DE2936249A1

DE2936249A1 - Verfahren zum betrieb eines ringinterferometers als rotationssensor sowie ringinterferometer zur durchfuehrung dieses verfahrens

Info

Publication number: DE2936249A1
Application number: DE19792936249
Authority: DE
Inventors: Gerhard Dr. 8000 München Schiffner
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1979-09-07
Filing date: 1979-09-07
Publication date: 1981-03-19
Also published as: JPS5646468A; GB2058345B; FR2465200A1; GB2058345A

Description

SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT Unser Zeichen Berlin und München ^ 79 P 7 H 2 BRO

Verfahren zum 3etrieb eines Ringinterferometers als Rotationssensor sowie Ringinterferometer zur Durchführung dieses Verfahrens

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betrieb eines Ringinterferometers als Rotationssensor nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, sowie auf ein Ringinterferometer zur Durchführung dieses Verfahrens .

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 für alle Polarisationszustände des verwendeten Lichts. Gemessen werden Laufzeitunterschiede und damit die Winkelgeschwindigkeit über die integrale Intensität auf der Lichtempfangsfläche. Diese integrale Intensität ist eine periodische Funktion der Winkelgeschwindigkeit, und zwar hängt sie in einer quadratischen Sinusfunktion von der Winkelgeschwindigkeit ab. Aufgrund dieser Tat-Ed 1 Sti/21.3.79

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-Z- VPA

79 ρ 7 H 2 BRO

sache läßt sich beim Messen der Winkelgeschwindigkeit in einer Periode die Drehrichtung, d.h. das Vorzeichen der Winkelgeschwindigkeit, nicht eindeutig bestimmen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, daß auch die Drehrichtung der Rotation gemessen werden kann.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Maßnahmen gelöst. Das vom phasenempfindlichen Gleichrichter abgegebene Signal enthält die Information über den Betrag der Winkelgeschwindigkeit und über ihr Vorzeichen.

Die periodisch schwankende nichtreziproke Phasenverschiebung wird z"weckaiä3igerweise durch Maßnahmen erzeugt, wie sie im Patentanspruch 2 angegeben sind.

Ein zweckmäßiges Ringinterferometer zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens v/eist die Merkmale des Patentanspruchs 3 auf. Bei diesem Ringinterferometer wird die periodisch schwankende, nichtreziproke Phasenverschiebung mittels des Faraday-Sffekts erzeugt, Zwei bevorzugte Ausführungsformen dieses Ringinterferometers gehen aus den übrigen Unteransprüchen hervor.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der beigefügten Figuren in der nun folgenden Beschreibung näher beschrieben. Von den Figuren zeigen

Figur 1 in schematischer Darstellung ein Ringinterferometer, mit welchem das vorgeschlagene Verfahren durchführbar ist,

Figur 2 eine Variante eines Ringinterferometers nach Figur 1 .

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VPA

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In beiden Figuren weist das Ringinterferometer eine Laserlichtquelle 5, einen teildurchlässigen Spiegel 2, einen Linearpolarisatcr 61, zwei Optiken 7 und 7', den Lichtwellenleiter 1, der aus einer aufgewickelten Monomode-Lichtleitfaser aus Glas, deren Enden 11 und 11' die Koppelstellen des Lichtwellenleiters 1 bilden, besteht, und die Lichtempfangsfläche 4 auf, welche die lichtempfindliche Fläche eines lichtempfindlichen Sensors 17 ist.

Die Lichtquelle 5 sendet in der Richtung R das Laserstrahlbündel 50 aus, das auf den dazu im Winkel von beispielsweise 45° geneigten teildurchlässigen Spiegel 2 trifft. Dieser Spiegel 2 spiegelt einen Lichtanteil als Teilstrahlbündel 51 im rechten Winkel zur Richtung R weg, während der andere Lichtanteil den Spiegel 2 durchsetzt und sich danach in der gleichen Richtung wie vorher als Lichtstrahlbündel 51' ausbreitet. In einem der Strahlengänge, beispielsweise im Strahlengang 51', ist der Linearpolarisator 61 angeordnet. Die Optiken 7 bzw. 7' fokussieren die betreffenden Teilstrahlbündel 51 bzw. 51' auf das betreffende Ende 11 bzw. 11' des Lichtwellenleiters 1 und dienen auf diese Weise zum Einkoppeln der in den Teilstrahlbündeln geführten Lichter in den Lichtwellenleiter 1.

