DE2911851C2 - Laser-Drehgeschwindigkeitsmeßanordnung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Laser-Drehgeschwindig­ keitsmeßanordnung mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruches 1.

Laser-Drehgeschwindigkeitsmeßanordnungen dieser Art sind aus der deutschen Auslegeschrift 22 09 397 bekannt.

Zum besseren Verständnis der Erfindung seien folgende grund­ sätzliche Betrachtungen vorausgeschickt:

Eines der wichtigsten Probleme, die bei Laser-Drehgeschwin­ digkeitsmeßanordnungen zu lösen sind, besteht in der Besei­ tigung oder Kompensierung der nachteiligen Wirkungen des so­ genannten "lock in"-Effektes. Dieser besteht darin, daß die durch die Rotation der Laser-Anordnung entstehenden sehr nahe beieinanderliegenden Schwingungen derart zusammenwan­ dern, daß sie mit einer gemeinsamen Frequenz schwingen und infolgedessen keine die Drehgeschwindigkeit kennzeichnende Differenzfrequenz mehr vorhanden ist. Bei einer unkompen­ sierten Anordnung, bei der keine Vorkehrungen zur Überwin­ dung dieses Problems getroffen sind, ist dementsprechend bei niedrigen Drehgeschwindigkeiten die Frequenzdifferenz, die einem in dem Laserhohlraum zirkulierenden Wellenpaar ent­ spricht, geringer als sie ohne die erwähnte "lock in"-Er­ scheinung zu erwarten wäre. Das tatsächliche Frequenzdif­ ferenz-Ausgangssignal nähert sich der gewünschten linearen Beziehung zwischen Frequenzdifferenz und Drehgeschwindigkeit nur asymptotisch an, wenn die Drehgeschwindigkeit anwächst.

Bei der vorerwähnten bekannten Laser-Drehgeschwindigkeits­ meßanordnung breiten sich Wellen mit vier unterschiedlichen Frequenzen längs eines geschlossenen, durch vier Spiegel definierten Übertragungsweges des Laserdrehgeschwindigkeits­ messers aus. Dabei zirkulieren zwei Wellen im Uhrzeigersinn und die beiden anderen im Gegenuhrzeigersinn. Von den beiden im Uhrzeigersinn umlaufenden Wellen ist eine linkszirkular und die andere rechtszirkular polarisiert. Dasselbe gilt für die beiden im Gegenuhrzeigersinn umlaufenden Wellen. Bei dem in der erwähnten Auslegeschrift als Ausführungsbeispiel die­ nenden System besitzen die beiden rechtszirkular polarisier­ ten Wellen eine höhere Frequenz als die linkszirkular po­ larisierten Wellen. Ein Faraday-Rotator liefert die Frequenz­ differenz oder -aufspaltung zwischen den im Uhrzeigersinn und im Gegenuhrzeigersinn umlaufenden Wellen, während ein Kristallrotator die Frequenztrennung zwischen den rechts­ zirkular und linkszirkular polarisierten Wellen bewirkt.

Die relativen Frequenzlagen der vier Wellen mit unterschied­ lichen Frequenzen sind in Fig. 1 der vorliegenden Zeichnung dargestellt. Zur Vermeidung der mit dem "lock-in"-Effekt zusammenhängenden Probleme bewirkt der Faraday-Rotator bei der Drehgeschwindigkeit Null sowie bei allen vorgesehenen Drehgeschwindigkeiten einen genügend großen Frequenzabstand zwischen den Wellen mit den Frequenzen f₁ und f₂ sowie zwischen den Wellen mit f₃ und f₄, so daß das Zusammenwandern der Frequenzen d. h. der "lock in"-Effekt nicht auftreten kann und das System in einen Arbeitsbereich vorgespannt ist, der außerhalb des nichtlinearen Bereiches liegt, in welchem der "lock in"-Effekt auftritt.

