DE2936248A1 - METHOD FOR OPERATING A RING INTERFEROMETER AS A ROTATIONAL SENSOR - Google Patents
METHOD FOR OPERATING A RING INTERFEROMETER AS A ROTATIONAL SENSORInfo
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Description
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79 p 7 1 3 9 BRO79 p 7 1 3 9 BRO
Verfahren zum Betrieb eines Ringinterferometers als RotationssensorMethod for operating a ring interferometer as a rotation sensor
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betrieb eines Ringinterferometers als Rotationssensor nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The present invention relates to a method for operating a ring interferometer as a rotation sensor according to the preamble of claim 1.
Verfahren der eingangs genannten Art dienen zum Nachweisen von Rotationen und zum Messen deren Winkelgeschwindigkeit. Sie nutzen dabei den relativistischen Sagnac-Effekt aus, der nichtreziproke Laufzeitunterschiede verursacht, die proportional zur Winkelgeschwindigkeit sind. Der Sagnac-Effekt funktioniert bei allen Polarisationszustanden des Lichts. Gemessen werden Laufzeitunterschiede und damit die Winkelgeschwindigkeit über die integrale Intensität auf der Lichtempfangsfläche. Die Lichtintensität ist aber eine periodisch schwankende Funktion der Laufzeitunterschiede und damit der Winkelgeschwindigkeit, so daß einem Intensitätswert nicht eindeutig eine Winkelgeschwindigkeit zugeordnet ist. Dadurch kann aber eine Rotation oder ihre Winkelgeschwindigkeit nicht mehr sicher nachgewiesen werden. Ed 1 Sti/20.8.79Methods of the type mentioned at the beginning serve to detect rotations and to measure their angular velocity. They use the relativistic Sagnac effect, the non-reciprocal running time differences which are proportional to the angular velocity. The Sagnac effect works for everyone Polarization states of light. Differences in runtime are measured and thus the angular velocity over the integral intensity on the light receiving surface. However, the light intensity is a periodically fluctuating function of the transit time differences and thus the angular velocity, so that an angular velocity is not clearly assigned to an intensity value. Through this however, a rotation or its angular velocity can no longer be proven with certainty. Ed 1 Sti / 20.8.79
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?S ρ 7 1 3 9 8RO? S ρ 7 1 3 9 8RO
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, mit dem Winkelgeschwindigkeiten von Rotationen eindeutig und sicher meßbar sind.The object of the present invention is therefore to provide a method of the type mentioned above with which Angular velocities of rotations clearly and are reliably measurable.
Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.This object is achieved by the characterizing features of claim 1.
Beim Faraday-Effekt werden bekanntlich nichtreziproke Laufzeitunterschiede im Lichtwellenleiter durch ein Magnetfeld erzeugt und sind eine eindeutige Funktion der Stärke des Magnetfeldes in Längsrichtung des Lichtwellenleiters. Da der Faraday-Effekt im obigen Sinne bekanntlich nur mit zirkulär polarisiertem Licht funktioniert, muß bei dieser Lösung notwendigerweise zirkulär polarisiertes Licht verwendet werden. Mit dieser Lösung kann verhindert werden, daß die integrale Lichtintensität aus einer Periode in eine andere überwechselt. Dies erfolgt durch rechtzeitiges Gegensteuern mit Hilfe des Faraday-Effekts. Der Betrag der dafür aufgewendeten magnetischen Feldstärke entspricht einem eindeutigen Winkelgeschwindigkeitsbetrag.With the Faraday effect, as is well known, non-reciprocal transit time differences in the optical waveguide are caused by a Magnetic field generated and are a clear function of the strength of the magnetic field in the longitudinal direction of the optical waveguide. Since the Faraday effect in the above sense is known to only work with circularly polarized light, circularly polarized light must necessarily be used in this solution. With this Solution, the integral light intensity can be prevented from changing over from one period to another. This is done by timely countermeasures with the help of the Faraday effect. The amount of for it applied magnetic field strength corresponds to an unambiguous amount of angular velocity.
Besonders zweckmäßig ist es dabei, wenn die durch den Faraday-Effekt hervorgerufenen Laufzeitunterschiede geregelt werden, derart, daß sie durch den Sagnac-Effekt hervorgerufene Laufzeitunterschiede kompensieren, so daß also die integrale Intensität konstant bleibt. Dies hat den Vorteil, daß der für die Kompensation aufgewendete Betrag der magnetischen Feldstärke ein direktes Maß für die Winkelgeschwindigkeit darstellt.It is particularly useful if the differences in transit time caused by the Faraday effect are regulated in such a way that they compensate for differences in runtime caused by the Sagnac effect, so that the integral intensity remains constant. This has the advantage that the compensation The amount of magnetic field strength used represents a direct measure of the angular velocity.
