskriminator-Verstärkern möglich. Die so erzeugte Schwebungsfreqüenz muß verstärkt werden, Da die zu fordernde Genauigkeit bzw. die relative Frequenzdifferenz bei lö-ι* liegen kann, ergibt die Schwebungsfie; qtienz von beispielsweise Dezimeterwellen als Empfind stark durch die Streifenverschiebungs-Meßempfindlichke't begrenzt, so daß entweder sehr große optische Kreise oder hohe Drehgeschwindigkeiten erforderlich sind. Das Ringinterferometer ist also für praktische Zwecke nicht verwendbar.

Die Laser-Frequenzen werden bestimmt durch die Bedingung, daß die optische Hohlraumweglänge einer Integralzahl der Wellenlänge entsprechen muß (Weglänge/Wellenlänge+konstant). Bei der stillstehenden Anlage sind die Wege ρ im Uhrzeigersinn und gegen den Uhrzeigersinn gleich, deshalb sind auch die Wellenlängen gleich, Bei eiern rotierenden System sind die Wege Ungleich, da die Wellenfronteh jetzt die Wege ρ±Δρ durchlaufen müssen, um sich wieder zu treffen)

Iichkeitsgrenze nur eine Frequenz von etwa Viooo Hz, 65 deshalb sind die Wellenlängen Und die Frequenzen

Diese Frequenz ist für eine weitere Verarbeitung, ungleich,

insbesondere Verstärkung viel zu niedrig, Daraus folgt, Im Grunde ergibt sich die Verbesserte Empfindlich*

daß man mit Dezimeter- und auch mit Zentimete^Wel· keil der oben vorgeschlagenen Anordnung (1) daraus,

daß optische Interferenzmethoden und Laser-Kohärenz die direkte Messung von Frequenzunterschieden bis zur Größenordnung von 1 · 10-'² gestatten.

Von Langeviη wurde der Weglängeneffekt als erste Größenordnung nachgewiesen; er kann deshalb sowohl klassisch wie auch relativistisch behandelt werden. Die Hohlraumweglängenänderung ergibt sich aus

Ip = ±

mit

= ^ und
c

P = 4/. (1)

wobei ω die Drehgeschwindigkeit, / die Kantenlänge eines quadratischen optischen Ringes, c die Phasengeschwindigkeit des Lichts und ν die Umlaufzeit sind. Da wegen der Konstanz der Zahl der Resonanzknoten je Umlauf (Weglänge/Wellenlänge = konstant) die relative Frequenz.verschiebung Ar/r gleich der relativen Weglängenänderung Δρ/ρ ist, ergibt sich der Frequenzunterschied bei einem quadratischen optischen Kreis mit der Kantenlänge /aus der folgenden Gleichung:

(2)

λ ist die Wellenlänge der Strahlung.

Bei einer kreisförmigen Anordnung (Radius r) gilt:

ist aber viel zu sperrig, um praktisch eingesetzt werden zu können.

Aus der. Gleichungen (2) und (4) folgt, daß der Meßeffekt durch die Geometrie, also durch Kantenlänge /bzw. durch Radius τ bestimmt wird. Je größer diese Faktoren sind, desto größer ist der Meßeffekt Es kommt also darauf an, die Weglänge p=4 /bzw. 2 jrrzu vergrößern, ohne daß die Dimensionen der Vorrichtung zu groß werden.

ίο Es sind Anordnungen bekannt, bei denen die Empfindlichkeit derartiger Drehwinkelgeschwindigkeitsmesser erhöht werden soll durch Messung der Interferenz eines mehrfach umlaufenden Lichtstrahls, wobei der Lichtstrahl jeweils in einer transparenten

Glasspule oder gemäß einer weiteren Anordnung aus einer kohärenten Lichtquelle in einer Spule aus Glasfasern mit und in einer Spule entgegen der Rotation des Meßkörpers sowie schließlich m einer weiteren Anordnung in einer einzigen Glasfaser-Spule zur Leitung sowohl der mit als auch entgegen der zu messenden Drehung zum Mehrfau-.umlaut gebracht wird. Dies soll also durch Aufwickeln de. Lichtleiter zu einer Spirale erreicht werden, deren Achse parallel zur Drehachse verläuft. Bei k Umläufen ergibt sich somit eine Ä-fache Wegverlängerung Δρ. Da jedoch die Frequenzänderung

Daraus folgt

= t MfT

r = P
C

II·= t |.|Γ /. .

(3)

(4)

Unabhängig von (1) hat Rosen thai (J. Opt. Soc. Am. 52, 1143 (1962) (4)) ähnliche Experimente vorgeschlagen.

Er gibt an, daß eine unlere Grenze für die Geschwindigkeitsmeßvorrichtung durch die Laser-Schwingungsbandbreite gesetzt würde. Es ist jedoch wahrscheinlicher, daß Wechselbeziehungseffekte die untere Grenze noch wesentlich verringern werden. Frequenzänderungen auf Grund örMicher Schwankungen im aktiven Medium, Hohlraum-Spiegel-Vibrationen, Wärmeeinflüsse usw. beeinflussen beide Laser-Schwingungstypen in gleicher Weise. Außerdem könnten quantenmechanischc Wechselbeziehungen vorhanden sein.

