DE2800332A1 - Ringlaser-drehgeschwindigkeitsmesser - Google Patents

Description

LAr :d7;l;-!:.;v.-r. 37 eoco München 2

THL. OG9/ CO 07 84

Hauchen, den 3· Januar 1971· /J Anwaltsaktenz.: 27 - Pat. Iü9

Raytheon Company, l4l Spriiiff Street, Lexington, Mass. 02173 ₅ Vorei.ni. «ξΐβ Staaten von Amerika

Ki iij;] aser-Dr eh pe schwind j gkeitsraesser

Die ürf i iidunj!" bezieht sicii aiii' Ringlaser-Üreligeschwindigkeitsineüsystonn? und vornehniLich derartige Systeme, bei weichen Wellen mit vier unterschiedlichen Frequenzen in dem Hinglaserraum anjreretrt werden.

Im allfienieinen sind bei Ringlaser-Drehgeschwindigkeitsmessern oder Laser-Gyroskopen zwei oder mehrere Wellen vorhanden, welche sich in zueinander entgegengesetzten Richtungen längs eines geschlossenen Weges ausbreiten, welcher ein Lasermedium enthält, so daß die Drehung des Systems um eine den geschlossenen Ausbreitungsweg durchsetzende Achse die Weglängen für die in entgegengesetztem Sinne umlaufenden Wellen je nach Drehgeschwindigkeit unterschiedlich groß macht, liei einem System mit zwei Wellen oder Frequenzen hat sich herausgestellt, daß bei niedrigen Drehgeschwindigkeiten entsprechend einem kleinen theoretischen

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Frequeiizuiiterschied der tatsächlich am Aussnn.t auftretende frequenzunterschied Null oder wesentlich kleiner ais erwartet ist, was auf einer iCrscheinuinr beruht, welche als Zusainmenwruidern der Frequenzen oder "Lock-in" bezeichnet wird. Wr>n vermutet, ύα'Λ die Erscheinunf des Zusammenwanderns der Frequenzen oder des "lockin" auf einer Kopplung zwischen den WelLen beruht, die ihre Ursache in einer Anzahl möglicher Faktoren haben kann, darunter auch der Rückstreuung von Laserenergie von Elementen Innerhalb des Laser-Ausbreitungsweges, etwa von Spiegeln oder von bauteilen, welche ein JPolarisationsd ispersionsverhalten aufweisen oder von Streuunjrszentren innerhalb des Lasermediums selbst.

Man hat bereits seit längerer Zeit versucht, diese Schwierigkeit zu beseitigen. Ein Vorschlag bestand darin, die beiden Wellenstrahlen gegenüber dem Nullausgangspegel bei der Drehung Null durch Verwendung eines Faradayrotators vorzuspannen, wobei der

'Faradayrotator den sich in unterschiedliche Richtuiijren ausbreitenden Wellenstrahlen eine jeweils unterschiedliche Verzögeruii&szeit aufprägt. Ungünstigerweise bewirkt eine einfache Vorspannung der beiden Wellenstrahlen in solchem Maße, daß sie ausreichend stark voneinander getrennt werben, um ein Zusammenwandern der Frequenzen oder ein "lock-in" zu vermeiden, einen großen Frequenzunterschied zwischen den beiden Wellenstrahlen, welcher tatsächlich so beträchtlich ist, daß die durch nornmie Drehgeschwindigkeiten verursachte Frequenzänderung im Vergleich zum

ι gesamten Frequenzunterschied vollständig unbedeutend bleibt. Jede kleine Drifterscheinung würde daher das gewünschte Ausgangssignal überdecken. Weiter wurde versucht, eine Trennung !der Wellenstrahlen voneinander dadurch zu erreichen, daß unter !Verwendung einer symmetrischen Wechselstrcia-Schaltwelle der Faradayrotator abwechselnd einmal in die eine und dann in die an- !dere Richtung geschaltet wurde. Diese Systeme ließen sich jedoch praktisch nur unter Schwierigkeiten verwirklichen, da die Genauigkeit der Symmetrie der Wechselstrom-Schaltwelle über '

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1 : 10 gehalten werden muß. j

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Am zufriedenstellendste« arbeiten Ririslaser-Lrehseschwindiskeits· messer, bei welchen vier Weilen in zwei Paaren von Wellen oder btrahLen Ln .jeweils entgegengesetzter Richtung umlaufen, liinplaser-Dreh.cceschwJ ndi.tkei tsmesser aieser Art sind in den US-Patenten 3 7^1 t>5? und 3 '-S 5 'i öl 9 beschrieben. iJei ii i ntiaser-Drehgeschwindigkeitsmeesern dieser Art wird eine zirkuläre Polarisation der vier to el L en bevorzugt. Das im Uhrzeigersinn sich durch den geschlossenen Lbertragungsweg ausbreitende Wellenpanr und das im Gepenuhrzei tiers inn umlaufende Wellenpaar enthalten jeweiLs sowohl linkszirkularpolarisierte Wellen als auch rechtszirkularpolar Lsi erte Wellen.

i den bekannten Hi riTlaser-lJr ehgeschvindi ukeitsmessern der soeben erwähnten Art sind zwei eine Vorspannung oder Frequenzaufspaltim.i bewirkende bauteile vortceseheii. Eines dieser ilautelle hat beispielsweise die (aestait eines Kr istal Lro ta tors und erzeugt eine Verzoiierun.fi:, welche far zirkularpolaris Ler te Wellen des einen PolarJ sationssinnes t? i.rie andere Größe hat als für zirkularpolcir i sierte Wellen des ent.ee.'ien^esetzten Folarisatioiissiimes. Lie Vorzöβeruno:swirkun■? dieses Bauteiles ist reziprok. bas bedeutet, daß eine Welle unabhängig von der Richtung ihrer AusbreituiiT durch den Krxstallrotator hindurch stets um denselben Ze Ltbetra.K verzögert wird. Das zweite im Übertra.cunyswe^ liegende .inuteiL ist beispielsweise ein Faradayrotator. Dies ist ein nichtreziprokes Bauteil, welches abhängig von der Ausbreituni'srichtune jeweiLs unterschiedliche Verzö; erungszeiten einführt. Hierbei wird der zirkuläre Polarisationsvektor um jeweils unterschiedliche Winkel verdreht. Die V'erzögeriingszeit ist von dem Pol.arisatjonssin.il allerdings unabhängig. Aufgrund der Vorspannwirkunjien oder der Frequenzauf spannung entstehen vier Wellen, von denen zwei jeweils Frequenzen oberhalb des Scheitels der Verstärkungsgradkurve des Lasermediums haben, während die anderen zwei Frequenzen unterhalb dieses Scheitelwertes liegen. Die beiden Wellen mit Frequenzen oberhalb des Scheitelwertes der Verstärkun.c-sgradkurve können beispielsweise beide rechtss inn is; zirkularpolarisiert sein, während die beiden Wellen, de-