Zur Erzeugung der durch den Faraday-Effekt hervorgerufenen Laufzeitunterschiede wird zweckmäßigerweise ein von einem gewickelten Lichtwellenleiter umgebenerTo generate the transit time differences caused by the Faraday effect, it is expedient one surrounded by a coiled fiber optic cable
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Innenbereich von einem gesteuerten elektrischen Strom durchsetzt. Dieser Strom erzeugt ein magnetisches Wirbelfeld und ist eindeutiges Maß für die magnetische Feldstärke. Dies hat den Vorteil, daß der Betrag der Winkelgeschwindigkeit eindeutig als Strom gemessen werden kann.A controlled electrical current runs through the interior. This current creates a magnetic vortex field and is a clear measure of the magnetic field strength. This has the advantage that the amount of Angular velocity can be clearly measured as a current.
Mit dem vorgeschlagenen Verfahren lassen sich Winkelgeschwindigkeitsbeträge über mehrere Perioden der periodisch schwankenden Lichtintensität hinweg mit großem Dynamikbereich eindeutig messen. Allerdings läßt sich das Vorzeichen einer Rotation nicht bestimmen, weil die integrale Intensität in einer quadratischen Sinusfunktion von der Winkelgeschwindigkeit abhängt.With the proposed method, angular velocity values can be determined over several periods of the periodically fluctuating light intensity with large Measure dynamic range clearly. However, the sign of a rotation cannot be determined because the integral intensity in a quadratic sine function depends on the angular velocity.
Um mit dem vorgeschlagenen Verfahren auch das Vorzeichen der Winkelgeschwindigkeit, also die Richtung der Rotation, bestimmen zu können, wird zweckmäßigerweise einen Licht, das durch den Lichtwellenleiter der Lichtempfangsflache zugeführt wird, eine periodisch schwankende, nichtreziproke Phasenverschiebung aufgeprägt, daß die integrale Intensität auf der Lichtempfangsfläche in ein entsprechendes elektrisches Signal umgewandelt wird, und daß dieses elektrische Signal einem Eingang eines phasenempfindlichen Gleichrichters zugeführt wird, der mit einem periodisch schwankenden Signal synchronisiert wird, das der periodisch schwankenden Phasenverschiebung entspricht. Das vom phasenempfindlichen Gleichrichter abgegebene Signal enthält die Information über den Betrag der Winkelgeschwindigkeit und über ihr Vorzeichen. To with the proposed method also the sign of the angular velocity, so the direction of the Rotation, being able to determine, becomes expedient a light that passes through the optical waveguide of the light receiving surface is supplied, a periodically fluctuating, non-reciprocal phase shift is impressed that the integral intensity on the light receiving surface is converted into a corresponding electrical signal, and that this electrical signal is fed to an input of a phase-sensitive rectifier which is synchronized with a periodically fluctuating signal, that of the periodically fluctuating phase shift is equivalent to. The signal given by the phase-sensitive rectifier contains the information about the magnitude of the angular velocity and its sign.
Wird das vom phasenempfindlichen Gleichrichter abgegebene Signal integriert, so erhält man ein Signal·, welches bei kleinen Winkelgeschwindigkeiten der Winkelge-If the signal emitted by the phase-sensitive rectifier is integrated, a signal is obtained which at low angular velocities the angular
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schwindigkeit proportional ist. Mit dieser besonders vorteilhaften Weiterbildung wird also nicht nur Vorzeichenempfindlichkeit, sondern auch eine Linearisierung erreicht.speed is proportional. With this particular one advantageous further development is not only sign sensitivity, but also a linearization is achieved.
Die periodisch schwankende, nichtreziproke Phasenverschiebung kann mittels des Sagnac-Effekts durch entsprechendes periodisches Schütteln des Lichtwellenleiters oder mittels des Faraday-Effekts durch ein periodisch schwankendes Magnetfeld aufgeprägt werden.The periodically fluctuating, non-reciprocal phase shift can by means of the Sagnac effect by corresponding periodic shaking of the optical waveguide or by means of the Faraday effect by a periodic fluctuating magnetic field are impressed.