Das über jeweils ein Ende 11 bzw. 11' in den Lichtwellenleiter eingekoppelte Licht breitet sich in diesem zum jeweils anderen Ende 11' b2w. 11 aus, wo es wieder ausgekoppelt und von der Optik 7' bzw. 7 gebündelt wird. Das aus dem Ende 11 ausgekoppelte Lichtstrahlbündel 110' ist im wesentlichen entgegengesetzt zum einfallenden Teilstrahlbündel 51 gerichtet und trifft den teildurchlässigen Spiegel auf einer Seite. Das aus dem Ende 11' ausgekoppelte Lichtstrahlbündel 110 ist im wesentlichen

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-K- VPA ₇₉ ρ 7 _u 2 eRD

dem Teilstrahlbündel 51^f entgegengerichtet und trifft den Spiegel 2 auf der anderen Seite .

Ein Anteil des ausgekoppelten Lichtstrahlbündels 110' durchsetzt den Spiegel 2 und breitet sich danach in der gleichen Richtung wie vorher aus, während der übrige Teil weggespiegelt wird. Ein Anteil des ausgekoppelten Lichtstrahlbündels 110 wird vom Spiegel 2 in die Richtung des ausgekoppelten Lichtstrahlbündels 110' gespiegelt, während der übrige Teil den Spiegel 2 durchsetzt und sich danach in der gleichen Richtung wie vorher ausbreitet. Der durch den Spiegel 2 hindurchgegangene Anteil des Lichtstrahlbündels 110' und der vom Spiegel 2 gespiegelte Anteil des Lichtstrahlbündels 110 sind überlagert und bilden ein vom Spiegel ausgehendes Lichtstrahlbündel 111. Im Strahlengang dieses Lichtstrahlbündels ist die Lichtempfangsfläche U angeordnet. Bis hierher ist ein bekanntes Ringinterferometer beschrieben worden, welches als Rotationssensor betreibbar ist.

Um nun auch die Drehrichtung, d.h. das Vorzeichen der Rotation, feststellen zu können, schlägt die Erfindung vor, einem Licht, das durch den Lichtwellenleiter hindurch der Lichtempfangsfläche zugeführt ist, eine periodisch schwankende, nichtreziproke Phasenverschiebung aufzuprägen und das von einem oder dem lichtempfindlichen Sensor erzeugte, der integralen Intensität auf der Lichtempfangsfläche 4 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.

Die periodisch schwankende Phasenverschiebung kann mit-

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~^g~ ^VPA 79 ρ 7 H 2 BRD

tels des Sagnac-Effekts durch entsprechendes periodisches Schütteln des Lichtwellenleiters oder mittels des Faraday-Effekts durch ein periodisch schwankendes Magnetfeld aufgeprägt werden. In den in den Figuren 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispielen wird mit dem Faraday-Effekt gearbeitet. Dazu ist bei beiden Ausführungsbeispielen eine elektrische Spule 6 vorgesehen. Im Ausführungsbeispiel nach Figur 1 umgeben die Windungen dieser Spule 6 den gewickelten Lichtwellenleiter 1. Im Ausführungsbeispiel nach Figur 2 umgeben die Windungen der Spule 6 ein Bleiglasstück 60, das im Strahlengang des Teilstrahlbündels 51' angeordnet ist. Die Spule 6 ist mit einem Wechselstromgenerator 13 verbunden, der einen Strom i = i cos OJ. t durch die Spule leitet. Von dem Wechselstromgenerator 13 wird auch eine Wechselspannung U=U cos u) ₁ t abgegriffen, die dem phasenempfindlichen Gleichrichter 15 als Taktsignal zugeführt wird. Das an einem Signalausgang 152 des phasenempfindlichen Gleichrichters 15 enthaltene Signal wird in einem Integrator 16 integriert und das vom Integrator abgegebene Signal enthält die Information über die Drehrichtung und den Betrag der Winkelgeschwindigkeit.

