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Einrichtung zur DrehzeschwindiKkeitsmessung
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Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Drehgeschwindigkeitsmessung,
mit einem elektromagnetische Strahlung verstärkenden Medium, das in einem in sich
geschlossenen Strahlungspfad angeordnet ist, den die elektromagnetische Strahlung
in entgegengesetzter Richtung durchläuft.
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Derartige Einrichtungen zum Messen einer Drehbewegung verwenden als
aktives Material z.B. einen Laser und nützen den sogenannten Sagnac-Effekt aus.
Bekannte Einrichtungen dieser Art, sogenannte Ringlaser oder Laserkreisel, bestehen
aus einem einen Strahlungspfad bildenden optischen Ring, in den eine Laserstrecke
eingebrachtist. Hierbei entstehen in entgegengesetzter Richtung ständig umlaufende
Lichtwellen. Eine Drehung des Gesamtsystems bewirkt, daß sich die effektive Pfadlänge
in dem optischen Ring für die beiden Lichtwellen verändert, d.h.
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für die in Drehrichtung umlaufenden Lichtwellen ergibt sich eine größere
Pfadlänge, für die entgegen der Drehrichtung umflzindx Lichtwellen ergibt sich eine
verkürzte
Pfadlänge. Dadurch entsteht zwischen den beiden Lichtwellen
ein Frequenzunterschied und somit eine Phasenverschiebung der beiden entgegengesetzt
umlaufenden Lichtwellen. Dieser als Sagnac-Effekt bekannt gewordene Effekt läßt
sich zur Messung des Drehwinkels bzw.
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der Drehgeschwindigkeit ausnützen. Bei niedrigen Drehgeschwindigkeiten
ist der Frequenzunterschied zwischen den beiden Lichtwellen jedoch gering und es
tritt wie z.B. beim Ringlaser durch Wechselwirkungen im aktiven Material und durch
Reflexionen im Ringsystem häufig eine als Mitzieh- oder Lock-in-Effekt bekannte
Frequenzsynchronisation der beiden Lichtwellen auf. Dieser Effekt stellt das Hauptproblem
derartiger Systeme dar, denn es ist hierbei unmöglich, niedrige Drehgeschwindigkeiten
zu messen, weil dann kein der Drehgeschwindigkeit proportionaler Frequenzunterschied
existiert.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, bei einer Einrichtung
der eingangs genannten Art den geschilderten Mitzieh-Effekt zu vermeiden.
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Diese Aufgabe wird bei einer Einrichtung der eingangs genannten Art
gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß im Strahlungspfad eine Schalteinrichtung
vorgesehen ist, die abwechselnd für Strahlung auseeweils nur einer Richtung in Durchlaßrichtung
schaltbar und dabei derart zeitlich nicht reziprok steuerbar ist, daß zwei den Strahlungspfad
entgegengesetzt durchlaufende, zeitlich nacheinander verstärkte Wellenpakete erzeugt
werden.
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Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, statt zweier kontinuierlich
umlaufender Wellen zwei Wellenpakete zu erzeugen, die entgegengesetzt umlaufen und
deren Impulszeiten durch eine entsprechende eitliche Steuerung so vorteilhaft gesteuert
werden , daß sich
die beiden Wellenpakete zu unterschiedlichen Zeiten
im verstärkenden Medium befinden und somit zeitlich nacheinander im aktiven Material
verstärkt werden. Weiterhin lassen sich bei einer erfindungsgemäßen Einrichtung
reflektierte Anteile weitgehend unterdrücken, da sie die Zeitbedingungen nicht erfüllen.
Die erfindungsget mäße Einrichtung hat somit den wesentlichen Vorteil, daß der Mitzieh-Effekt
weitgehendst vermieden wird. Außerdem ermöglichtdie erfindungsgemäße Einrichtung
neben der Verwendung von Lasern als aktivem Material auch die Ausdehnung des Meßprinzips
auf tiefere Frequenzbereiche, insbesondere den höheren Mikrowellenbereich.
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Bei einer vorteilhaften Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Einrichtung
ist als aktives Material ein Laser verwendet, z.B. ein Gas- oder Festkörperlaser.
Hierbei besteht der Strahlungspfad aus einem optischen Ring, vorteilhaft aus einer
Lichtwellenleiter-Strecke, welche zweckmäßigerweise zu einer Spule gewickelt ist.