Vielfach treten Meßwertverfälschungen durch Leistungsschwankungen der Lichtquelle, in der Regel ein Laser, oder durch verschiedene oder sich ändernde Dämpfungen im Lichtwellenleiter auf. Durch eine vorteilhafte Weiterbildung des vorgeschlagenen Verfahrens können derartige Meßwertverfälschungen vermieden werden. Bei dieser Weiterbildung wird so vorgegangen, daß ein Anteil von über die eine Koppelstelle ausgekoppelten Lichts und ein Anteil von über die andere Koppelstelle ausgekoppelten Lichts überlagert der Lichtempfangsfläche zugeführt werden, daß ein anderer Anteil des über die eine Koppelstelle ausgekoppelten Lichts und ein anderer Anteil des über die andere Koppelstelle ausgekoppelten Lichts überlagert einer anderen Lichtempfangsfläche zugeführt werden, daß die integralen Intensitäten aus beiden Lichtempfangsflächen in Jeweils entsprechende elektrische Signale umgewandelt werden und daß diese Signale einem Quotientenbildner zugeführt werden, der an einem Ausgang ein elektrisches Signal abgibt, das Quotienten der beiden eingegebenen Signale entspricht. Bei dieser Quotientenbildung fallen Leistungsschwankungen in der Lichtquelle oder verschiedene Dämpfungen oder Dämpfungsschwankungen heraus. In many cases, measured value falsifications occur due to fluctuations in the power of the light source, usually a laser, or due to different or changing attenuations in the optical waveguide. Through an advantageous further development With the proposed method, such falsification of measured values can be avoided. At this Further development, the procedure is such that a portion of the light coupled out via a coupling point and a Part of the light decoupled via the other coupling point is superimposed and fed to the light receiving surface be that another portion of the light coupled out via a coupling point and another portion of the The light decoupled via the other coupling point is superimposed and fed to another light receiving surface, that the integral intensities from both light receiving surfaces in each case corresponding electrical Signals are converted and that these signals are fed to a quotient which has an output emits an electrical signal that corresponds to the quotient of the two input signals. With this quotient formation there are power fluctuations in the light source or different attenuations or attenuation fluctuations.
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Besonders zweckmäßig ist es, das Verfahren, bei dem eine nichtreziproke Phasenverschiebung aufgeprägt wird, mit der Quotientenbildung zu koppeln. Dazu wird lediglich das am Ausgang des Quotientenbildners abgegebene Signal dem Eingang des phasenempfindlichen Gleichrichters zugeführt. Dieses Verfahren vereinigt alle vorstehend angegebenen Vorteile in sich, wenn das vom phasenempfindlichen Gleichrichter abgegebene Signal noch integriert wird. Das Signal aus dem Integrator hängt bei kleinen Winkelgeschwindigkeiten linear von der Winkelgeschwindigkeit ab, ist abhängig vom Vorzeichen und unabhängig von LeistungsSchwankungen der Lichtquelle oder von unterschiedlichen Dämpfungen im Lichtwellenleiter. It is particularly expedient to use the method in which a non-reciprocal phase shift is impressed, to be coupled with the formation of the quotient. For this purpose, only what is output at the output of the quotient generator is output Signal fed to the input of the phase sensitive rectifier. This method combines all of the above specified advantages in itself when the signal emitted by the phase-sensitive rectifier is still being integrated. The signal from the integrator depends linearly at low angular velocities the angular velocity depends on the sign and independent of power fluctuations of the light source or of different attenuation in the fiber optic cable.
Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels, das schematisch in der Figur dargestellt ist, näher beschrieben. The invention is described in more detail using an exemplary embodiment that is shown schematically in the figure.
Die Figur zeigt in schematischer Darstellung den Aufbau eines Ringinterferometers, welches als Rotationssensor in allen vorgeschlagenen Verfahrensweisen betreibbar ist.The figure shows the structure in a schematic representation a ring interferometer, which acts as a rotation sensor is operable in all of the proposed procedures.
Das in der Figur gezeigte Ringinterferometer besteht, soweit es bekannt ist, aus einer Laserlichtquelle 5, zwei teildurchlässigen Spiegeln 3 und 2, zwei Linearpolarisatoren 61 und 61', zwei Optiken 7 und 71, dem gewickelten Lichtwellenleiter 1 mit den beiden Enden 11 und 11' als Koppelstellen und aus zwei Lichtempfangsflächen 41 und 41', welche die lichtempfindlichen Flächen von lichtempfindlichen Sensoren 17 bzw. 17' sein können.The ring interferometer shown in the figure consists, as far as it is known, of a laser light source 5, two partially transparent mirrors 3 and 2, two linear polarizers 61 and 61 ', two optics 7 and 7 1 , the wound optical waveguide 1 with the two ends 11 and 11 'as coupling points and from two light-receiving surfaces 41 and 41', which can be the light-sensitive surfaces of light-sensitive sensors 17 and 17 '.