Da der Faraday-Effekt im obigen Sinne nur bei zirkulär polarisiertem Licht funktioniert, muß das Licht, dem die periodisch schwankende, nichtreziproke Phasenverschiebung aufzuprägen ist, zirkulär polarisiert sein. In den beiden Ausführungsbeispielen ist zur Erzeugung des zirkulär polarisierten Lichts ein /i/4-Plättchen 62 vorgesehen, welches zwischen dem Linearpolarisator 61'und der Optik 7'im Teilstrahlbündel 51' angeordnet ist. Dieses Plättchen 62'wandelt das vom Linearpolarisator herkommende linear polarisierte Licht in zirkulär polarisiertes Licht um. Selbstverständlich könnten auch

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andere Mittel zur Erzeugung zirkulär polarisierten Lichts angewandt werden.

In der Regel wird auch im anderen Teiüstrahlbündel 51 ein Linearpolarisator und ein /\/4-Plättchen angeordnet sein, wie dies in der Figur 1 dargestellt ist. Dieser Linearpolarisator ist mit 61 und das λ/^- Plättchen mit 62 bezeichnet.

Ein Linearpolarisator 61, 61' kann natürlich entfallen, wenn die Lichtquelle 5 bereits linear polarisiertes Licht aussendet, wie dies bei Lasern im allgemeinen der Fall ist.

6 Patentansprüche
2 Figuren

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L e e r s e i t e

Claims

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PatentansOrüche

Verfahren zum Betrieb eines Ringinterferometers als Rotationssensor, wobei das Ringinterferometer einen Lichtwellenleiter mit zwei Koppelstellen aufweist, über die Licht in ihn einkoppelbar ist, das sich in ihm zur jeweils anderen Koppelstelle hin ausbreitet und dort wieder auskoppelbar ist, wobei über beide Koppelstellen ausgekoppelte Lichter überlagert zumindest einer Lichtempfangsflache zugeführt sind, wobei als Maß für die Winkelgeschwindigkeit die integrale Lichtintensität der auf die Lichtempfangsfläche auftreffenden überlagerten Lichter gemessen wird, die sich aufgrund von winkelgeschwindigkeitsabhängigen nichtreziproken Laufzeitunterschieden im Lichtwellenleiter - hervorgerufen durch den Sagnac-Effekt - mit der Winkelgeschwindigkeit ändert, dadurch gekennzeichnet , daß einem Licht, das durch den Lichtwellenleiter (1) hindurch der Lichtempfangsfläche (4) zugeführt ist,eine periodisch schwankende, nichtreziproke Phasenverschiebung aufgeprägt wird, daß die integrale Intensität auf der Lichtempfangsfläche(4) in ein entsprechendes elektrisches Signal umgewandelt wird, und daß dieses elektrische Signal einem Eingang eines phasenempfindlichen Gleichrichters (15) zugeführt wird, der mit einem periodisch schwankenden Signal (Uw) synchronisiert wird, das der periodisch schwankenden Phasenverschiebung entspricht.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e kennzeichnet, daß die periodisch schwankende, nichtreziproke Phasenverschiebung mittels des Sagnac· Effekts durch entsprechendes periodisches Schütteln des Lichtwellenleiters oder mittels des Faradaj'-Effekts

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ORIGINAL INSFECTED

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durch ein periodisch schwankendes Magnetfeld aufgeprägt wird.
3. Ringinterferometer mit einem aufgewickelten Lichtwellenleiter, der zwei Koppelstellen aufweist, über die polarisiertes Licht in ihn einkoppelbar ist, das sich in ihm zur jeweils anderen Koppelstelle hin ausbreitet und dort wieder auskoppelbar ist, wobei über beide Koppelstellen ausgekoppelte Lichter überlagert einer Lichtempfangsfläche zugeführt sind, insbesondere zur Durchführung eines Verfahrens nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine elektrische Spule (6) vorgesehen ist, deren Windung oder Windungen den Strahlengang eines Lichts umgeben, das durch den Lichtwellenleiter (1) hindurch der Lichtempfangsfläche (4) zugeführt ist, und welches Zirkular polarisiert ist, und daß die Spule (6) mit einem Wechselstromgenerator (13) verbunden ist.
4. Ringinterferometer nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet , daß die Spule den Lichtwellenleiter(1) umgibt.
5. Ringinterferometer nach Anspruch 3 oder 4, d a durch gekennzeichnet, daß die Spule (6) ein Glasstück (60) umgibt, das im Strahlengang des Lichts angeordnet ist, das durch den Lichtwellenleiter hindurch der Lichtempfangsfläche (4)

zugeführt ist.
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6. Ringinterferometer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß das Glasstück aus Bleiglas besteht.

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