Im Ruhezustand ist die Frequenzdifferenz zwischen den Wellen mit den Frequenzen f₁ und f₂ ebenso groß wie diejenige zwischen den Wellen mit den Frequenzen f₃ und f₄. Wenn die Laser-Drehgeschwindigkeitsmeßanordnung in einer ersten Rich­ tung rotiert, wird der Frequenzabstand der Wellen mit den Frequenzen f₁ und f₂ verringert, während der Abstand zwischen den Frequenzen f₃ und f₄ um denselben Betrag vergrößert wird. Bei der Rotation in entgegengesetzter Richtung vergrößert sich der Frequenzabstand zwischen den Wellen mit Frequenzen f₁ und f₂, während der Abstand zwischen den Frequenzen f₃ und f₄ um den gleichen Betrag verringert wird.

Zur Erzeugung eines Ausgangssignals, dessen Frequenz der Drehgeschwindigkeit proportional ist, werden zunächst zwei Frequenzdifferenz-Ausgangssignale mit den Frequenzen Δf₁ = f₂-f₁ und Δf₂ = f₄-f₃ gebildet. Aus diesen wird ein weiteres Ausgangssignal Δf = Δf₂-Δf₁ gebildet. Zur Er­ zeugung einer den Gesamtwert der Rotation kennzeichnenden An­ zeige dienen zwei Zähler von denen der eine mit dem Δf₁-Sig­ nal und der andere mit dem Δf₂-Signal beaufschlagt wird. Das Ausgangssignal eines Zählers wird digital von dem des anderen abgezogen, so daß sich ein digitales Signal ergibt, das den Gesamtbetrag der Rotation des Systems angibt.

Obwohl das bekannte System bei zahlreichen Anwendungsfällen sehr zufriedenstellend arbeitet, ist es bei weiteren Anwen­ dungsfällen wünschenswert, ein Ausgangssignal zu erzeugen, das entweder den Betrag der Rotation oder die Drehgeschwin­ digkeit mit einer höheren Genauigkeit anzeigt, als diese durch die Quantisierung der Δf₁ und Δf₂-Signale mit einem Impuls pro Signalperiode möglich ist.

Aus der US-Patentschrift 38 46 025 ist es bekannt, den "lock in"-Effekt durch eine Modulation der sich in zueinander ent­ gegengesetzten Richtungen im geschlossenen Übertragungsweg aus­ breitenden Wellen mittels eines auf Piezokristall montierten Spiegels des Übertragungsweges zu vermeiden, wobei diese Mo­ dulation dann bei der Auswertung durch Vergleich mit einer entsprechend modulierten Vergleichsschwingung wieder be­ seitigt wird. Die Vergleichsschwingung wird von einem eine Schwingung fester Frequenz liefernden Oszillator über einen Frequenzteiler einem Vergleicher zugeleitet, der außer dem Eingangssignal vom Frequenzteiler eine sägezahnmodulierte Ausgangsschwingung vom Übertragungsweg her zugeführt enthält.

Für die Verwendung in Laser-Drehgeschwindigkeitsmeßanord­ nungen der eingangs angesprochenen allgemeinen Art ist die aus der US-Patentschrift 38 46 025 bekannte Schaltung dann, wenn eine Erhöhung der Genauigkeit der Ausgangsanzeige ange­ strebt wird, nicht verwendbar.

Auch bei einer Laser-Drehgeschwindigkeitsanordnung nach der US-Patentschrift 36 97 181 wird dem "lock in"-Effekt durch Modulation der Frequenzen der sich im geschlossenen Übertra­ gungsweg ausbreitenden Wellen und nachträgliche Löschung dieser Modulation begegnet. Den Antrieben für die Reflektoren zum Aufbringen der Modulation werden Steuersignale von Phasendetektoren zugeführt, die eingangsseitig Schwingungen aufnehmen, die von den sich im Übertragungsweg ausbreitenden Wellen abgeleitet sind. Analoge Ausgangssignale, welche zur Anzeige der Drehgeschwindigkeit verwendbar sind und sich beliebig fein quantisieren lassen, um die Genauigkeit der Anzeige zu erhöhen, stehen bei der bekannten Schaltung nicht zur Verfügung.

