DE2917399C2

DE2917399C2 - Einrichtung zur Messung der Rotationsgeschwindigkeit

Info

Publication number: DE2917399C2
Application number: DE19792917399
Authority: DE
Inventors: Manfred Dr.-Ing. 7000 Stuttgart Böhm
Original assignee: Standard Elektrik Lorenz AG
Current assignee: Alcatel Lucent Deutschland AG
Priority date: 1979-04-28
Filing date: 1979-04-28
Publication date: 1983-03-31
Also published as: DE2917399A1

Description

Die Erfindung geht aus von einer Einrichtung zur Messung der Rotationsgeschwindigkeit gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Eine solche Einrichtung ist in »Proceedings of the Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers«, Band 157 «Laser Intertial Rotation Sensors«, San Diego, Kalifornien, 1978, auf p den Seiten 138 bis 163 beschrieben.

H Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine einfache

p' Lösung anzugeben, nach der aus den beiden Teilstrah-

i,,,' len, die nach gegensinnigem Durchlaufen der Lichtleit-

l| faser einander überlagert werden, die Rotationsge-

\-';, schwindigkeit ermittelt werden kann.

(;, Die Lösung erfolgt mit den im kennzeichnenden Teil

Bjt des Anspruchs 1 angegebenen Mitteln. Dabei darf eine

Verstärkung von Signalen nicht als Gewichtung von Signalen im Sinne des Anspruchs 1 verstanden werden. Vorteilhafte Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Das neue Auswerteverfahren läßt sich auf einfache Weise realisieren. Die Eigenschaften der Lichtleitfaser beeinflussen die Genauigkeit des Meßergebnisses k-ium, weil jeweils eine solche Gewichtung (keine Verstärkung) erfolgt, daß unterschiedliche Eigenschaften der

ίο Lichtleitfaser ausgeglichen werden.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen beispielsweise näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 ein Blockschaltbild der Einrichtung zur Messung der Rotationsgeschwindigkeit;

Fig.2a bis 2c Diagramme zur Erläuterung der Funktionsweise der Einrichtung nach F i g. 1.

in einem Impulslaser 1 erzeugte Lichtimpulse werden in eine angenähert kiusförmig angeordnete Lichtleitfaser LLFiO eingekoppelt. Dies geschieht über teildurchlässige Spiegel 9 derart, daß jeder Lichtimpuls in zwei Teilimpulse gleicher Intensität, die die Lichtleitfaser LLFiO in entgegengesetzten Richtungen durchlaufen, aufgeteilt wird. Dadurch entstehen aus dem von dem Impulslaser 1 erzeugten Lichtstrahl zwei Teilstrahlen.

Nach jedem Umlauf wird durch die teildurchlässigen Spiegel 9 ein bestimmter Anteil der beiden Strahlen ausgekoppelt und einem ersten optisch/elektrischen Wandler 2 zugeführt. Die Durchlässigkeit der Spiegel 9 und somit der Grad der Auskopplung der beiden

JO Strahlen aus der Lichtleitfaser LLFiO hängt davon ab, wieviel Umläufe der beiden Strahlen in der Lichtleitfaser LLF10 ausgewertet werden sollen. Dies wird weiter unten noch näher erläutert. Das elektrische Ausgangssignal des optisch/elektrischen Wandlers 2 wird von einem Analog/Digital-Wandler 3 abgetastet und einem Rechner 4 zugeführt.

Bevor der von dem Impulslaser 1 erzeugte Lichtstrahl der Lichtleitfaser LLFiO zugeführt wird, wird über einen teildurchlässigen Spiegel 8 ein weiterer Strahl abgezweigt. Aus diesem Strahl werden Synchronisiersignale abgeleitet. Hierzu wird dieser Strahl einem weiteren optisch/elektrischen Wandler 5 zugeführt, der ein elektrisches impulsförmiges Signal abgibt. Dieses elektrische Signal steuert einen Zähler 6. Mit Ausgangs-Signalen dieses Zählers 6 werden der Analog/Digital-Wandler 3 und der Rechner 4 gesteuert. Dies wird im weiteren Verlauf der Beschreibung noch näher erläutert.
Die Lichtimpulse können auf den Wegen Impulslaser-Lichtleitfaser, Lichtleitfaser — erster optisch/elektrischer Wandler und teildurchlässiger Spiegel 8 — zweiter optisch/elektrischer Wandler in weiteren Lichtleitfasern geführt werden.
Nachfolgend wird anhand der Fig.2a bis 2c die Funktionsweise näher erläutert.