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reu Frequenzen unteriin Lb des Scheitelpunktes liefen, 1 inkssinn i. " zirkularpo Larisi ert sind. Uei der Drehgeschwindigkeit Null ist dor Frequenzunterschied zwischen den 1 inkss inn ig zi rkularrmlar j sierten und den rechtssinni.c zirkulnrpolcri sierten Wollen ,el eich. Wenn beispielsweise das System in einer Ki chtunsi gedreht wird, so rücken die rechtssinniji zirkularpolarisi erten Wellen frequenzmäßig näher zusammen, während die linkssinnig zirkularpolari si erten Wellen sich frequenzmiilJi,t; weiter voneinander entfernen. Die entgegengesetzte Drehrichtun.ir hat eine entgegengesetzte Richtung der Frequenzänderun j-.en zur Folge. Die taitsächl iche Drehgeschw'ndigkeit läßt sich leicht zu dem Unterschied zwischen der Frequenzdifferenz im rechtssiimig polarisierten Wellenpaar und der Differenzfrequenz im linkssinnig polarisierten Wellenpaar in Beziehung setzen.

Hei den beschriebenen Ringlaser-Drehgeschwindigkeitsmeßsystemen sind Einrichtungen zur Einstellung der wirksamen Länpe des Ubertragungsweges vorgesehen, über welchen sich die vier Wellen ausbreiten, um die Frequenzen der Wellenpaare symmetrisch zu der Mitte des Scheitels der Verstärkungs.':rad-/Frequenzkeimlinie des Lasermediums zu halten. Eine solche symmetrische Lago der Frequenzen ist wünschenswert, da hierdurch Rest-Drifteffekte oder "lock-in"-Effekte auf einen Minimalwert verringert werden. Es ist nun wünschenswert, Ausgarigs-Signalverarbeitungsschaltungen zur Verfügung zu haben, um die Drehgeschwindigkeit oder den iJetrag der Drehung zu bestimmen und die Län«e des Ubertragungsweges regeln zu können. Bekannte Ausgangs-Signalverarbeitungsschaltungen enthielten Verstärker mit angepaßtem Verstärkunrsgewinn, um eine Regelung der wirksamen Übertragungsweglänge zu ermöglichen. Der jeweilige Verstärkungsgewinn der beiden Verstärker mußte innerhalb engster Grenzen über einen weiten Bereich von Temperatur und Umgebungsbedingungen mit Bezug auf den Verstärkungsgewinn des jeweils anderen Verstärkers eingehalten werden, wodurch Schaltungen dieser Art kostspielig und verwickelt wurden.

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!Jej niidereii bekannten Systemen wurde ein großer Teil der Leistiiujunrenutzt verbraucht oder mit schlechtem Wirkungsgrad in der Ausfall! s-Si. jiiia ] veriirbeitungsschnltung auf genommen.

Durch die Erfi ridunr soll die Auf.cabe gelöst werden, einen Ring-I.nser-Llrehfteschwindifkeitsmosser so auszubilden, daß die Verarbeitung und Auswertung der Ausgangssi j'iiale mit gutem Wirkungsgrad vorgenommen lfertlnn kann. Dabei soll insbesondere auch eine iip"(!lun.^r der wirksamen Lan: e des Ubcrtragunj.sweses ohne die Verwendung von Verstärkern mit angepaßtem \ferstarkungsgewi nn ermög-Ij clit werden. Dys hier vorgeschlagene Ringlaser-DrehgeschwindigkeJ (srneßsystem soll schließlich so ausgebildet sein, daß eine minimale Lei stunt smenge zum Uetrieb der Ausgangsschaltung und der Regelschaltung zur Regulierung der wirksamen Lan pe des geschlossenen Lbertragungsweges aus diesem Übertragungsweg entnommen wird.

Ausgehend von einem Kingl ciser-Drehgeschwindigkeitsmesser, mit einem Hinrlaserraum, welcher einen geschlossenen Übertragungsweg für die Ausbreitung mehrerer Wellen jeweils unterschiedlicher l'requenz und mindestens eine Detektoreinrichtunji enthält, zu welcher je mindestens zwei der Wellen ausgekoppelt werden, wird die zuvor angegebene Aufgabe erfindungsgenf'ß gelöst durch i< zwei mit der bzw. jeder Detektoreinrichtung gekoppelte Filtermittel, von denen ein erstes ein unter einer bestimmten Frequenz liegendes Durchlaßband und von denen das zweite ein über dieser Frequenz liegendes DurchlaiJband aufweist . -

Der hier angegebene Ringlaser-Drehgeschwindigkeitsmesser enthält also einen Ringlaserraum mit einem Lasermedium, das in einem in sich geschlossenen Übertragungsweg gelegen ist, in welchem eine Anzahl von Wellen mit jeweils unterschiedlicher Frequenz angeregt werden, die in dem geschlossenen Übertragungsweg umlaufen. Mit mindestens jeweils zwei Wellen ist eine oder sind mehrere Detektoreinrichtungen gekoppelt, an welche wiederum die beiden Filtermittel angekoppelt sind. Weiter können Mittel zur

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Einstellung der wirksamen Länge des geschlossenen übertragungsweges in Abhängigkeit von mindestens einem Ausgang des Jeweils erstgenannten Filtermittels vorgesehen sein, Die Einstellmittel, können einen piezoelektrischen Wandler enthalten, während die Filtermittel jeweils einen Verstärker enthalten können. Die gesamte Anordnung kann weiterhin Zählerinittel enthalten, welche einen Ausgangs-Zählerstand darbieten, welcher die Drehung des Riiiglaserraumes anzeigt, was in Abhängigkeit von mindestens einem Ausgang jedes der zweitgenannten Filtermittel geschieht. Die zuvor erwähnte bestimmte Frequenz liegt vorzugsweise unterhalb der minimalen Ausgangsfrequenz, welche einer bestimmten Drehung des Hinglaserraumes entspricht.