Dies ermöglicht die Verwendung relativ großer Strecken und im Hinblick auf die Schaltzeiten
der Schalteinrichtung eine Vereinfachung der nichtreziproken Steuerung.
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Bei einer erfindungsgemäßen Einrichtung mit einem optischen Ring als
Strahlungspfad ist es weiterhin von Vorteil, wenn als Schalter Ablenkmodulatoren
vorgesehen sind. Auf diese Weise können Reflexionen im Strahlungspfad ausgekoppelt
werden, wenn sie auf einen geöffneten Schalter treffen.
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Bei der Anwendung einer erfindungsgemäßen Einrichtung im Mikrowellenbereich
ergeben sich verschiedene Mõglichkeiten mit unterschiedlichen Ausführungsformen
der Einrichtung.
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Bei einer ersten vorteilhaften Ausführungsform ist die Verwendung
eines Einwegverstärkers mit externer Umschaltung der Verstärkungsrichtung vorgesehen.
Hierbei erfolgt außer der Umschaltung der Verstärkungsrichtung zweckmäßigerweise
auch die zeitliche Steuerung mit Hilfe von Umschaltern.
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Eine weitere vorteilhafte Äusführungsform verwendet einen Verstärker
mit umschaltbarer Verstärkungsrichtung.
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Hierfür eignet sich z.B. eine Verstärkerschaltung, wie sie in der
DE-AS 26 46 035 beschrieben ist, besonders gut.
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Schließlich ist es bei einer im Mikrowellenbereich einsetzbaren erfindungsgemäßen
Einrichtung besonders vorteilhaft, zur Entdämpfung der Strecke einen oder mehrere
negative Widerstände in Parallel-und/oder Serienschaltung vorzusehene Vorteilhafte
Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Einrichtung werden im folgenden anhand
der Zeichnung näher beschrieben.
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Die Fig. 1 und 2 zeigen eine erfindungsgemäße Einrichtung im optischen
Bereich, die Fig. 3 bis 5 zeigen verschiedenitusfuhrung,sformen einer im Mikrowellenbereich
einsetzbaren erfindungsgemäßen Einrichtung.
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Die Einrichtung nach Fig. 1 weist einen Strahlungspfad auf, der hier
von einem in sich geschlossenen optischen Ring gebildet ist. Hierfür kann z.B. in
vorteilhafter Weise eine Lichtwellenleiter-(LWL-)Strecke, z.B. aus Glasfasern, vorgesehen
werden, die zu einer handlichen Flachspule von wenigen Zentimetern Durchmesser aufge-
wickelt
ist. Der Einfachheit halber ist hier eine Glasfaser als Einzelwindung dargestellt.
Die LWL-Strecke besitzt z.B. eine Gesamtlänge von etwa 100 Meter. Durch diese nur
beisgielhaft angegebene Länge soll lediglich die notwendige Schaltgeschwindigkeit
für die anschließend noch zu beschreibende Steuerung herabgesetzt werden. In den
optischen Ring ist ein Laser L eingesetzt, der z.B.
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aus einem Gas- oder Festkörper-Laser besteht und hier als Lichtverstärker
dient. Gegenüber dem Laser befinden sich zwei in einem bestimmten Abstand voneinander
unmittelbar in den Strahlungspfad eingesetzte optische Schalter S1 und S2, z.B.
Ablenkmodulatoren in Form von EDP-Kristallen. Die optischen Schalter schließen z.B.
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einen Streckenabschnitt von 25 Metern ein und sind dabei bei einer
oben angegebenen Gesamtlänge der LWL-Strecke von z.B. 100 Metern jeweils 37,5 Meter
vom aktiven Material, dem Laser L, entfernt. Um nun zwei in entgegengesetzter Richtung,
nämlich im Uhrzeigersinn bzw.
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entgegen dem Uhrzeigersinn umlauf ende Wellenpakete zu erzwingen,
schließt zunächst der linke Schalter S1, wahænd der rechte Schalter S2 geöffnet
ist. Damit kann ein im Uhrzeigersinn, also rechts auf dem Strahlungspfad umlaufendes
Lichtpaket von links in die Strecke zwischen den Schaltern S1 und S2 eintreten.