Die Lichtquelle 5 sendet in die Richtung R das Laser-Strahlbündel 52 aus, das zunächst auf den dazu im WinkelThe light source 5 emits the laser beam 52 in the direction R, which is initially directed at the angle to it
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von beispielsweise 45° geneigten teildurchlässigen Spiegel 3 trifft. Durch den Spiegel 3 wird ein Anteil des Laserlichts als Teilstrahlbündel 53 im rechten Winkel weggespiegelt und trifft auf einen Lichtabsorber 18. Das durch den Spiegel 3 hindurchgegangene, abgeschwächte Laserstrahlbündel 50 trifft auf den dazu ebenfalls im Winkel von 45° geneigten teildurchlässigen Spiegel 2, der wie der Spiegel 3 einen Lichtanteil als Teilstrahlbündel 51 im rechten Winkel zur Richtung R wegspiegelt, während der andere Lichtanteil den Spiegel durchsetzt und sich danach als Lichtstrahlbündel 51' in der Richtung R ausbreitet. Im Strahlengang des hindurchgegangenen bzw. gespiegelten TeilStrahlbündels sind nun der Linearpolarisator 61' bzw. 61, die Optik 7' bzw.of, for example, 45 ° inclined partially transparent mirror 3 meets. Through the mirror 3 is a share of the laser light is reflected away as a partial beam 53 at a right angle and strikes a light absorber 18. The weakened laser beam 50 that has passed through the mirror 3 also strikes the same Partially transparent mirror 2 inclined at an angle of 45 ° which, like mirror 3, has a light component as a partial beam 51 at right angles to the direction R, while the other light component reflects the mirror passes through and then propagates as a light beam 51 'in the direction R. In the beam path of the one passed through The linear polarizer 61 'or 61, the optics 7' or
7 und ein Ende 11' bzw. 11 des Lichtwellenleiters 1 angeordnet. Die Optik 7' bzw. 7 fokussiert das betreffende Teilstrahlbündel 51' bzw. 51 auf das betreffende Ende 11' bzw. 11 des Lichtwellenleiters 1 und dient zum Einkoppeln des polarisierten Lichts in den Wellenleiter 1.7 and one end 11 'or 11 of the optical waveguide 1 are arranged. The optics 7 'or 7 focus the relevant Partial beam 51 'or 51 on the relevant end 11' or 11 of the optical waveguide 1 and is used for coupling the polarized light into the waveguide 1.
Das über ein Ende 11' bzw. 11 in den Lichtwellenleiter 1 eingekoppelte Licht durchläuft diesen und wird am anderen Ende 11 bzw. 11' wieder ausgekoppelt und von der Optik 7 bzw. 7' gebündelt. Das aus dem Ende 11 ausgekoppelte, gebündelte Lichtstrahlbündel 110'ist im wesentlichen entgegengesetzt zum einfallenden Teilstrahlbündel 51 gerichtet und trifft den teildurchlässigen Spiegel 2 auf einer Seite. Das aus dem Ende 11' ausgekoppelte, gebündelte Lichtstrahlbündel 110 ist im wesentlichen dem Teilstrahlbündel 51 ·' entgegengerichtet und trifft den Spiegel 2 auf der anderen Seite.That via one end 11 'or 11 into the optical waveguide 1 coupled light passes through this and is coupled out again at the other end 11 or 11 'and from the optics 7 or 7 'bundled. The bundled light beam 110 ′ coupled out from the end 11 is essentially directed opposite to the incident partial beam 51 and hits the partially transparent Mirror 2 on one side. The bundled light beam 110 coupled out from the end 11 'is essentially directed in the opposite direction to the partial beam bundle 51 'and hits the mirror 2 on the other side.
Ein Anteil des ausgekoppelten Lichtstrahlbündels 110' durchsetzt den Spiegel 2 und breitet sich danach in derA portion of the coupled out light beam 110 ' penetrates the mirror 2 and then spreads in the
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gleichen Richtung wie vorher aus, während der übrige Teil in eine Richtung entgegengesetzt zur Richtung R vom Spiegel 2 weggespiegelt wird. Analoges gilt für das ausgekoppelte Lichtstrahlbündel 110. Von diesem durchsetzt ein Anteil den Spiegel 2 und breitet sich danach in der gleichen Richtung wie vorher aus, während der übrige Teil in die Richtung des ausgekoppelten Lichtstrahlbündels 110 weggespiegelt wird. Somit geht von der einen Seite des Spiegels 2 in die zur Richtung R entgegengesetzte Richtung ein Lichtstrahlbündel 111' aus, in welchem der durch den Spiegel 2 hindurchgegangene Anteil des ausgekoppelten Lichtstrahlbündels 110 und der gespiegelte Anteil des ausgekoppelten Lichtstrahlbündels 110' überlagert sind. Von der anderen Seite des Spiegels 2 geht ein Lichtstrahlbündel 111 aus, in welchem der hindurchgegangene Anteil des ausgekoppelten Lichtstrahlbündels 110' und der gespiegelte Anteil des ausgekoppelten Lichtstrahlbündels 110 überlagert sind.same direction as before, while the rest Part is reflected away in a direction opposite to the direction R from the mirror 2. The same applies to that coupled-out light beam bundle 110. A portion of this passes through the mirror 2 and then spreads in the same direction as before, while the remaining part in the direction of the decoupled light beam 110 is mirrored away. Thus goes from one side of the mirror 2 in the direction R opposite direction a light beam 111 ' in which the portion of the coupled-out light beam 110 that has passed through the mirror 2 and the reflected portion of the coupled-out light beam 110 'are superimposed. From the other Side of the mirror 2 emanates a light beam 111 in which the portion of the decoupled light beam 110 'and the reflected portion of the decoupled light beam 110 are superimposed.