Ringlaser-Drehgeschwindigkeitsmesser der hier vorgeschlagenen Art können vorzugsweise so ausgebildet sein, daß sich in dem einen geschlossenen Übertragungsweg aufweisenden Hinglaserraum mindestens vier elektromagnetische Wellen ausbreiten, welche jeweils vier voneinander verschiedene Frequenzen besitzen. Ferner sind zwei Detektoreinrichtungen vorgesehen, wobei ein erstes Paar von Wellen optisch mit einer der Detektoreinrichtungen gekoppelt ist, während ein zweites WeJienpaar optisch an die zweite Detektoreinrichtung angekoppelt ist. Mit jeder der L-' tektoreinrichtungen sind zwei Filtereinheiten gekoppelt, wobei eine erste Filtereinheit ein Durchlaßband unterhalb einer bestimmten Frequenz und die jeweils andere Filtereinheit ein Durchlaßband oberhalb der bestimmten Frequenz besitzt. Mittel zur Einstellung der wirksamen Länge des Ubertragungsweees des Ringlaserratunes

• _■ · ,,·· . τ . . . , jeweiligen . ,

sxnd xn Abhängigkeit von Aus gangs signal en cier/an oio ueicien Dotektoreinrichtungen angekoppelten, erstgenannten Filtermittel wirksam, und Anzeigemittel, welche eine Aiisgangsanzeige entsprechend der Drehgeschwindigkeit oder den Drehwinkel des Ringlaserraumes darbieten, werden von den Aus gangssignalen der jeweils anderen, mit den beiden Detektoreinrichtun.;· en gekoppelten Filtereinheiten Deaufschlagt. Die zuvor erwähnte, vorbestimmte Frequenz liegt wiederum vorzugsweise unterhalb der minimalen Ausgangssignalfrequenz, welche von einer der beiden Detektor-

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οinrich tun- en auf;ruiicl einer Drohung des R in.'ilaserraumes alije-■veben werden kann, bie beiden Filtereinheiten können ieueiJs t'üioii verstärker enthalten, dessen Durchlaiiband mindestens teilweise durch Kückkopn l.uii'-sei erneute bestimmt wird, dj e um den Verstärker herumgeführt sind.

Die Mittel zur Einstellung: der wirksamen Länge des Ubertra;nm;/sweges können so ausgebildet sein, daf< sie ein Signal bilden, das den Ainpl. L tudenunterschied zwischen dem Ausgangssignal der mit der ersten Letektoreiririchtung gekoppelten ersten FiItereinheit einerseits und der mit der zweiten Detektoren lirichtunjr gekoppelten ersten r i Ltere inhe i. t cuidererseits anzeigt, wobei eine einstelibare I<eflektoranordnuui· vorgesehen ist, welche im Ausbreitun.iswe?; der Wellen lie.ut und mittels einer Betäti.tun pseinrichtun.'i" in Abhüii.ei,akeit von dem Unterschied in der mittleren Amplitude zwischen den genannten beiden Ausgangssignalen eingestellt wird. Die iietät i.guiii'seiririchtun."; hat vorzugsweise die Gestalt eines piezoelektrischen Wandlers. Die Anzeigemittel zur Darbietung eines Aus.orangssignales entsprechend der Drehgeschwindigkeit des Rinjilcsers können Sclialtun,"Sinittel zur Erzeufunp einer ersten impulsfolge in Abhängigkeit von dem Ausgang der mit der ersten Detektore i nrichtun<2 gekopnelten zweiten Gütereinheit und Schaltungsiiiittel zur Erzeugung einer zweiten Impulsfolge entsprechend dem Ausgan.essiKiial der mit der zweiten Detektoreiiirichtuii¹'. gekoppelten zweiten Filtereinheit enthalten. Die Schaltuiigsniittel zur Erzeugung der ersten und der zweiten Impulsfolge haben vorzugsweise die Gestalt eines Verstärkers, an dessen Ausgang ein Schnitt' scher Triggerkreis angeschlossen ist. Weiter kann ein Zähler vorgesehen sein, welcher einen Ausganjcszählerstexnd in Abhängigkeit von dem Unterschied der Frequenzen der beiden Impulsfolgen erzeugt.

Im übrigen wird hinsichtlich vorteilhafter Ausgestaltungen und Weiterbildungen des hier vorgeschlagenen Ringlaser-ßrehgeschwindigkei tsinessers ausdrücklich auf die anliegenden Ansprüche hingewiesen, deren Inhalt hierdurch zum Inhalt der üeschreibungs-

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λλ

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einleitung gemacht wird, deren Wortlaut jedoch zur Vereinfachung und Verkürzuri.? der Jieschrei bung liier nicht nochmaLs wiederholt werden sol I..

i\ π cn fole: end wird ein Ausführunersbeispiel anhand der Zo i cimun.e: erläutert. Es stellen dar:

1''.1,P". 1 ein Blockschaltbild eines Ringlaser-bi'ehg es chwind i gk ext sm ess er s ,

Fi;/. 2 eine graphische Dars te I lung■, in welcher ci.i ο iiingangsimpedanz zweier Verstärker einer eine duale Funktion aufweisenden Detektoreinrichtimjr des Drehgeschwindi .tkeitsmessers nach Figur 1 über der Frequenz aufgetragen ist,

Fi.r·. 3 ein Diagramm, welches die Verstärkiin»sge-

winnkurve des Lasermediums und die Lage der Frequenzen der vier angeregten Wellen gezeigt sind und

Figuren zusammenzusetzende schematische Schaltbilder . der Ausgangsschaltkreise des Kinglaser-Drehgeschwindigkeitsmessers nach Figur 1.

