DE2907703C2 - Einrichtung zur Drehgeschwindigkeitsmessung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Drehgeschwindigkeitsmessung, mit einem elektromagnetische Strahlung verstärkenden Medium, das in einem in sich geschlossenen Strahlungspfad angeordnet ist, den zwei Wellenpakete in entgegengesetzter Richtung durchlaufen, die zur Messung ihrer Frequenzdifferenz gleichzeitig aus dem Strahlungspfad ausgekoppelt werden, und mit einer Schalteinrichtung, die derart steuerbar ist, daß die beiden Wellenpakete dasselbe verstärkende Medium zu verschiedenen Zeiten durchlaufen.

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 eingebracht ist. 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. für die in Drehrichtung umlaufenden Lichtwellen ergibt sich eine größere Pfadlänge, für die entgegen der Drehrichtung umlaufenden Lichtwellen ergibt sich eine verkürzte Pfadlänge. Dadurch entsteht zwischen den beiden Lichtwellen ein Frequenzunterschied. Dieser Effekt läßt sich zur Messung des Drehwinkels bzw. 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 Frequenzunterschiedexistiert

Nun ist durch die DE-AS 15 23271 eine Einrichtung zur Drehgeschwindigkeitsmessung der eingangs genannten Art bekannt die einen in sich geschlossenen Strahlungspfad mit zwei Lasern und einer oder mehreren Lichtsperren sowie mit zwei in entgegengesetzter Richtung umlaufenden Strahlenbündeln aufweist. Sowohl bei einer Ausführung mit einer Lichtsperre als auch mit zwei Lichtsperren treten die beiden Strahlungsimpulse gleichzeitig durch die Sperren hindurch. Dabei sind zwar Reflexionen im Bereich der Laser nicht mit den Strahlungsimpulsen synchron, im Bereich der Lichtsperren wird eine Synchronisation von Reflexionen und Strahlungsimpulsen aber nicht vermieden. Da bei der bekannten Einrichtung die beiden Strahlungsimpulse gleichzeitig auf die Lichtsperre treffen, sind Reflexionen des von dem einen Laser kommenden Strahlungsimpulses an der Lichtsperre mit dem vom anderen Laser gleichzeitig ankommenden, die Lichtsperre in Richtung auf den ersten Laser verlassenden Strahlungsimpuls weitgehend synchron, so daß die Reflexionen mit dem ersten Strahlungsimpuls mitgezogen werden.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, bei einer Einrichtung der eingangs genannten Art den geschilderten Mätzieh-Effekt auch im Bereich der Schalteinrichtung zu vermeiden.

Diese Aufgabe wird bei einer Einrichtung der eingangs genannten Art gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Schalteinrichtung abwechselnd für Strahlung aus jeweils nur einer Richtung in Durchlaßrichtung schaltbar ist.

Bei der erfindungsgemäßen Einrichtung wird das Mitziehen von Reflexionen auch im Bereich der Schalteinrichtung verhindert, da die Strahlungsimpulse die Schalteinrichtung zeitlich versetzt, also zu verschiedenen Zeiten durchlaufen und somit auch Reflexionen eines Strahlungsimpulses nicht zum Zeitpunkt des Durchtritts des anderen Strahlungsimpulses durch die Schalteinrichtung entstehen können.

Die erfindungsgemäße Einrichtung hat somit den wesentlichen Vorteil, daß der Mitzieh-Effekt weitgehendst vermieden wird. Außerdem ermöglicht die erfindungsgemäße Einrichtung neben der Verwendung von Lasern als aktivem Material auch die Ausdehnung des Meßprinzips auf tiefere Frequenzbereiche, insbesondere den höheren Mikrowellenbereich.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Einrichtung ist als aktives Material ein

Laser verwendet, ζ. 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. Diese ermöglicht die Verwendung relativ großer Strecken und im Hinblick auf die Schaltzeiten der Schalteinrichtung eine Vereinfachung der zeitlichen Steuerung.

Bei der erfindungsgemäßen Einrichtung mit einem optischen Ring als Strahlungspfad ist es weiterhin von Vorteil, wenn als Schalter Ablenkmodulaloren vorgesehen sind Auf diese Weise können Reflexionen im Strahlungspfad ausgekoppelt werden, wenn sie auf einen geöffneten Schalter treffen.

Bei der Anwendung der erfindungsgemäßen Einrichtung im Mikrowellenbereich ergeben sich verschiedene Möglichkeiten mit unterschiedlichen Ausführungsformen der Einrichtung.

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.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform verwendet einen Verstärker mit umschaltbarer Verstärkungsrichtung. Hierfür eignet sich z. B. eine Verstärkerschaltung, wie sie in der DE-AS 26 46 035 beschrieben ist, besonders gut.

Vorteilhafte Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Einrichtung werden im folgenden anhand der Zeichnung näher beschrieben. Die

F i g. 1 und 2 zeigen eine Ausführungsform im optischen Bereich, die

Fig.3 zeigt eine Ausführungsform im Mikrowellenbereich.