Aus der US-Patentschrift 38 07 866 ist es weiter bekannt, mit einem Steuersignal auf einen, einen Bestandteil des geschlossenen Übertragungsweges einer Laser-Drehgeschwindigkeitsmeßanord­ nung bildenden Faraday Rotator einzuwirken, derart, daß in dem zur Anzeige gelangenden Signal entsprechend der Differenz der Frequenzen der sich im geschlossenen Übertragungsweg aus­ breitenden Wellen Einflüsse von Nichtlinearitäten und der Einfluß eines zur Vermeidung des "lock in" -Effektes einge­ führten Frequenzversatzes der sich in entgegengesetzter Richtung im Übertragungsweg ausbreitenden Wellen gelöscht werden. Es ist schließlich Stand der Technik, gemäß der auf eine ältere Anmeldung zurückgehenden deutschen Offenlegungs­ schrift 29 11 789 bei einer Laser-Drehgeschwinigkeitsmeß­ anordnung mit einer Vorrichtung zur Bildung eines geschlos­ senen Übertragungsweges für die Erzeugung und Aufrechter­ haltung von wenigstens vier sich längs dieses Übertragungs­ weges mit jeweils unterschiedlicher Frequenz ausbreitenden elektromagnetischen Wellen und mit einer Auswerteinrichtung, welche die Differenzfrequenz mindestens eines Wellenpaares zur Ableitung eines die Drehgeschwindigkeit um eine vom Übertragungsweg eingeschlossene Drehachse anzeigenden Meß­ signales bildet, ein Ausgangssignal mit erhöhter Genauig­ keit anzuzeigen und bei der Quantisierung eine hohe Quanti­ sierungsrate zu ermöglichen, indem in einem Phasendetektor einer phasenstarr verriegelten Regelschleife ein Referenz­ signal mit bestimmter fester Frequenz mit einem in der Auswerteinrichtung gebildeten Differenzfrequenzsignal ver­ glichen wird und das resultierende Ausgangssignal einer­ seits zur Anzeige der Drehgeschwindigkeit verwendet wird und andererseits als Stellsignal der Regelschleife den Stromfluß durch ein im geschlossenen Übertragungsweg liegen­ des Bauteil derart steuert, daß die Differenzfrequenz unab­ hängig von der zu messenden Drehgeschwindigkeit konstant gehalten wird.

Durch die vorliegende Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden, eine Laser-Drehgeschwindigkeitsmeßanordnung mit den Merkmalen des Oberbegriffes von Patentanspruch 1 so auszuge­ stalten, daß bei der Quantisierung der zur Anzeige der Dreh­ geschwindigkeit dienenden Ausgangssignale gegenüber den vor­ erwähnten bekannten Schaltungen eine wesentlich höhere Quanti­ sierungsrate ermöglicht wird und zusätzliche Maßnahmen zur Erhöhung der Genauigkeit des Ausgangssignales eingesetzt werden können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale von Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestal­ tungen sind Gegenstand der Ansprüche 2 und 3.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel anhand der Zeich­ nungen beschrieben. Es stellen dar:

Fig. 1 das bereits eingangs erwähnte Diagramm einer Fre­ quenzverteilung und einer Frequenzkennlinie des Verstärkermediums einer speziellen Art einer Laser- Drehgeschwindigkeitsmeßanordnung und

Fig. 2 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels der hier angegebenen Laser-Drehgeschwindigkeitsmeßan­ ordnung.

Fig. 1, auf die eingangs bereits Bezug genommen wurde, zeigt die Frequenzkennlinie des Verstärkermediums in einer Laser- Drehgeschwindigkeitsmeßanordnung, in der sich elektro­ magnetische Wellen mit insgesamt vier unterschiedlichen Fre­ quenzen ausbreiten. Die Wellen mit den Frequenzen f₁ und f₄ breiten sich im Uhrzeigersinn längs des Übertragungsweges aus, während die Wellen mit den Frequenzen f₂ und f₃ sich im Gegenuhrzeigersinn ausbreiten. Die Wellen mit den Frequenzen f₁ und f₂ sind linkszirkular polarisiert, während die Wellen mit den Frequenzen f₃ und f₄ rechtszirkular polarisiert sind. Die Trennung zwischen den Frequenzen der linkszirkular und rechtszirkular polarisierten Wellen wird durch einen Kristall­ rotator herbeigeführt, während die Trennung zwischen den im Uhrzeigersinn und im Gegenuhrzeigersinn umlaufenden Wellen durch einen Faraday-Rotator bewirkt wird. Wenn die Laser- Drehgeschwindigkeitsmeßanordnung um ihre senkrecht zur Ebene des Übertragungsweges gerichtete empfindliche Achse in einer ersten Drehrichtung routiert, rücken die Frequenzen f₃ und f₄ näher zusammen, während die Frequenzen f₁ und f₂ um den gleichen Betrag auseinanderrücken. Für den entgegengesetzten Drehrichtungssinn bewegen sich die Frequenzen f₁ und f₂ auf­ einander zu, während die Frequenzen f₃ und f₄ um den glei­ chen Betrag auseinanderrücken.