Im Strahlengang des Lichtstrahlbündels 111 ist die Lichtempfangsfläche 41 angeordnet. Das Lichtstrahlbündel 111' trifft auf den teildurchlässigen Spiegel 3, der einen Anteil 111·· dieses Lichtstrahlbündels wegspiegelt. Im Strahlengang dieses weggespiegelten Lichtstrahlbündels 111'· ist die andere Lichtempfangsfläche 41' angeordnet. Es sei angemerkt, daß die Summe aus der integralen Lichtintensität im Lichtstrahlbündel 111 und der integralen Intensität im Lichtstrahlbündel 111" konstant ist.The light receiving surface 41 is arranged in the beam path of the light beam 111. The bundle of light rays 111 'strikes the partially transparent mirror 3, which has a portion 111 ·· of this light beam reflected away. The other light-receiving surface is in the beam path of this reflected light beam 111 ' 41 'arranged. It should be noted that the sum of the integral light intensity in the light beam 111 and the integral intensity in the light beam 111 "is constant.
Bis hierher ist ein bekanntes Ringinterferometer beschrieben worden, welches als Rotationssensor betreibbar ist. Eine Rotation des Lichtwellenleiters verursacht nichreziproke Laufzeitunterschiede im Lichtwellen-Up to this point, a known ring interferometer has been described which can be operated as a rotation sensor is. A rotation of the optical fiber caused non-reciprocal transit time differences in the light wave
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leiter, die als Sagnac-Effekt bekannt sind. Diese Laufzeitunterschiede sind, wie schon erwähnt, proportional zur Winkelgeschwindigkeit. Die integrale Intensität des auf die Lichtempfangsfläche 41 bzw. 41' auftreffenden Lichts ist innerhalb eines bestimmten Periodenbereichs ein eindeutiges Maß für die Winkelgeschwindigkeit. Da, wie schon erwähnt, diese integrale Intensität eine periodische Funktion der Winkelgeschwindigkeit ist, läßt sich diese nicht mehr eindeutig bestimmen, wenn sie sich beispielsweise über mehrere Perioden hinweg ändert.ladder known as the Sagnac effect. These runtime differences are, as already mentioned, proportional to the angular velocity. The integral intensity of the incident on the light receiving surface 41 or 41 ' Light is a clear measure of the angular velocity within a certain period range. Since, as already mentioned, this integral intensity is a periodic function of the angular velocity, this can no longer be clearly determined if, for example, it extends over several periods changes.
Die Erfindung schlägt nun vor, diesem Mangel dadurch abzuhelfen, daß im Lichtwellenleiter, vorzugsweise eine Glasfaser aus Quarzglas, zusätzliche nichtreziproke Laufzeitunterschiede durch den Faraday-Effekt erzeugt werden, derart, daß sie den vom Sagnac-Effekt hervorgerufenen Laufzeitunterschieden entgegenwirken, wobei dazu zirkular polarisiertes Licht aus beiden Seiten in den Lichtwellenleiter eingekoppelt wird.The invention now proposes to remedy this deficiency that in the optical waveguide, preferably one Glass fiber made of quartz glass, additional non-reciprocal transit time differences generated by the Faraday effect in such a way that they counteract the running time differences caused by the Sagnac effect, with for this purpose, circularly polarized light is coupled into the optical waveguide from both sides.