In der Fig.2a sind die Amplituden der Lichtimpulse der beiden Strahlen, die die Lichtleitfaser LLFiO gegensinnig durchlaufen, nach einem und mehreren Umläufen in der Lichtleitfaser LLFiO angegeben.

to Infolge der Dämpfung des Lichts in der Lichtleitfaser LLFiO und weil nach jedem Umlauf ein bestimmter Anteil der Strahlen ausgekoppelt und dem ersten optisch/elektrischen Wandler 2 zugeführt wird, nimmt die Amplitude der Lichtimpulse von Umlauf zu Umlauf

i>5 ab. Die ersten Lichtimpulse treffen am ersten optisch/ elektrischen Wandler 2 zur Zeit ίκ ein, wenn die Abstrahlung der Lichtimpulse von dem Laser zur Zeit ι = 0 erfolgt. Diese Lichtimpulse brauchen bei der

Auswertung nicht berücksichtigt zu werden. Anschließend treffen jeweils nach einer Zeit t_s weitere Lichtimpulse ein. r₅ ist die Laufzeit der Lichtimpulse in der angenähert kreisförmig angeordneten Lichtleitfaser LLFlO.

Befindet sich die Einrichtung in Ruhe, dann treffen die Lichtimpulse am ersten optisch/elektribdien Wandler 2 gleichzeitig ein (F i g. 2b). Wenn jedoch die Einrichtung rotiert, treffen die Impulse zu unterschiedlichen Zeiten ein (Fig.2c). Die Zeitdifferenz ist der Rotationsgeschwindigkeit direkt proportional. Durch die unterschiedlichen Eintreffzeiten sind die Trägerschwingungen der beiden Lichtimpulse zueinander phasenverschoben. Diese Phasenverschiebung nimmt von Umlauf zu Umlauf zu.

Infolge der unterschiedlichen Phasenverschiebungen zwischen den Trägerschwingungen hat das Signal, das durch Oberlagerung der beiden Impulse entsteht, eine von der jeweiligen Phasenverschiebung abhängige Amplitude. Dementsprechend ändert sich auch die Amplitude des elektrischen Ausgangssigr.als des optisch/elektrischen Wandlers 2, das von dem Analog/Digital-Wandler 3 abgetastet wird. Die kontinuierlich wachsende Phasendifferenz zwischen den gegenläufigen Lichtimpulsen wird infolge der Mehrdeutigkeit der Phasenmessung mit 2 π in eine entsprechende Frequenz umgewandelt.

Befindet sich die Einrichtung in Ruhe, dann erhält man am Ausgang des Analog/Digital-Wandlers ein konstantes Ausgangssignal, d. h. die Frequenz der Rotation ist null. Dreht sich die Einrichtung, dann schwankt das Ausgangssignal mit einer bestimmten Frequenz, denn mit jedem Signalumlauf vergrößert sicli die Phasendifferenz zwischen gegensinnig umlaufenden Lichtimpulsen.

Aus der Frequenz der Einhüllenden des Ausgangssignals des Analog/Digital-Wandlers läßt sich auf an sich bekannte Weise die gesuchte Winkelgeschwindigkeit ω ermitteln.

Wie beschrieben wird zur Ermittlung der Winkelgeschwindigkeit die Amplitude eines Signals, der aus den einander überlagerten Lichtimpulsen abgeleitet wird, herangezogen. Damit dies möglich ist, muß die Amplitudenabhängigkeit der Lichtimpulse, die — wie oben bereits erläutert — von der Anzahl der Umläufe abhängt, kompensiert werden. Dies kann man erreichen, indem man jeden der beiden Strahlen vor der Überlagerung einem steuerbaren optischen Dämpfungsglied zuführt, dessen Dämpfung von Umlauf zu Umlauf verändert wird. Da jedoch die Ermittlung der Winkelgeschwindigkeit aus der Einhüllenden des Ausgangssignals des Analog/Digital-Wandlers in einem Rechner durchgeführt wird, ist es von Vorteil, die Kompensation der Amplitudenabhängigkeit von der Anzahl der Umläufe ebenfalls in dem Rechner durchzuführen. Die Amplitudenabhängigkeit wird ermittelt, solange sich die Meßeinrichtung in Ruhe befindet.

Die Impulslänge wird so gewählt, daß sich die

to Lichtimpulse auch noch bei der maximalen auszuwertenden Winkelgeschwindigkeit ω so stark überlagern, daß die beschriebene Auswertung erfolgen kann. Der Impulsabstand wird so gewählt, daß eine ungestörte Überlagerung der Impulse der beiden Teilstrahlen möglich ist.