In Figur 1 ist als .Blockschaltbild ein Ringlaser-Drehgoschwi.ndigkeitsmesser der hier vorgeschlagenen Art gezeigt. Der hier allgemein mit 5 bezeichnete Ringlaserraum ist in der Weise wirk-: sam, wie in den weiter oben erwähnten US-Patentschriften ausge- !

führt ist. Der Ringlaserraum 5 enthält einen in sich jreschlosse- j nen Übertragungsweg, längs welchem sich elektromagnet Lscho Laser-) wellen ausbrei ten können. Der Übertragungsweg verläuft über ei- ι nen Laserverstärker 10, Spiegel 12 und 13» eine ein Polarisa- ' tionsdispersionsverhalten aufweisende Anordnung 16 mit einem Kristal!rotator 17 und einem Faradayrotator lü, ferner über einen teildurchlässig verspiegelten Spiegel \k und einen Spiegel 15. Aufgrund der Vorspannungen oder der Aufspaltwirkunf.;

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■welche von dem Kristfil !rotator 1 / und dem Faradayrotator Io erzeu.üt werden, entstehen vier Wellen mit den Frequenzen f , f _o , f und i'y . Li ie Wellen mit den Frequenzen f und f. laufen im Uhrzeigersinn um, während die Wellen mit den Frequenzen f und Γ im (Aegenuhrzeigersiim umlaufen. Sämtliche vier Wellen sind vorzugsweise zirkulär polarisiert, wobei die Wellen mit den Frequenzen f und f 3 inkssimiig zirkulär polarisiert sind, während die Wellen mit den Frequenzen f und f, rechtssiimig zirkulär polarisiert sind. Die Lage der Frequenzen innerhalb der Verstärkung s gewinnkenn Ii ni e des Lasermediums des Laserverstärkers IO IUiJt sich aus dem Diagramm nach Figur 3 erkennen.

Ein .gewisser Eiier.eieatiteil jeder der vier Wellen wird aus dem Ringlaserraum 5 über den teildurchlässig verspiegelten Spiegel Ik ausgekoppelt. Der Spiegel Ik ist vorzugsweise ein dielektrischer Sy)Je₁CeI, welcher einen kleinen Teil der Energie der ! einfallenden Wellen durchläßt. Beispielsweise wird ein halbes Prozent der Energie durchgelassen. Der von der Rückseite des teildurchlässig verspiegelten Spiegels lk in senkrechter Richtun.L' mit Jiozug auf die Lage nach Figur 1 austretende Strahl wird unmittelbar auf die Oberfläche eines Strahlaufspalters 22 gelenkt. Der von der Rückseite des teildurchlässigen Spiegels l4 in horizontaler Richtung austretende Strahl wird durch die Spiegel 20 und 21 zu der Unterseite des Strahlaufspalters 22 gelenkt und trifft dort auf einen Punkt, welcher dem Punkt auf der Oberseite des Strahlaufspalters 22 gegenüberliegt, auf welchen die vertikal austretende Welle trifft. Auf diese Weise entsteht ein einziger Strahl, welcher die Wellen mit sämtlichen vier Frequenzen enthält. Dieser Strahl wird nach abwärts auf eine optische Ausgaiigseiiiheit gelenkt, welche eine Viertelwellenplatte 23 und einen ivalkspatkristall 2.k. aufweist. Die Viertelwellenplatte 23 wandelt die beiden rechtssinnig zirkulär polarisierten Wellen in Wellen linearer Polarisation, beispielsweise mit vertikaler Polarisationsrichtuli,", und die beiden linkssinnig zirkularpolarisierten Wellen in WeIlen linearer Polarisation, beispielsweise mit horizontaler Polarisationsrichtung, um. Aufgrund der Aniso-

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Al

tropie prägt der iialkspatkristall 2'l den e i.ntief fender) vVellen mit horizontaler und mit vertikaler Polarisati onsri. chtumr unterschiedliche Verzögerungen auf. Die Ausbrei tun.'¹ siveire für Wollen mit horizontaler und mit vertikaler Polarisati onsri chtitnj·: werden dann verschieden, so daß die eintreffenden Strahlen horizontaler und vertikaler Polarisationsrichtun?, welche auf der Oberseite des Iialkspatkristalls 2^!ί am '-!eichen Punkt und unter vein '=le.L-chen Winkel auftreffen, von der Unterseite des iva lkspa tkr ■ s tv· ll.s an verschiedenen Stellen austreten.

Die von dem Kalkspatkristall 2¹I austretenden Strahlen werden auf Detektoren 2b und 2/ gelenkt. Der auf den Detektor 2b treffende Strahl, besitzt eine vertikcile Polarisationsr ich tun jr entsprechend der rechtssinni jren zirkulären Po luristit i on der die Frequenzen f und £j aufweisenden Wellen, während der auf die Detektord iode 27 treffende Strahl eine horizontale Polarisationsrichtung entsprechend der linkssimii.r en zirkulciren Polarisation j der Wellen mit den Frequenzen f und f,, besitzt.

Aufgrund ihrer nichtlinearen Charakteristik erzeugen die Detektordioden 26 und 27 Aus gangs signalkomp men ten entsprechend dem

j Frequenzunterschied der beiden jeweils auf die betreffende Diode einwirkenden Wellen. An jeder Diode wird auch eine Gleichstromkomponente oder eine niederfrequente Komponente oder ein Strom erzeugt, welcher der Summe der Amplituden der beiden auf die betreffende Diode treffenden Strahlen entspricht.

Die eine duale Funktion besitzende Detektorschaltung 2ii trennt die AusgangssignaIe der Detektordioden 2b und 27 in hochfrequen- '' ■ te lind niederfrequente Komponenten mit besonders gutern Wirkungsgrad auf, was weiter unten im Zusammenhang mit den Figuren ΊΑ und 413 genauer ausgeführt wird. Es werden zwei hochfrequente Signale gebildet, nämlich Δ F (= f. - f ) und Al·"+ (= f, - f ), welche dem Unterschied zwischen den Frequenzen der die rechtssinnige zirkuläre Polarisation aufweisenden, die höheren Frequenz besitzenden Wellen bzw. der die linkssinnige zirkuläre

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Polarisation aufweisenden, die niedrigeren Frequenzen besitzenden Uc L-I.en ctitsnreclien. Au'.erdem werden zwei η i.ederf requente Komponenten erzeugt, welche jeweils der Summe der mittleren Amplituden der rechtssinni;;; poiarisierten Weilen bzw. der liiikssinnig zirkulär polarisierten Wellen entsprechen.