Zum Erzeugen des für den Faraday-Effekt notwendigen zirkular polarisierten Lichts sind in dem in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiel zwei A/4-?lättchen 62' und 62 vorgesehen. Das Plättchen 62' ist zwischen dem Linearpolarisator 61' und der Optik 7' im Strahlengang des einzukoppelnden Lichtstrahlbündels 51' angeordnet, während das Plättchen 62 zwischen dem Linearpolarisator 61 und der Optik 7 im Strahlengang des einzukoppelnden Lichtstrahlbündels 51 angeordnet ist. Jedes Plättchen wandelt das aus dem zugeordneten Linearpolarisator kommende linear polarisierte Licht in zirkular polarisiertes Licht um. Dies stellt eine einfache und wirksame Methode dar, in einem bekannten Ringinterferometer zirkular polarisiertes, einzukoppelndes LichtTo generate the circularly polarized light required for the Faraday effect are shown in the figure illustrated embodiment, two A / 4 wafers 62 'and 62 are provided. The plate 62 'is between the linear polarizer 61 'and the optics 7' in the beam path of the light beam 51 'to be coupled is arranged, while the plate 62 between the linear polarizer 61 and the optics 7 in the beam path of the to be coupled Light beam 51 is arranged. Each plate converts this from the assigned linear polarizer incoming linearly polarized light into circularly polarized light. This represents an easy one and an effective method, in a known ring interferometer, circularly polarized light to be coupled in
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zu erzeugento create
Zur Erzeugung der Laufzeitunterschiede durch den Faraday-Effekt ist die Spule 8 vorgesehen, welche den gewickelten Lichtwellenleiter umgibt. Wesentlich für den Faraday-Effekt ist es, ein Magnetfeld im Lichtwellenleiter 1 zu erzeugen, bei dem das Wegintegral J H ds entlang dem Lichtwellenleiter von einem Ende zum anderen nicht verschwindet. H bedeutet dabei den Vektor der magnetischen Feldstärke und dis den eines differentiellen Wellenleiterstücks. Eine einfache und bequeme Methode, diese Bedingung zu erfüllen, liegt darin, den vom gewickelten Lichtwellenleiter 1 umgebenen Innenbereich 10 mit einem gesteuerten Strom I zu durchsetzen. Dies kann z.B. sehr einfach dadurch erreicht werden, daß ein mit einer elektrischen Steuerschaltung verbundener elektrischer Leiter den Innenbereich 10 in einer Richtung ein- oder mehrfach durchsetzt. Die elektrische Steuerschaltung steuert den Strom durch den elektrischen Leiter.To generate the running time differences due to the Faraday effect, the coil 8 is provided, which surrounds the coiled optical fiber. It is essential for the Faraday effect to have a magnetic field in the To generate optical waveguide 1, in which the path integral J H ds does not disappear along the optical fiber from one end to the other. H means the vector of the magnetic field strength and dis that of a differential waveguide section. A simple and convenient method to meet this requirement is to use the coiled fiber optic cable 1 surrounding inner area 10 to enforce with a controlled current I. For example, this can be very can be achieved simply by having an electrical connected to an electrical control circuit Head penetrates the inner region 10 one or more times in one direction. The electrical control circuit controls the current through the electrical conductor.
Im Ausführungsbeispiel ist ein solcher elektrischer Leiter durch die Spule 8 und die Steuerschaltung durch einen Regler 12 gegeben. Der Regler 12 steuert den Strom i durch die Spule und das Produkt aus der Windungszahl der Spule mit diesem Strom i gibt den effektiven Strom I an, der den Innenbereich von 10 durchsetzt. In the exemplary embodiment, such an electrical conductor is through the coil 8 and the control circuit a regulator 12 is given. The regulator 12 controls the current i through the coil and the product of the number of turns of the coil with this current i indicates the effective current I, which passes through the inner area of 10.
Der Regler 12 ist im Ausführungsbeispiei-'ein Festwertregler, dem das Ausgangssignal der nachstehend beschriebenen Auswerteeinrichtung 14, 15 und 16 als Regelgröße, d.h. als Istwert, zugeführt wird. Zweckmäßigerweise ist der Festwert des Reglers so gewählt, daß er die bei Rotation durch den Sagnac-Effekt erzeugten Laufzeit-In the exemplary embodiment, the controller 12 is a fixed-value controller, which the output signal of the evaluation device 14, 15 and 16 described below as a control variable, i.e. as an actual value. The fixed value of the controller is expediently chosen in such a way that it achieves the at Rotation generated by the Sagnac effect
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unterschiede durch den Faraday-Effekt laufend kompensiert. Festwertregler sind allgemein bekannt. Durch diese Maßnahmen, insbesondere durch letztere Maßnahme, kann nun die Winkelgeschwindigkeit einer Rotation bequem über mehrere Perioden hinweg gemessen werden. Dabei stellt der durch die Spule 8 zu leitende, sehr leicht zu messende Strom i ein bequemes Maß für die Winkelgeschwindigkeit dar.differences are continuously compensated by the Faraday effect. Fixed value controllers are well known. By these measures, in particular through the latter measure, can now control the angular velocity of a rotation can be conveniently measured over several periods. In this case, the to be conducted by the coil 8, very The easily measured current i is a convenient measure of the angular velocity.