Entsprechend der gewählten Pulszeit erreicht der Beginn des Lichtpaketes den rechten
Schalter S2, z.B. nach 80 nsec, der nun die Strecke schließt, während der linke
Schalter S1 wider öffnet. Nachdem das Ende des Lichtpaketes den rechten Schalter
S2 passiert hat, öffnet dieser ebenfalls für ca. 80 nsec. Nun schließt zunächst
der rechte Schalter 52, während der linke Schalter 51 noch geöffnet ist, so daß
ein entgegen dem Uhrzeigersinn, also links auf dem Strahlungspfad umlaufendes Wellenpaket
in die Strekke zwischen den Schaltern eintreten kann, während der linke Schalter
S1 noch geöffnet ist. Nach weiteren ca.
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80 nsec schließt der linke Schalter S1 und der rechte Schalter S2
öffnet wieder. Nachdem das links umlaufende Wellenpaket den Streckenabschnitt zwischen
den beiden Schaltern S1 und S2 verlassen hat, öffnet der linke Schalter 51 ebenfalls.
Der gesamte Zyklus beginnt wieder, wenn das rechtsumlaufende Wellenpaket den linken
Schalter S1 wieder erreicht hat. Die aus den beiden optischen Schaltern S1 und S2
bestehende Schalteinrichtung ist somit abwechselnd für Strahlung aus jeweils nur
einer Richtung in DurchlaBrichtung schaltbar. Dabei wird durch eine zeitliche, nicht
reziproke Steuerung erreicht, daß nur in bestimmten Zeitschlitzen links bzw. rechts
umlaufende pulse existieren können. Im angegebenen Beispiel passieren ca. 80 nsec
langen Pulse die Strecke mit einem zeitlichen Abstand von ebenfalls 80 nsec, d.h.
Wechselwirkungen im Laser sind nicht mehr möglich. Betrachtet man nun Reflexionen
der beiden umlaufenden Wellenpakete im Bereich des Lasers, so erkennt man, daß die
reflektierten Anteile jeweils auf einen geöffneten Schalter treffen. Realisiert
man nun die beiden optischen Schalter als Ablenkmodulatoren, so werden die reflektierten
Anteile aus dem Strahlungspfad ausgekoppelt. Reflexionen an den Schaltern erfüllen
die Zeitbedingungen nicht.
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Die beiden umlaufenden Wellenpakete treffen sich bei dem Ausführungsbeispiel
nach Fig. 1 an zwei Stellen des Strahlungspfades, so daß sie dort ausgekoppelt und
der eigentlichen den Frequenzunterschied der beiden umlaufenden Wellenpakete bildenden
Meßauswertung 1 zugeführt werden können. Bem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ist
die Auskopplung A in der Mitte des Strahlungspfades zwischen dem Schalter S2 und
dem Lase-L vorgesehen.
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Dreht sich nun das Gesamtsystem, so verursacht der Sagnac-Effekt eine
gegenläufige Phasenverschiebung der beiden umlaufenden Wellenpakete. In der Auswertung
1 erhält man durch die Uberlagerung der beiden Anteile eine von der Winkeldrehgeschwindigkeit
abhängige Intensitätsschwankung, wobei die Anzahl der registrierten Maxima ein Maß
für die Winkeländerung ist. Es sind dabei Vorkehrungen zu treffen, daß man positive
und negative Winkeländerungen unterscheiden kann. Die Zeitsteuerung der Schalter
ist mit dem gemessenen Durchlauf eines Lichtpaketes zu synchronisieren. Die Synchronisationseinrichtung
2 steht mit den Schaltern S1 und S2 in Verbindung. Durch entsprechende zeitliche
Steuerung der Schalter läßt sich die Pulslänge variieren.
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Die Länge des Strahlungspfades bestimmt in erster Linie die Umlaufzeit
und damit die Anforderungen an die Schaltgeschwindigkeit der Schalter. Die angegebenen
Zeiten sind nur als Richtwerte bei einer Strahlungspfadlänge von 100 Metern zu betrachten.
Schnelle Modulatoren er-7raben auch die Verwendung wesentlich küraerer Pfadlängen.
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In Fig. 2 ist ein Zeitdiagramm der beiden gegenläufigen Impulse dargestellt,
wobei der optische Ring in der Mitte des Lasers aufgeschnitten ist.
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In der Fig. 3 ist eine erste im Mikrowellenbereich einsetzbare erfindungsgemäße
Einrichtung dargestellt. Hierbei ist als verstärkendes Medium ein Einwegverstärker
V in eine beispielsweise ca. 100 m lange Koaxialstrecke als Strahlungspfad eingesetzt.