Die beiden niederfrequenten koinoonenteii werden an eine Schaltung 33 zur Einstellung der wirksamen L:in«e des Cbertragunesweges und an eine Treiberschaltung· "}k für einenpiezoelektrischen Waiidler angekoppelt. Die zuerst ,genannte Schaltung bildet die Differenz zwischen dem Mittelwert zweier Spannungen, während die letztgenannte Schaltung aie resultierende Differenz verstärkt, um ein Treibers i;-nal zur uetütigung des piezoelektrischen Wandlers 37 abzuleiten. Der piezoelektrische Wandler 37 bewegt den Spiegel 12 derart nach innen oder nach außen, daß die jeweils gewünschte Gesamt-Wevuinge und damit die Lage der Frenuenzen eier vier Wellen innerhalb der Kennlinie des Lasermediums erhalten bleibt.

Die von der die duale Funktion aufweisenden Detektorschaltung- 2< > erzeugten Signale entsprechend der Differenz der oberen und der unteren Frequenzen werden an die Ausgangs-Signalverarbeitun.osschaltung 29 angekoppelt. An diesem Schaltungspunkt haben die Signale die Gestalt einer sinusförmigen oder annähernd sinusförmigen Schwing Uli:;:. Diese Schwingungen, werden von der Ausganjrs-Signalverarbeitungsschaltung 29 in zwei Folgen digitaler impulse umgeformt, wobei je Periode der eingegebenen Wechselspannung ein Impuls erzeugt wird.

Die beiden Folgen von Digitalimpulsen werden in eine Digitalzahl umgeformt, welche den Gesamtbetrag der Drehung von einer bestimmten Zeitmarke aus repräsentiert . Dies geschieht durch einen Zähltaktsteuerkreis '}O und einen Aufwärts-/Abwärtszähler }32. Die beiden Schaltungseinheiten wirken in der Weise zusammen, j da", sie einen Zählerstand gleich der Differenz zwischen den erwähnten Differenzunterschieden bilden, also einen Zählerstand

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darbieten, welcher dem Ausdruck ( i\ - f ) - (f - f ) entspricht.

Zu diesem Zwecke wird der Aufwärts-/Abwärtsznhler 32 jeweils um eine ZähleJ nheit ie Impuls der Δ F -Iinpulsfo 1 <^re vor-

gestellt und um eine Zähleiiihc i t je Impuls der ^Cl I·' -Imnulsfolge zurückgestellt. Im iiandel ist e.iiio sowohl don Zähltaktsteuerkreis als auch den Aufwürts-/Abw.^;irtsznhler yi enthaltende Einheit von der Firma FINC Elektronics Company, Cambridge, Mass. unter der iJeze i chnun;/ Modell i\r. V>2.~ IC erhältlich.

Do.r Anodenstromregler 35 und die Anodenanschlußschaltun·- '}b liefern bei konstantem Strom die für den Üetrieb des Laserverstärkers 10 erforderliche Hochspannung. Außerdem wird ein Startimpuls bereitgestellt, um die Gasentladung im Lasermedium zu zünden.

Es seien nun die Figuren ^A und kii zusammen betrachtet. Sie zeigen das Schaltbild der eine duale Funktion besitzenden Detektorschaltun i· 2c5, der Ausgangs-Siimalverarbeitun^ssch^ltuniL- 29) der Schaltung· 33 zur Steuerung der wirksamen Ubertragungsweglänge, der Treiberschaltung Jk für den piezoelektrischen Wandler, des Anodenstromreglers 35 und der Anodenanschlußschaltung 36. Zunächst sei die Wirkungsweise der eine duale Funktion besitzenden Detektorschaltung 2υ näher untersucht.

Der Anodenaiischluß jeder der Dioden 26 und 2? ist jeweils mit zwei gesonderten Verstärkern 125 und 12b verbunden. Das von der Diode 26 abnehmbare Signal gelangt zu dem Verstärker 115 über den Widerstand 1291 um die niederfrequente Signalkomponente des Ausgangssignales dieser Diode zu erhalten. Das Durchlaßband des Verstärkers 115, welches sich aus den Werten der Widerstände und 129 und der Kapazität 111 bestimmt, erstreckt sich von der Frequenz Null (Gleichspannung) bis zu einer bestimmten Frequenz oberhalb der maximalen Signalfrequenz, die zur Betätigung des piezoelektrischen Wandlers erforderlich ist, welche jedoch unterhalb der minimalen Ausgangs-Differenzfrequenz liegt, welche für die höchsten Drehgeschwindigkeiten des Ringlaserraumes 5

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erwartet werden j-;ai?i'. Der hochfrequente Anteil des Ausgaiifssignnles der Diode, welcher sinusförini?,' ist und eine Frequenz aufweist, welche der Differenz zwischen »"on Frequenzen eines auf die Diode: treffenden Wellenpi arcs/ i fit, wird über den Kondensator 12u kapazitiv an den Eiapa-i.· des Verstärkers 12a angekoppelt. Drs Dura;I n.Jband des Verstärkers 12<j, welches sich aus den Werten des Widerstandes 121 und des Kondensators 12U bestimmt, beginnt annähernd bei derselben vorbestimmten Frequenz, welche d i e obere ürenzfrequeiiz für das Lurchlaiiband des Verstärkers 11"} darstellt. Der Widerstand 119i welcher für Hochfrequenz durch den Kondensator 1Io überbrückt ist, sorgt für eine minimale (iJ e i.ciifiKiiuii-injisversetzmi'i des Ausi-an,".es des Verstärkers 115· Der Widerstand 1^7 und der Kondensator 126 sorgen für eine Stabilität des V crs L-irkiiri.' s»rades des Verstärkers 12»i.

Dit> liiiio.aiip's i raneiianzen der Verstärker IVj und 12d sind graphisch in F ϊ j;ur 2 über dem -interessierenden. Frequenzbereich aufgetragen. Die Jbi η üiMijisiinpedanz des Verstärkers 115 ist für η i ed- j r!?-e Frequenzen iiiedr:i.^rr una stei'vt jenseits üer Uberkreuzun's- j

rreai:eiiz f auf einen hoiien Wert rii. Die Eiiiann;¹ simpedanz des '. co

Ϊ2υ andererseits fällt von einem für niedri;-e Fre- i nil en ζ on ; clteiidoii hoiien Wert für .eröi'ßr werdende Frequenzen tiuf J einen n:i. oc:-.r :.,';eii Wert ;L und kreuzt die Einpanirs impedanzkurve des Verstärkers 11*5 an dein Punkt f . Die Gesamtimnedaiiz, welche

co

si c!i den beiden Dioden darbietet, ist auf diese Weise über den .interessierenden Frequenzbereich hin im wesentlichen konstant.