Die Abtastung durch den Analog/Digital-Wandler kan:i beispielsweise zu den Zeiten t_s + tk, 2 t_s + f*,..., nt_s + tic erfolgen. Wenn die Laufzeiten zwischen Impulssender und dem ersten bzw. zweiten optisch/ elektrischen Wandler 2 bzw. 5 gleich sind, dann gibt der zweite optisch/elektrische Wandler 5 zum Zeitpunkt f* ein Triggersignal zu dem Zähler 6 ab. Da die Laufzeil U durch die Lichtleitfaser LLFlO bekannt ist, kann der Zähler so gesteuert werden, daß er abhängig von den

*5 jeweiligen Zählerständen zu den Zeiten f_s + /*,
m_s + tk ein Steuersignal an den Rechner und an den Analog/Digital-Wandler abgibt.

Bei einer Weiterbildung können Ein- und Auskoppelpunkt voneinander getrennt werden. Erfolgt beispielsweise die Einkopplung bei dem Beispiel nach F i g. 1 am Punkt E und die Auskopplung am Punkt A, dann muß berücksichtigt werden, daß bei einer Rotation der Einrichtung die nach einem halben Umlauf einander überlagerten Impulse nur die halbe Phasenverschie-

'^Λ bung, verglichen mit einem vollständigen Umlauf, aufweisen.

Bei einer weiteren Weiterbildung ist eine Lichtleitfaser LLFlO mit mehreren Windungen vorgesehen. Dadurch kann die von den Lichtimpulsen zurückgelegte

-to Weglänge zwischen Ein- und Auskopplung bzw. zwischen aufeinanderfolgenden Auskopplungen vergrößert werden oder die gesamte Anordnung benötigt bei gleicher Weglänge einen geometrisch kleineren Raum. Dabei ist an jeder dieser Windungen eine Auskoppeleinrichtung mit nachgeschaltetem optisch/ elektrischen Wandler 2 und Abtasteinrichtung 3 angebracht. Dadurch kann die Frequenz, mit der jede einzelne Abtasteinrichtung abtastet, reduziert werden. Es können dann Detektoren mit kleineren Bandbreiten verwendet werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Einrichtung zur Messung der Rotationsgeschwindigkeit mit einer einen Lichtstrahl erzeugenden Lichtquelle und einer schleifenförmig angeordneten Lichtleitfaser mit einer oder mehreren Windungen, bei der der aus Impulsen bestehende Lichtstrahl in zwei Teilstrahlen, die die Lichtleitfaser in entgegengesetzten Richtungen durchlaufen, aufgeteilt wird, bei der die Teilstrahlen die Lichtleitfaser mehrmals durchlaufen, bei der nach jedem Umlauf ein Anteil der Teilstrahlen ausgekoppelt und einem optisch/elektrischen Wandler zugeführt wird und bei der ai's der Frequenz der Einhüllenden der vom Wandler abgegebenen Signale die Rotationsgeschwindigkeit ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste Einrichtung (3) vorgesehen ist, die das Ausgangssignal des optisch/elektripchen Wandlers (2) nach jedem Impulsumlauf in dei Lichtleitfaser (LLFiO) abtastet, daß eine zweite Einrichtung (4) vorgesehen ist, die eine solche Gewichtung der abgetasteten oder der ausgekoppelten Signale durchführt, daß die infolge der unterschiedlichen Anzahl Umläufe der Teilstrahlen in der Lichtleitfaser (LLFXO) unterschiedlichen Amplituden der Teilstrahlen kompensiert werden, und daß eine dritte Einrichtung (4) vorgesehen ist, die die Rotationsgeschwindigkeit aus der Frequenz der Einhüllenden der durch Abtastung und Gewichtung erzeugten Signale ermittelt.

2. Einrichtung zur Messung der Rotationsgeschwindigkeit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Einrichtung eine steuerbare optische Dämpfungseinrichtung ist, die die nach jedem Umlauf ausgekoppelten Anteile der beiden Teilstrahlen vor oder nach ihrer Überlagerung unterschiedlich dämpft.

3. Einrichtung zur Messung der Rotationsgeschwindigkeit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Einrichtung ein Rechner (4) ist.

4. Einrichtung zur Messung der Rotationsgeschwindigkeit nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß — wenn mehrere (n) Windungen vorhanden sind — an jeder der η Windungen eine Auskopplung erfolgt, daß η optisch/elektrische Wandler (2) und η Analog/Digital-Wandler (3) vorgesehen sind, und daß die η Ausgangssignale der Analog/Digital-Wandler (3) der dritten Einrichtung (4) zugeführt werden.