Zur Erzeugung eines Ausgangssignals, das für die Drehge­ schwindigkeit der Anordnung oder - alternativ - für den von einem bestimmten Zeitpunkt an insgesamt zurückgelegten Drehwinkel kennzeichnend ist, werden zwei verschiedene Sig­ nale Δf₁ = f₂-f₁ und Δf₂ = f₄-f₃ gebildet. Im Ruhe­ stand ist Δf₁ = Δf₂. Um ein Ausgangssignal zu bilden, das in irgendeinem bestimmten Zeitpunkt für die Drehgeschwindig­ keit kennzeichnend ist, wird ein weiteres Differenzsignal f = Δf₂-Δf₁ gebildet. Zur Ermittlung des von einem be­ stimmten Zeitpunkt an insgesamt zurückgelegten Rotationsweges wird das Integral des Signals f gebildet. Dieses Integral kann mit Hilfe einer analog arbeitenden Schaltung ermittelt werden. Zur Erzeugung einer größeren Genauigkeit wird es jedoch vorzugsweise digital erzeugt.

Anhand das in Fig. 2 dargestellten Blockschaltbildes soll ein Ausführungsbeispiel erläutert werden, das einen geschlossenen Übertragungsweg 402 für zwei Frequenzen verwendet, wobei hier der im Zusammenhang mit Fig. 1 erwähnte Kristallrotator ent­ fällt. Selbstverständlich sind auch andere Ausbildungsformen von Zweifrequenz-Übertragungswegen verwendbar. Die beiden Ausgangsstrahlen des geschlossenen Übertragungsweges 402 werden optisch in eine Ausgangsbaugruppe 403 gekoppelt, in der sie zusammengefaßt werden, so daß ein Ausgangssignal ent­ steht, dessen Frequenz der Differenz zwischen den Frequenzen der beiden Strahlen entspricht. Dieses Differenzfrequenzsig­ nal wird in dem Verstärker 404 verstärkt. Das verstärkte Sig­ nal wird einem Eingang eines Phasendetektors 406 zugeführt.

Der andere Eingang des Phasendetektors 406 ist mit dem Aus­ gang eines Referenztaktgenerators 405 verbunden. Dieser er­ zeugt ein Taktsignal mit konstanter Frequenz und Phase. Da­ her besitzt das Ausganssignal des Phasendetektors 406 einen Parameter, der für die Phasendifferenz zwischen dem Frequenz­ differenzsignal und dem Taktsignal kennzeichnend ist. Diese Phasendifferenz kann beispielsweise von der Amplitude oder der Impulsbreite repräsentiert werden, die auf einer oder mehreren Ausgangsleitungen auftreten. Das Ausgangssignal des Phasendetektors 406 wird durch einen Tiefpaßfilter 407 ge­ führt, das aus ihm ein Ausgangssteuersignal erzeugt, dessen Amplitude der Phasendifferenz zwischen den beiden Eingangs­ signalen des Phasendetektors 406 proportional ist. Dieses Steuersignal wird in einem Signalsummierer 408 einer offset- Vorspannung 409 mit fester Amplitude überlagert. Diese Ampli­ tude ist so gewählt, daß sich im Ruhezustand des Systems und innerhalb des erwarteten Drehgeschwindigkeitsbereiches der gewünschte Frequenzabstand zwischen den beiden Strahlen ergibt.