Die beschriebene Schaltung ist aus einer Anzahl von Gründen entsprechenden Schaltungen bekannter Art vorzuziehen. Zunächst fließt nahezu der gesamte niederfrequente Photodiodenstrom ausschließlich zu dem Verstärker 115 und nahezu der gesamte hochfrequente Photodiodenstrom ausschließlich zu dem Verstärker 12o, was auf der ,-iewählten Kopplung und Eingangs impedanz beruht. Es fließt nahezu kein Strom in einen Verstärker, in weichein er nicht gebraucht wird. Im wesentlichen die gesamte Signalenergie, welche an den Photodioden durch die eintreffenden optischen

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Wellen erzeugt wird, kann Ln der SchaLtuiiu: we L tes ty.eiiend ausgenützt werden. Elektronische Scha L Lan > cn zur S i. i-iia I verui'be itim«; mit Verstärkern, deren Vers türkun. sgrfid über den ^nsiuiitoii «>:;iiubreitebereich des Signals angepaiit ist, sind nicht erforderlich, wodurch der ifiujflu-i von Verstärkungsgradf etil.ern bei. der Steuerung der wirksamen L'ince des Ubertragungsweges ειιιΓ ein Minimum eingeschränkt wird. Nachdem ferner eine Trennung der Signale unmittelbar hinter dem Ausgang der Dioden vorgenommen wird, Können die Frequenzkennlinien der AiisganKs-SignaLveriJrDej Lun.sschaltuii«: und aer Schaltung zur Stnuenmv der wirksamen LiIn.se des übertraTungsweges jeweils unabhän,*.- i g voneiiumuer bestimmt werden.

Die analoge Sinusschwi-np:uiif·; am Ausjvang des Verstärkers 120 wird von der Ausgangs-S ipialverarbe Ltuiipsschaltuiig 29 in eine Folge von Digitalimpulsen umgesetzt. Der Erdaiischlufi der die duale Funktion besitzenden Detektorschaltung 2ci ist über einen Widerstand 170 mit dem negativen Einjranf eines Verstärkers 171 gekoppelt. Die gesonderte Erdverbindung wird aufrecht erhalten, um die Detektorschaltun}· 20 und die Ausp;anjrs-Si jmaLverarbeL-tungsschaltun£ 29 entfernt voneinander anordnen zu können und einen Stromfluß axifgrund von Unterschieden der Erdpotent Lq Le ' der beiden Schaltungen zu vermeiden. Der Ausgang des Verstärkers 12o ist über die Kondensatoren 172 und 175 an den positiven oder den nichtinvertierenden Anschluß des Verstärkers I7I gelep,t. Die Bandbreite des Verstärkers 171 sollte mindestens der liandbreite des eingegebenen Sijrnales entsprechen. Der Verstärkungsjgewinn des Verstärkers 171 bestimmt sich aus dem tfert des Widerstandes 176 und ist ausreichend hoch, um die sich anscliliessende Schaltung betreiben zu können.

Das vom Ausgang des Verstärkers 171 eibnehmbare Signal wird über den Kondensator IiJΊ und den Widerstand lob an den nichtinvertierenden Anschluß eines Vergleichers lol gelegt, welcher iie- ! standteil eines Sciimitt'sehen Triggerkreises ist. Ein positiver j Rückkopplungszweig mit den Dioden 192 und 195 und den Wider-

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kB

.ständen loo und lo'j ermöglicht cii e Schmi tt' sehe Trit-:,t;erwirkun; , so dflj (J ι. e L· in ·■■ < <n <"s-S i nuss chv.* i nt'UTif in eine Ausirnn'rs-llochteck-WO 1 I ρ um- eforii: t wird. Die Le L tun · s-Tr ei berscha Ltui)<. 197 bewirkt eint* '..'eitere Verstärkung, und Fnfierutii der Aus.can j: s-Kechteckwe L I. e.

Die U τ oder frcquen te S ι cna Ikompoii en te , weiche am Ausraii.c des Versfirkors 1 l'j erzeu.rt v.-ird, ist ;ui die Schaltung 33 zur Steucrun· oer wJrkaanieii l/in ■ e des ont.i sehen Übertragungswegs anvekonpol. t. bine en tsnrechende V erb i lidum s Le i tuns; wird von der i de?n t i scheii, mit der biode 2 j 'tekoppelteti äclinltun" herangeführt, v/'iiirend des norrii.iLen üetriebes der Scha I tunji iett ein Fes ίΙίοι*πβΓ-ί^ιλ1^Τ-ϋο1ΐίΐ1. ter 2Ö2 die beiden η Lederf requenten £ i n-San.'-ssi ctiale über die beiden .^:iu:iereii Iv i derstaride der wi.derstands'-runpe 2OV fin den invertierenden und den uichti.nverti.ereiic'en ßitivan-' des Vers tiir!;erK L; Kj. Dj e Verbindungen zu einer Spaiiiiuu.¹ seine 1 ie v.iii ¹T \~> Volt ist cu.nn unterbrocli en.

Der Verstärker 21ό bildet zusammen mit dem RiickkonnLunyskcmden.-.siitor 21J einen Differenz integrator. Das bedeutet, dai-i der Ansiraii?· des Verstärkers ü Io das In te era 1 der Differenz zwischen den beiden E i nuant.ssi eiialen darstellt. Dieses integral bildet nach geeigneter Verstärkung und Itnpedaiizumsetzun,.· das gewünschte Treibersii-nal für den piezoelektrischen V/andler 37· Der Verstärker 23Ij welcher als lineare Treiberschaltung wirksam ist, η J mint einen Teil der Verstärkung vor.

Nachdem eine Integrator scha I tun;? an beiden Jtnden ihres Spannunirsbereiches bei der ersten Inbetriebnahme oder aufgrund von vorübergehenden Vorgängen im System einrasten oder gesättigt werden kann, ist es wünschenswert, Vorkehrungen zu treffen, um den Inpetrator nach Auftreten dieser Situation gleichsam auszurasten. Vergleicher 23^± und 2^1 nehmen an je einem ihrer Eingänge die am Ausgang des Verstärkers 21ö auftretende Spannung ; auf. Wenn die Ausgangsspannung den durch die Vergleichsspannun- \ gen an den jeweils anderen Eingängen der Vergleicher vor gegebener!