Die Einrichtung nach F i g. 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 aufgewickelt ist. Der Einfachheit halber ist hier eine Glasfaser als Einzelwindung dargestellt. Die LWL-Strecke besitzt z. B. eine Gesamtlänge von etwa ⁴^ 100 Meter. Durch diese nur beispielhaft 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. 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 51 und 52, z. B. Ablenkmodulatoren in Form von KDP-Knstallen. Die optischen Schalter schließen z. B. einen Streckenabschnitt von 25 Metern ein und sind dabei bei einer oben angegebenen Gesamtlänge der LWL-Strekke 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. entgegen dem Uhrzeigersinn umlaufende Wellenpakete zu erzwingen, schließt zunächst der linke Schalter 51, während der rechte Schalter 52 geöffnet ist. Damit kann ein im Uhrzeigersinn, also rechts auf dem Strahlungspfad umlaufendes Lichtpaket von links in die Strecke zwischen den Schaltern 51 und 52 eintreten. Entsprechend der gewählten Pulszeit erreicht der Beginn des Lichtpaketes den rechten Schalter 52, z. B. nach 80 nsec, der nun die Strecke schließt, während der linke Schalter 51 wieder öffneL Nachdem das Ende des Lichtpaketes den rechten Schalter 52 passiert hat, öffnet dieser ebenfalls für ca SO 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 Strecke zwischen den Schaltern eintreten kann, während der linke Schalter 51 noch geöffnet ist. Nach weiteren ca. 80 nsec schließt der linke Schalter 51 und der rechte Schalter 52 öffnet wieder. Nachdem das links umlaufende Wellenpaket den Streckenabschnitt zwischen den beiden Schaltern 51 und 52 verlassen hat, öffnet der linke Schalter 51 ebenfalls. Der gesamte Zyklus beginnt wieder, wenn das rechtsumlaufende Wellenpaket den linken Schalter 51 wieder erreicht hat. Die aus den beiden optischen Schaltern 51 und 52 bestehende Schalteinrichtung ist somit abwechselnd für Strahlung aus jeweils nur einer Richtung in Durchlaßrichtung schaltbar. Dabei wird durch eine zeitliche Steuerung der beiden Schalter erreicht, daß nur in bestimmten Zeitschlitzen links bzw. rechts umlaufende Pulse existieren können. Im angegebenen Beispiel passieren die 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 z. B. 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.

Die beiden umlaufenden Wellenpakete treffen sich bei dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 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. Beim Ausführungsbeispiel nach F i g. 1 ist die Auskopplung A in der Mitte des Strahlungspfades zwischen dem Schalter 52 und dem Laser L vorgesehen.

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 Überlagerung 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 Durchlaufeines Lichtpaketes zu synchronisieren. Die Synchronisationseinrichtung 2 steht mit den Schaltern 51 und 52 in Verbindung. Durch entsprechende zeitliche Steuerung der Schalter läßt sich die Pulslänge variieren. 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 erlauben auch die Verwendung wesentlich kürzerer Pfadlängen.

In F i g. 2 ist ein Zeitdiagramm der beiden gegenläufigen Impulse dargestellt, wobei der optische Ring in der Mitte des Lasers aufgeschnitten ist.

In der F i g. 3 ist eine im Mikrowellenbereich einsetzbare 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 51 und 52 sowie zwei Zirkulatoren Zl und Z2 in geeigneter Weise so gesteuert, daß wie bei der Einrichtung nach F i g. 1 im oben näher beschriebenen Sinne zwei entgegengesetzt umlaufende Wellenpakete erzeugt werden, die zeitlich nacheinander verstärkt werden. Die Auskopplung A ist hier an einer ca. 25 Meter vom Zirkulator Tl bzw. ca. 75 Meter vom Zirkulator Tl entfernten Stelle vorgesehen. Das ausgekoppelte Signal wird einer Auswertung 1 bzw. einer mit den Schaltern 5! und 52 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 51 und 5 2. Anstelle des bei der Schaltung nach F i g. 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 Auskopplung an der Stelle, an der die beiden Wellenpakete einander begegnen, können unter Umständen hier reflektierte Anteile in die Zeitschlitze fallen. 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 lösen und die beiden Wellenpakete 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.

Der bevorzugte Frequenzbereich liegt entsprechend den derzeitigen Möglichkeiten zwischen 30 und 100 GHz mit Gesamtlängen des Strahlungspfades zwischen 10 und 100 m.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (9)

Patentansprüche:

1. Einrichtung zur Drehgeschwindigkeitsmessung, mit einem elektromagnetische Strahlung verstärkenden Medium, das in einem in sich geschlossenen Strahlungspfad angeordnet ist, den zwei Wellenpakete in entgegengesetzter Richtung durchlaufen, die zur Messung ihrer Frequenzdifferenz gleichzeitig aus dem Strahlungspfad ausgekoppelt werden, und mit einer Schalteinrichtung, die derart steuerbar ist, daß die beiden Wellenpakete dasselbe verstärkende Medium zu verschiedenen Zeiten durchlaufen, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalteinrichtung (S 1, 52) abwechselnd für Strahlung aus jeweils nur einer Richtung in Durchlaßrichtung schaltbar ist

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlur.gsnfad ein optischer Strahlungspfad und als verstärkendes Medium ein Laser (L) vorgesehen ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlungspfad aus einer Lichtwellenleiter-Strecke besteht

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtwellenleiter-Strecke zu einer Spule gewickelt ist

5. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet daß die Schalteinrichtung (Si, 52) aus zwei hintereinanderliegenden, einen Streckenabschnitt von der Länge mindestens der Pulslänge eines Wellenpaketes einschließenden Ablenkmodulatoren besteht.

6. Einrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet, durch die Verwendung eines Einwegverstärkers (V) mit externer Umschaltung der Verstärkungsrichtung.

7. Einrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Verwendung eines Verstärkers mit umschaltbarer Verstärkungsrichtung.

8. Einrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlungspfad aus einer koaxialen Leitung besteht.

9. Einrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlungspfad aus einem Hohlleiter besteht.