Bei der Auswertung der von den lichtempfindlichen Sensoren 17 bzw. 17' erzeugten Signale muß darauf geachtet werden, daß auch das Vorzeichen der Rotation bestimmt werden kann. Die Erfindung schlägt dazu vor, dem im Lichtwellenleiter geführten Licht eine periodisch schwankende, nichtreziproke Phasenverschiebung aufzuprägen und das von einem oder dem lichtempfindlichen Sensor erzeugte, der integralen Intensität auf der Empfangsfläche 41 bzw. 41' proportionale, elektrische Signal einem Eingang 151 eines phasenempfindlichen Gleichrichters 15 zuzuführen, der mit einem periodisch schwankenden Signal synchronisiert wird, das der periodisch schwankenden Phasenverschiebung entspricht.Care must be taken when evaluating the signals generated by the light-sensitive sensors 17 and 17 ' that the sign of the rotation can also be determined. The invention proposes to the im Light waveguide guided light to impress a periodically fluctuating, non-reciprocal phase shift and that generated by one or the light-sensitive sensor, the integral intensity on the Receiving surface 41 or 41 'proportional, electrical signal to an input 151 of a phase-sensitive Rectifier 15 feed, which is synchronized with a periodically fluctuating signal that the periodically corresponds to fluctuating phase shift.
Die periodisch schwankende Phasenverschiebung kann mittels des Sagnac-Effekts durch entsprechendes periodisches Schütteln des Lichtwellenleiters oder mittels des Faraday-Effekts durch ein periodisch schwankendes Magnetfeld aufgeprägt werden.The periodically fluctuating phase shift can by means of the Sagnac effect by means of a corresponding periodic Shaking the optical fiber or by means of the Faraday effect by a periodically fluctuating Magnetic field are impressed.
Im Ausführungsbeispiel der Figur wird letzteres ausgeführt. Dazu ist eine Spule 9 vorgesehen, welche analog wie die Spule 8 den gewickelten Lichtwellenleiter 1 umgibt. Diese Spule ist mit einem Wechselstromgenerator 13 verbunden, der einen Strom i = i Q cos tu... durch die Spule leitet. Anstelle der Spule 9 könnte auch dieIn the embodiment of the figure, the latter is carried out. For this purpose, a coil 9 is provided which, like coil 8, surrounds the wound optical waveguide 1. This coil is connected to an alternating current generator 13 which conducts a current i = i Q cos tu ... through the coil. Instead of the coil 9 could also
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an den Regler angeschlossene Spule 8 verwendet werden. In der Spule 8 wäre dann der Strom i mit dem Strom i überlagert. Von dem Wechselstromgenerator 13 wird eine Wechselspannung U = U,rO cos CCL + abgegriffen, die dem phasenempfindlichen Gleichrichter 15 als Taktsignal zugeführt wird. An einen Ausgang 152 des phasenempfindlichen Gleichrichters ist ein Integrator angeschlossen, dessen Ausgangsspannung U_ proportional zur Winkelge-coil 8 connected to the controller can be used. The current i would then be superimposed on the current i in the coil 8. An alternating voltage U = U, rO cos CCL + is tapped from the alternating current generator 13 and is fed to the phase-sensitive rectifier 15 as a clock signal. An integrator is connected to an output 152 of the phase-sensitive rectifier, the output voltage U_ of which is proportional to the angle
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schwindigkeit der Rotation ist. Ua wird Null, wenn der Sagnac-Effekt mittels des Faraday-Effekts gerade kompensiert wird. In diesem Fall ist der Strom i durch die Spule 3 ein Maß für die Winkelgeschwindigkeit.speed of rotation is. U a becomes zero when the Sagnac effect is being compensated for by means of the Faraday effect. In this case, the current i through the coil 3 is a measure of the angular velocity.
Dadurch ist neben dem Vorteil, die Winkelgeschwindigkeit über mehrere Perioden hinweg messen zu können, der zusätzliche Vorteil einer Linearisierung erreicht worden, und die Richtung der Rotation kann aus dem Meßsignal erkannt werden. Es ist überraschend, mit welch geringem Aufwand diese doch erheblichen Vorteile erreicht werden.In addition to the advantage of being able to measure the angular velocity over several periods, this has the additional advantage Advantage of a linearization has been achieved, and the direction of rotation can be determined from the measurement signal be recognized. It is surprising how little effort these considerable advantages can be achieved.