Das mit diesem Versuch nachgewiesene Prinzip kann dazu verwendet werden, Drehgeschwindigkeitsmessungen mit hoher Empfindlichkeit innerhalb eines extrem großen Bereiches von Winkelgeschwindigkeiten durchzuführen. Solche Meßvorrichtungen wären vollständig in sich abgeschlossen und würden keine äußeren Bezugsnormale benötigen.

Der Nachteil dieser bekannten Anordnung ist der große Raumbedarf. Je größer die Laufzeit für einen geschlossenen Umlauf ist, Umso größer ist die zu messende Frequenzdifferenz. Die Genauigkeit der Messung steigt also mit einer steigenden Laufzeit. Bei der bekannten Anordnung würde dies bedeuten, daß man den Lichtweg noch länger als 4 m entsprechend einem Quadrat mit I m Kantenlänge wählt. Bei einer Weglänge Von 20 m würde dies also eine Kantenlänge des Apparates Von 5 m bedeuten. Ein solcher Apparat umgekehrt proportional zur Weglänge ist, ergibt sich dadurch wieder eine Mache Reduzierung.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Genauigkeit der Drehwinkelgeschwindigkeitsmessung zu erhöhen, ohne daß die Dimensionen der Einrichtung wesentlich vergrößert werden.

Diese Aufgabe wird bei einer eingangs erwähnten Einrichtung zur Messung einer absoluten Drehwinkelgeschwindigkeit, dadurch gelöst daß der Wellenleiter als Doppelspirale ausgebildet ist, derart daß die Ebene der einzelnen Windungen senkrecht auf der Drehebene stent.

Mit der erfindungsgemäßen Einrichtung ist es möglich, Lichtleiterlängen von mehreren Metern oder sogar mehreren zehn Metern zu erreichen, ohne einen größeren Aufbau als z. B. 30 cm χ 30 cm zu haben. Es sind heute Lichtleitkabel mit Außendurchmessern von etwa 0,1 mm und Dämpfungen bis hinab zu etwa 2 dB je km Leiterlänge auf dem Markt. Allerdings treten durch die Biegung des optischen Wellenleiters weitere Verluste auf, die sich jedoch wesentlich erst bei großen Leiterlängen bemerkbar machen.

Als Strahlungsquellen sind sowohl Gaslaser als auch Halbleiterlaser verwendbar. Gaslaser haben eine höhere spektrale Reinheit als Halbleiterlaser; Halbleiterlaser sind dagegen in extrem kleinen Dimensionen herstellbar, mit Spiegeln nur wenige Zentimeter. Außerdem haben sie einen geringen Leistungsbedarf. Die Ein- und Auskopplung der Lichtenergie in den bzw. aus dem Lichtleiter kann mit bekannten Vorrichtungen erfolgen. Um Reflexionen innerhalb des Lichtleiters nicht störend auf die Messung wirken zu lassen, sind innerhalb der Lichtleitung Sperren anzubringen, die reflektiertes bzw, zurückgestreutes Licht absorbieren. Diese Fallen sind se konstruiewrt, daß sie das aus dem Laser austretende, linear polarisierte Lieht um 45° in der Polarisationsebene drehen, so daß links und rechts laufenden Strahlen senkrecht zueinander polarisiert

sind, und nur diese Strahlen die gegenseitigen Fallen ungehindert durchdringen können. Selbstverständlich muß auch bei der vorliegenden Erfindung dafür gesorgt werden, daß keine Reflexionen auftreten, daß also beim Übergang von einem zum anderen Medium der Brewstersche Winkel eingeführt wird.

Die Erfindung soll anhand der einzigen Zeichnung im folgenden noch nähet erläutert werden. Die Zeichnung zeigt eine Sdhetnaskizze der erfindungsgemäßen An-',ordnung.

Mit 1 ist ein Wellenleiter bezeichnet, beispielsweise Lichtleitfaser, der entlang einem Kreis mit dem Radius r spiralig aufgewickelt ist. Die Wicklung erfolgt derart, daß sich κ Windungen je cm mit einem Durchmesser ίνόη 2 ρ ergeben:

Vorrichtungen zu Ein- und Auskopplung der Lichtstrahlen sind, da bekannt, der Einfachheit halber weggelassen, desgleichen Spiegel etc. In diesem Fall ergibt sich für die Weglärigeriäridefurig:

Ip = ± f.)/· · 2.-7g.x · τ mil τ = — (5)

Av= ± turf?. · (2.-γολ;) .

Das heißt der" Meßeffekt wird Um den Faktor 7π ρ κ gegenüber (4) vergrößert. Dieser Faktor beträgt z. B. bei ρ = 1 cm und κ = 25 Windungen proem rund 150, um den der Meßeffekt vergrößert wird.

Hierzu i Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. 24

   51

   Patentanspruch:

   Einrichtung zur Messung einer absoluten Drehwinkelgeschwindigkeit unter Ausnutzung der relativen Änderung von kreisförmigen, in sich geschlossenen, auf Resonanz abgestimmten Wellenleitern infolge Drehung und Bildung der Differenz von im Drehsinn und im Gegensinn verlaufenden Wellen, wobei ein spiralig gewundener Wellenleiter verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Wellenleiter (1) als Doppelspirale ausgebildet ist, derart, daß die Ebene der einzelnen Windungen senkrecht auf der Drehebene steht

   IO