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Überwachuncsspannungsbereich in nosi.tjvor Hi chtimj: übersteigt oder in negativer Ui chtun.c. unterschreitet, so wechselt der entsprechende Vorgleicherausgan· von einer Snnnimn."., welche einer logischen Eii\S entspricht zu einer Spannung über, welche einer logischen iNiULLi entspricht, Die Ver,·: Lei clisspamiuiif en werden durch Spannungsteiler vorgegeben, welche für den Vergleicher 2⁷Il aus den Widerständen 239 und 2'j:2 und für den Vergleicher 234 aus den Widerständen 229 und 233 bestehen. Kin logisches NA)\D-üatter 203 liefert an seinem Ausgang eine Snaniiiiu» entsnrechend einer logischen EINS, wenn einer der Vergleicherausiran.ee dem logischen Zustand iNULL entstjr i cht, so da.S von dom F 1ST-Schalter 202 die Verbindung mit der Detektorschaltung 2o unterbrochen wird. Gleichzeitig bewirkt der Vergl.eichernusKan" , ύηΛ die Spannung von + 15 V über einen der Widerstände 207 an den entsprechenden Einraii'isaiischlufl des Verstärkers 2Io »elejit wird, so dnu der Integrator ausgerastet wird. Existiert die Einrastbedingung nicht mehr, so nehmen die Ausgänge der Vergleicher 234 und 2^1 wieder den Zustand entsprechend einer logischen EINS an und die Ausgänge von der eine duale Funktion besitzenden Detektorschaltung 2o werden wiederum mit den Ein.trän.Keii des Verstärkers 210 gekoppelt.

Die Treiberschaltung 3^ für den piezoelektrischen Wandler empfangt das Ausgan.cssignal des Verstärkers 23I, verstärkt es und bildet eine Speiseschaltung niedriger Impedanz für den piezoelektrischen Wandler 37, welcher als Verbraucher hoher Kapazität erscheint. Der Transistor IO3 ist als linearer Verstärker mit gemeinsamem Ernitteranschlull geschaltet und liefert ein Steuersignal an die Basis eines Transistors 10ö, der in Emitterfolgeschaltung liegt. Die Emitterfolgeschaltung bewirkt, daß die Speiseschaltung für die von dem piezoelektrischen Wandler 37 ^: dargestellte kapazitive belastung eine niedrige Impedanz darstellt und den erforderlichen hohen Strom bereitstellt.

Ein konstanter Strom geeigneter üröi'e zur Aufrechterhaltung der Entladung, welche zum Betrieb des Laserverstärkers 10 erforder-

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I icl) ist, ΐν*ίί^-(1 von dom Aiiodenstronire.';.! or 35 geliefert. Ls werden zwei ;-. leiche und ,"en.-u ,''.ere fiel te Ströme benötigt, von denen der erste durch den Widerstand 15'J und der zweite durch den Widerstand lj'l cien ;j eweil.i gen Anoden der Gasentladungsröhre zufliegt, ii/ine stiitji Le 'iozujiS.snniiriun;. kann von einer Zolinerdiode 1'l2 nbgenoinnieii werden. Diese wird mit LeIs eines aus den Widerständen l'±3 und 1 Vi p-pbildfitpn unMiiiun,ust oilers, welcher parallel zur Zehner-i α ι ode \'\'J. 1 ie'.t, in eine; zweite ijezu.issnannuri ι aufgeteilt. Die /Ke i te iß/u; ss naniiiui ■ wird von dem Differenzverstärker 101 mit der bo«:iii.um ■· ver.f Ii chcri, die an dein Widerstand 139 liett, welcher von CiCL=SeI ben Strom durchflossen ist, der auch durch den Vv I dei*f.-taiid 1Ί-; lLiei't. Der aus;· nm ties Di.f f erenzverstärkers bewirkt die i!.i liste I Inn: der Ei n.ean.t' sspnmmn,? zum FET-Transistor 1'j2 und ver.'inrf ort den Widerstand zwischen seinem Quellen aii-.SOi I π ' lind sei nein itbl e i tun f-sciii sch lull und somit die QröiJe des Stromes, welcher durch den Trrnsi.stor und die Widerstände 139 !

ui'd 15 ■ 1' I J ο;!, t, oie rn.it dem Transistor in Reihe geschaltet sind, I so da^!>: der Ai.odenstroin :ieroff.G.H wird, tine zweite Schaltun;, wel-j ehe identisch mit der zur Kegelunf des Stromes durch den Widerstand 15'j -ist, die::t zur iiegelun¹ des Stromes durch den Widerstand 15·Ί ι .jedoch mit der Ausnahme, da-i die Spannung an dem Widerstand 139 als iiezujrsspannuii.pjsqiielle verwendet wird. Irgendwelche Änderungen der Snaniiun.ic an dem Widerstand 139 schlagen si cli in dem Stromaus^aJi₁F der zweiten Schaltung nieder, so daß die beiden Ausjrniifrsströme identisch sind und in unmittelbarem Zusammenbaur stehen.

Ein 5UÜO V-Startimpuls, welcher bei der Einschaltung erzeugt wird, d i eiit zur Zündung der Entladung und wird von einer externen Schal tun,'·· bereitgestellt, welche nicht dargestellt ist. Dieser !immls wird über die Widerstände 159 und l60 und die Dioden IT/ und 101 angekoppelt und addiert sich zu der von dem Anodenstrcjnire«cler 35 erzeugten Spannung. Die Dioden I56 und l62 dienen zum Schutz und zur Isolation des Anodenstromreglers 35 von dein Startinipuls.

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Claims (1)

1. f £'. t en t an s pr üch e

   lJKinglaser-Drehgeschwi.ndigkeitsmesser, mit einem lii.niolnser- ; raum, welcher einen geschlossenen Übertragungsweg; für die Ausbreitung mehrerer Wellen jeweils unterschiedlicher frequenz und mindestens eine Detektoreiririchtung enthält, zu welcher je mindeste. iS zwei der Wellen ausgekoppelt werden, gekennzeichnet durch/zwei mit der bzw. jeder Detektoreinrichtun.u (2b, 27) gekoppelte Filtermittel (129, 115, 120, 12o), von denen ein erstes (129, 115) ein unter einer bestimmten Frequenz liegendes Durchlaßband und das zweite (12Ü, 12ö) ein über dieser Frequenz j liegendes Durchlattbcind aufweist.