Allerdings können Fehlmessungen noch dadurch entstehen, daß die verwendete Lichtquelle schwankende Lichtleistungen abgibt oder daß die Dämpfung im Lichtwellenleiter sich ändert. Um diesem Mangel abzuhelfen, schlägt die Erfindung vor, daß die elektrischen Signale aus den beiden lichtempfindlichen Sensoren I7 und 17' einem Quotientenbildner 14 zugeführt werden, der an einem Ausgang 141 ein elektrisches Signal abgibt, das einem Quotienten der beiden eingegebenen Signale entspricht.However, incorrect measurements can still arise because the light source used has fluctuating light outputs emits or that the attenuation in the optical waveguide changes. To remedy this deficiency, the Invention that the electrical signals from the two light-sensitive sensors I7 and 17 'one Quotient former 14 are supplied, which emits an electrical signal at an output 141, which is a Corresponds to the quotient of the two input signals.
Durch diese ebenfalls überraschend einfache Maßnahme wird erreicht, daß besagte Ursachen für die Verfälschung des Meßsignals sich herausheben. Dies beruht im wesentlichen darauf, daß besagte Ursachen in gleicher Weise auf die vom teildurchlässigen Spiegel 2 erzeugten Teilstrahlbündel 51 und 51' einwirken. EsBy means of this likewise surprisingly simple measure it is achieved that the said causes for the falsification of the measurement signal stand out. This is based essentially on the fact that said causes in the same Act on the partial beam 51 and 51 'generated by the partially transparent mirror 2. It
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-yi- VPA 79 ρ 7 U 9 -yi- VPA 79 ρ 7 U 9
ist gerade in diesem Falle besonders zweckmäßig, wenn der teildurchlässige Spiegel 2 ein Reflexionsvermögen bzw. Durchlaßvermögen von 50% aufweist.is particularly useful in this case when the partially transparent mirror 2 has a reflectivity or has a permeability of 50%.
Während in den übrigen vorgeschlagenen Verfahren prinzipiell nur eine Lichtempfangsfläche erforderlich ist, sind bei diesem Verfahren der Quotientenbildung zwei Lichtempfangsflächen in verschiedenen Strahlengängen 101 und 101' erforderlich.While in principle only one light receiving surface is required in the other proposed methods, are two light receiving surfaces in different beam paths in this method of quotient formation 101 and 101 'required.
Dieses letztere Verfahren läßt sich bequem mit den übrigen vorgeschlagenen Verfahren dadurch kombinieren, wenn das am Ausgang 141 des Quotientenbildners 14 abgegebene Signal dem Eingang 151 des phasenempfindlichen Gleichrichters 15 zugeführt wird.This latter method can be conveniently combined with the other proposed methods by when the signal emitted at the output 141 of the quotient generator 14 reaches the input 151 of the phase-sensitive Rectifier 15 is supplied.
Die Erfindung schafft danach die Möglichkeit mit einem Ringinterferometer Rotationen über mehrere Periodenbereiche hinweg zu messen, dabei ein drehrichtungsabhängiges, der Winkelgeschwindigkeit der Rotation proportionales Signal zu erzeugen, das ohne Meßwertfehler behaftet ist, deren Ursachen in einer schwankenden Dämpfung des Lichtwellenleiters 1 oder einer schwankenden Leistungsabgabe der Lichtquelle liegen.The invention then creates the possibility with one Ring interferometer to measure rotations over several period ranges, thereby a direction-dependent, proportional to the angular velocity of the rotation To generate a signal that is afflicted with no measured value errors, the causes of which are fluctuating Attenuation of the optical waveguide 1 or a fluctuating power output of the light source lie.
Anstelle eines teildurchlässigen Spiegels 2 oder 3 könnten auch optische Richtkoppler verwendet werden, wie dies bereits in der älteren Patentanmeldung P 23 04 119.2 (VPA 78 P 7006 BRD) vorgeschlagen worden ist.Instead of a partially transparent mirror 2 or 3, optical directional couplers could also be used, as already proposed in the earlier patent application P 23 04 119.2 (VPA 78 P 7006 BRD) is.
Als phasenenipfindlicher Gleichrichter mit Integrator kann beispielsweise das Gerät "Precision Lock-in Amplifier"95O3 D, hergestellt von der Firma Erookdeal Electronics Ltd., Doncastle Road, Bracknell RG12 4?G, Berckshire, England, verwendet werden. Der "SignalAs phase sensitive rectifier with integrator For example, the device "Precision Lock-in Amplifier" 95O3 D, manufactured by the company Erookdeal Electronics Ltd., Doncastle Road, Bracknell RG12 4? G, Berckshire, England. The "signal
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Input A" des Geräts entspricht dem Signaleingang 151, der"Referenc Input" dem Referenzeingang, über den das Gerät synchronisert wird, und die Buchse "Output" dem Ausgang für die Spannung U .Input A "of the device corresponds to the signal input 151, the" Reference Input "corresponds to the reference input via which the Device is synchronized, and the "Output" socket to the output for the voltage U.
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8 Ansprüche
1 Figur8 claims
1 figure
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