Dieser Verstärker wird durch eine externe Umschaltung der Verstärkungsrichtung in
Form von zwei Umschaltern Si und 52 sowie zwei Zirkulatoren Z1 und Z2 in geeigneter
Weise so gesteuert, daß wie bei der Einrichtung nach Fig. 1 im oben näher beschriebenen
Sinne zwei entgegengesetzt umlaufende Wellen-
pakete erzeugt werden,
die zeitlich nacheinander verstärkt werden. Die Auskopplung A ist hier an einer
ca. 25 Meter vom Zirkulator Z2 bzw. ca 75 Meter vom Zirkulator Z1 entfernten Stelle
vorgesehen. Das ausgekoppelte Signal wird einer Auswertung 1 bzw. einer mit den
Schaltern S1 und S2 in Verbindung stehenden Synchronisationseinrichtung 2 zugeführt.
Dem Verstärker V ist ein Frequenzfilter F vorgeschaltet. Die zeitliche Steuerung
erfolgt bei dieser Einrichtung ebenfalls mit Hilfe der Umschalter S1 und S2.
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Anstelle des bei der Schaltung nach Fig. 3 verwendeten Einwegverstärkers
kann auch ein Verstärker ohne externe Umschaltung mit umschaltbarer Verstärkungsrichtung
vorgesehen werden. Hierfür eignet sich beispielsweise die in der DE-As 26 46 035
beschriebene Verstärkerschaltung Bei einer bevorzugten weiteren Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Einrichtung nach Fig. 4 sind zwei in einem Abstand von etwa
\ /4 in einem Hohlleiter oder einem koaxialen Leitungsstück angebrachte, negative
Widerstände G zur Entdämpfung vorgesehen. Hierfür geeignet sind z.B. Impattdioden,
rückgekoppelte Transistoren oder Tunneldioden. Durch entsprechende Abstimmung des
Wellenwiderstandes ZL und der negativen Widerstände G läßt sich Reflexionsfreiheit
bei gleichzeitiger Verstärkung erreichen.
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Eine Weiterbildung stellt die Hintereinanderschaltung derartiger Verstärker
mit jeweils kleiner Verstärkung dar, da dann die Gesamtschaltung unkritischer gegenüber
Toleranzen wird Als Schalter zur Festlegung der Zeitschlitze für die beiden umlaufenden
Wellenpakete eignen sich in koaxialer
Technik normale PIN-Diodenumschalter,
bei denen der nicht benützte Ausgang reflexionsfrei abgeschlossen ist.
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Eine bevorzugte Ausführungsform in Hohlleitertechnik ist in Fig. 5
gezeigt. Die beiden nicht entkoppelten Ausgänge eines magischen T's sind mit reflexionsarmen
Abs schlüssen, denen PIN-Dioden D vorgeschaltet sind, abgeschlossen. Wenn die PIN-Dioden
in Sperrichtung gepolt sind, stellen sie praktisch nur eine Kapazität dar.
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Diese Kapazität und der Fehler des Abschlusses werden durch entsprechende
Abgleichmaßnahmen kompensiert. Solange beide PIN-Dioden in Sperrichtung gepolt sind,
ist der Eingang vom Ausgang isoliert und beide sind reflexionsfrei. Werden die beiden
PIN-Dioden in Durchlaßrichtung geschaltet, so reflektieren die dann niedrigen Impedanzen
praktisch die gesamte Leistung. Der in die beiden Hohlleiter zu den PIN-Dioden eingebrachte
Längenunterschied von /4 sorgt dafür, daß die Isolation zwischen Ein- und Ausgang
nun aufgehoben ist und daß beide reflexionsfret sind.
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Bei einer Auskopplung an der Stelle, an der die beiden Wellenpakete
einander begegnen, können unter Umständen hier reflektierte Anteile in die Zeitschlitze
fallen.
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Verschiebt man die Auskopplungen für die beiden Richtungen von dieser
Stelle um entgegengesetzte Strecken, bis die reflektierten Anteile nicht mehr in
die Zeitschlitze fallen, so läßt sich dieses Problem löten und die beiden Wellenpakte
werden nach wie vor gleichzeitig ausgekoppelt. Eine bevorzugte Ausführung verwendet
eine Auskopplung am Verstärker und die zweite Auskopplung in der Strecke zwischen
den beiden Schaltern.
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Der bevorzugte Frequenzbereich liegt entsprechend den derzeitigen
Möglichkeiten zwischen 30 und 100 GHz mit Gesamtlängen des Strahlungspfades zwischen
10 und 100m.
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14 Patentansprüche 5 Figuren
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