Das Summensignal wird in dem Treiberverstärker 410 für die Vormagnetisierungsspule 415 eines Faraday-Rotators des ge­ schlossenen Übertragungsweges 402 verstärkt und gepuffert. Das Ausgangssignal des Treiberverstärkers 410 wird über einen Umpolschalter 414 zu der Vormagnetisierungsspule 415 des Faraday-Rotators zurückgekoppelt. Der Umpolschalter 414 wird zyklisch zwischen den beiden dargestellten Schaltpositionen hin- und herbewegt, so daß der Strom durch die Vormagneti­ sierungsspule 415 zunächst in der einen und sodann in der anderen Richtung fließt. Diese "Zerhackertechnik" ist bei bekannten Zweifrequenz-Laserdrehgeschwindigkeitsmessern üblich. Bei bekannten Systemen enthält der der Vormagneti­ sierungsspule des Faraday-Rotators zugeführte Strom jedoch keine Rückkopplungskomponente. Der Umpolschalter 414, der vorzugsweise als elektronischer Schalter, beispielsweise mit Feldeffekttransistoren ausgebildet ist, wird durch einen entsprechenden Treibverstärker 413 betätigt, der das symmetrische Rechteckwellen-Ausgangssignal eines Zerhacker­ oszillators 412 verstärkt.

Das Ausgangssignal des Tiefpaßfilters 409 kann bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel unmittelbar als analoges Ausgangssignal zur Anzeige der Drehgeschwindigkeit dienen. In der dargestellten Schaltung ist jedoch ein Analog- Digital-Wandler 411 vorgesehen, der das Ausgangssignal V_Ausg. in ein digitales Signal umwandelt.

Bei einem anderen Ausführungsbeispiel wird der Zeeman-Effekt zur Aufrechterhaltung einer konstanten Frequenzdifferenz aus­ genutzt. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Rückkopp­ lungsspule um das Laser-Verstärkungsmedium angeordnet. Das in dem Laser-Verstärkungsmedium von dem durch die Spule fließenden Strom erzeugte magnetische Feld bestimmt die Größe der Frequenzdifferenz zwischen den verschiedenen Strahlen. Diese Art der Frequenzbeeinflussung wird ebenfalls in Systemen mit Umpolschalter angewendet. Sie kann außerdem kom­ biniert werden mit einer getrennten Frequenzbeeinflussung durch Vormagnetisierung eines Faraday-Rotators.

Claims (3)

1. Laser-Drehgeschwindigkeitsmeßanordnung,

• - mit einer Vorrichtung (402) zur Bildung eines ge­ schlossenen Übertragungsweges für die Erzeugung und Aufrechterhaltung von wenigsten zwei sich längs dieses Übertragungsweges mit jeweils unter­ schiedlicher Frequenz und in unterschiedlicher Richtung ausbreitenden elektromagnetischen Wellen und
• - mit einer Einrichtung (403), welche die Differenz­ frequenz (Δf) der mindestens zwei Wellen zur Ab­ leitung eines die Drehgeschwindigkeit anzeigenden Meßsignales bildet,
  dadurch gekennzeichnet,
• - daß eine Vorrichtung (405) zur Erzeugung eines Signales mit vorbestimmter fester Frequenz vorge­ sehen ist,
• - daß eine phasenstarr verriegelte Regelschleife vorgesehen ist, mit einem Phasendetektor (406), dem das Signal mit der vorbestimmten festen Fre­ quenz und ein die Differenzfrequenz (Δf) aufwei­ sendes Signal zugeführt ist und dessen Ausgangs­ signal einerseits zur Anzeige der Drehgeschwindig­ keit verwendet ist und andererseits den Stromfluß durch ein im geschlossenen Übertragungsweg liegen­ des Bauteil (415) derart steuert, daß die Diffe­ renzfrequenz (Δf) auf einem konstanten Wert gehal­ ten ist, und
• - daß ein periodisch betätigter Umpolschalter (414) vorgesehen ist, der den Stromfluß durch das im ge­ schlossenen Übertragungsweg liegende Bauteil (415) periodisch umkehrt.

2. Laser-Drehgeschwindigkeitsmeßanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das im geschlossenen Übertra­ gungsweg liegende Bauteil (415) die Magnetisierungsspule eines Faraday-Rotators ist.

3. Laser-Drehgeschwindigkeitsmeßanordnung nach Anspruch 1, oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal des Phasendetektors (406) über ein Tiefpaßfilter (407) geführt ist, zu dessen Ausgangssignal für die Steuerung des Strom­ flusses durch das im geschlossenen Übertragungsweg liegen­ de Bauteil (415) eine feste Signalspannung (409) hinzu addiert ist.