   2. Ringlaser-Drehgeschwindigkeitsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich in dem geschlossenen Übertragungsweg

   ; des Ringlaserraumes (5) mindestens vier Wellen jeweils unterschiedlicher Frequenz ausbreiten, daß ferner zwei Detektorein-. richtungen (26, 27) vorgesehen sind, von denen eine erste auf ein erstes Wellenpaar und eine zweite auf ein zweites Wellenpaar der genannten Wellen anspricht, daß weiter eine Schaltung (33) zur Einstellung der wirksamen Länge des geschlossenen Übertragungsweges in Abhängigkeit von den Ausgängen der jeweils ersten Filtermittel (129, 115), welche mit den beiden Detektoreinrichtungen gekoppelt sind, vorgesehen ist und daß eine Ausgangs-Signalverarbeitungsschaltung (29) mit den Ausgängen der jeweils zweiten Filtermittel (120, II5), welche mit den beiden Detektoreinrichtungen verbunden sind, gekoppelt ist und ein Ausgangssignal darbietet, welches der Drehung des Laser-Ringraumes entspricht.

   3. Ringlaser-Drehgeschwindigkeitsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schaltung (33) zur Steuerung der wirksamen Länge des Übertragungsweges des Ringlaserraumes (5) vorge-

   809828/0865 ORSQSNAL INSPECTED

   sehen ist, welche von mindestens einem Äusian.^f" des F Ll term L tte Ls ouer dor i¹ :i lternitttel (IiI-J, l"l^:5j beaufschlagt ist, welches bzw. we Lclic; ans unter einer bestimmten Frequenz 1 i o.cende lnu-chlii'Vuiind aufweist Dzv,'. aufweisen.

   'I. kin;. Lc'ser-L-reh.-.eschif iiidir.Iceitsmesser nach Änsnruch 2 oder 3, dadurch ,'.ekemize Lehnet, daii die Scnaltua·; (33» 3'-O zur Steuerun;. ο or wirksr.t-ien L'in<. e des Lbortm^imtrsweges einen aiezoeiektr isclion vVaudLer (37) speist.

   5· Hin.^la&er-Dreiit.esctiwi nai.viie I tsiiiesser nach einem der Ansnrüche 1 bis 4, dadurch f; ekennzei chiiet, da.s das t" Llterniittel bzw. die Filtermittel ( 12ü, 12vi, 129, IJ^; Verstärkermittel (12*;, 115) enthält bzw. enthalten.

   b. K i η ;<· Laser-Lireh;.: eschv.^rindi}!,i:e i tsmesser nacii einem der Ansprüche L bis "j, dadurch gekennzeichnet, daii an den Ausbau..¹.- derjenigen I¹' i L term i t tel (12t>, ILIo)₁ welche das über der bestimmten Frequenz Liegende i^urchlabband aufweisen, Z'ihlermi ttel (29, 3*-J, 32) aiii· escii Lossen s Lud.

   7· k'.η el aser-L^lreJi.i::eschwi iidi eke L tsmesser nach einem der Ansprüche I bis 0, d«"».durch gekerinzciciitiet, daß die genannte bestimmte i're<|uer>z unter derjenigen m LnJ-tnalen Aiisp:an;;sfrequenz Lie· t, we!.-ciie auf -runo einer L-rehun· des Hiriglaserraumes (5) als Ausi-i-.iiusfreciueuz ucr Dotektore i nr.i chtunj., bzw. der Detektoreijirichtuiireii (26, 2V) auftroteii kami.

   w. ill nt lcisor-Drehreschwindiiikeitstnesser nach einem der Einsprüche 2 bis 7 t dadurch gekennzeichnet, daß die Schal tun?. (33) zur , Steuerun ^: c'er wirlisr.men Lang;e des libertraguntrsweges des Hirulaserrauines (5) einen Verjiieicher (2lJ) enthält, welcher ein Sli'-ual abgibt, das der Differenz zwischen der Amplitude des Aus ιέ·xiivs der mit der ersten Detektoreinrichtunjr (26) e:ekoppelten ersten Filtermittel (129, 115) und der Amplitude der mit der

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   zweiten Letektorcinrichtuii' ( d'f ) <'.ekotmol .ten ersten Jt¹"; Itrrniitte.l ßxitsnr ι cht und dab ifiinste I. lini t tei ('57) vorpeseiion sind, weiche in i t einem j. ι j dem genannten /.cschlosseiieii Übertrr.'Mui.esweir liegenden Reflektor (1.2) zusammenwirken und welche von dem soeben ,"'enanutcn Sipif.]. gesteuert (?.k) sind.

   9· iii.Iin/lnser-Dreh.cceschwiiid.i ;■ ke i tsmesser nach Anspruch u, dadurch icekennzei cliij et, da'i die isi.nstellm Lttel einen n:i ezoelektri seilen Wandler enthalten.

   lü. iun;ilaser-Dreh;' eschwindi.Tk ei tsmesser nach eixiein der che b bis 9j dadurch {gekennzeichnet, da.'· die Z'ihlermj ttel zur ijildun.fr eines Zählerstandes entsprechend der Drehung des Hin.-ϊ-lnserrauraes (5) Schaltunjrskreise (29) zur jJlldmi;r einer ersten Impulsfolge entsprechend dem Ausging der mit der ersten Detektoreinrichtun;;· (2G) gekoppelten zweiten Filtermittel (12_*, 12o) und weitere Schaltunrskrcise (29) zur ji Leuiij·; einer zweiten Impulsfolge entsprechend dem Ausgang der mit der zweiten Detektoreinrichtun.p; (27) gekoppelten zweiten Filtermittel enthalt.

   11. Ringlaser-Drehgeschwindigkeitsmesser nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltunj-skreise (29) zur HiIdunr der ersten und der zweiten Impulsfolge jeweils Verstärkermittel (171) und daran angeschlossene Schmitt'sehe Triggerkreise (18I, 192, 195, loo, 1Ö9) enthalten.

   12. Ringlaser-Drehgeschwindigkeitsmesser nach Anspruch 11, da- i durch gekennzeichnet, daß an die Schaltungskreise zur -bildung j der ersten Tind der zweiten Impulsfolge ein Zähler (30, 32) zur j Erzeugung eines Zählerstandes angeschlossen ist, welcher die ' Differenz der Impulswiederholungsfrequenzen der ersten und der j zweiten Impulsfolge angibt.

   Gi-'.J JliUili-.V¹:

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