DE3009796A1

DE3009796A1 - Drehgeschwindigkeitssensor auf der basis eines ringlasers

Info

Publication number: DE3009796A1
Application number: DE19803009796
Authority: DE
Inventors: Hans Dipl.-Phys. Dr. 3300 Braunschweig Bentlage; Rüdiger Dipl.-Phys. Dr. Rodloff
Original assignee: Deutsche Forschungs und Versuchsanstalt Fuer Luft und Raumfahrt EV 5000 Koeln; Deutsche Forschungs und Versuchsanstalt fuer Luft und Raumfahrt eV DFVLR
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 1980-03-14
Filing date: 1980-03-14
Publication date: 1981-09-24
Also published as: GB2071905A; US4432646A; FR2478319A1; DE3009796C2; FR2478319B1; GB2071905B

Description

Drehgeschwindigkeitssensor auf der Basis eines Ringlasers

Die Erfindung bezieht sich auf einen Drehgeschwindigkeitssensor auf der Basis eines Ringlasers, bei dem jeweils Strahlanteile der gegenläufigen Wellenzüge auskoppelbar sind, mit Fotoaufnehmern für die ausgekoppelten Strahlanteile und mit Mitteln zur Erzeugung von Signalen, die den Intensitätsunterschieden der ausgekoppelten Strahlanteile entsprechen.

Bei bekannten Drehgeschwindigkeitssensoren der genannten Art - auch Lasergyros genannt - (US-PS 3 373 65Ο, GB-PS 1 Ο86 und 1 4O6 730) werden die Strahlanteile der gegenläufigen Wellenzüge jeweils an einem halbdurchlässigen Eckspiegel ausgekoppelt. Die ausgekoppelten Strahlanteile werden dann mit Hilfe eines Umlenkprismas überlagert. Diese überlagerten Strahlanteile werden ■auf einen Fotoaufnehmer gerichtet, auf dem dabei ein Interferenz*·

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Streifensystem entsteht, welches in Abhängigkeit von der Drehgeschwindigkeit CO am Fotoaufnehmer vorbeiläuft.

Die Anzahl der Interferenzstreifen, die der Fotoaufnehmer pro Zeiteinheit registriert, ist proportional zum Absolutbetrag der Drehgeschwindigkeit Ca) . Die Information über die Drehrichtung kann aus der Laufrichtung der Streifen gewonnen werden. Zu diesem Zweck enthält der Fotoaufnehmer zwei Fotodioden. Die von den Fotodioden abgegebenen Signale durchlaufen Pulsformer und werden dann einem Zähler aufgegeben. Aus dem Vorzeichen der Phasenverschiebung der Pulse wird die Drehrichtung des Sensors ermittelt.

Das die Strahlanteile überlagernde Umlenkprisma ist ein optisches Präzisionsbauteil und die Justierung des Auslegesystems muß mit interferometrischer Genauigkeit erfolgen. Es muß weiter dafür gesorgt werden, daß nach der Justierung das Umlenkprisma dauerhaft in der justierten Stellung verbleibt. Damit stellt das Auslesesystem bei den bekannten Drehgeschwindigkeitssensoren einen erheblichen Fertigungsaufwand dar.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Drehgeschwindigkeitssensor der gattungsgemäßen Art zu schaffen, der wesentlich einfacher im Aufbau und in der Herstellung ist und bei dem insbesondere auf das Ablenkprisma verzichtet werden kann.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst _t daß für jeden ausgekoppelten Strahlanteil ein Fotoaufnehmer vorgesehen ist, und daß Detektoren vorgesehen sind, mit denen die Ausgangssignale der Fotoaufnehmer nach Amplitude und Frequenz analysierbar sind.

Weitere Merkmale und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen herausgestellt.

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Die Erfindung ist in der Zeichnung; beispielsweise veranschaulicht und im nachstehenden im einzelnen anhand der Zeichnung beschrieben.

Pip. 1 zeigt ein Schaltschema twines Drehgeschwindigkeitssensors gemäß der Erfindung.

Pig. 2 zeigt in Diagrammen die Drehgeschwindigkeit und die Differenz der Strahlintensitäten Hb er der Zeit.

Der in Fig. 1 dargestellte Ringlaser wird gebildet aus den drei Eckspiegeln 2, 4 und 6 und dem Lasermedium 8. Für die vorliefende Erfindung ist die Resonanzraumgestaltung - Art und Zahl der verwendeten Spiegel -,die Ausführung der optischen Wellenleiter sowie der Typ des verwendeten Lasermediums und die Art der Integration des Mediums in den Resonanzraum ohne Bedeutung. Der Resonanzraum kann in bekannter Weise gestaltet und optimiert sein.

Der Betrieb des Ringlasers ist allgemein bekannt und braucht an dieser Stelle nicht im einzelnen beschrieben zu werden.

Bei dem dargestellten AusfUhrungsbeispiel ist der Eckspiegel 6 teildurchlässig. In Portsetzung der auf den Eckspiegel auftreffenden Strahlen sind Fotoaufnehmer 10 bzw. 12 angeordnet, die durch einen Strahlanteil beaufschlagt werden, der durch den Eckspiegel 6 hindurchtritt, über den Fotoaufnehmer 10 wird der Strahlanteil gemessen, der im Ringlaser im Uhrzeigersinn umläuft und mit dem Fotoaufnehmer 12 der Strahlanteil, der entgegen dem Uhrzeigersinn umläuft. Aus den von den beiden Fotoaufnehmern 10 und 12 abgegebenen Signalen wird in dem Subtrahierer 1*1 die Differenz (I₁-Io) gebildet. Aus der Differenz wird in einem Pulsformer 16 ein Impuls geformt, der einem Zähler

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zugeführt wird. Aus dem Pulsformer l6 wird ein Signal abgezogen₅ das in einem Drehrichtungsdetektor 20 zur Bestimmung der Drehrichtung bearbeitet wird. Von dem Drehrichtungsdetektor 20 wird die Drehrichtung dann als Vorzeichen direkt in den Zähler eingespeist. Der mit Vorzeichen behaftete Zählerstand, der die Drehgeschwindigkeit nach Größe und Richtung bestimmt, wird dann in einen Speicher 22 eingelassen, aus dem ein Rechner gespeist wird.

Die von den beiden Fotoaufnehmern 10 und 12 abgegebenen Signale können gleichzeitig dazu verwendet werden, ein Stützsignal für einen Regelkreis zur Stabilisierung der Resonanzraumlänge zu schaffen. Zu diesem Zweck werden die Signale I. und I_p einem Summierer 2H aufgegeben, dessen Ausgangssignal über einen Hochspannungsverstärker 26 einen Piezoantrieb 2 8 an dem Eckspiegel H antreibt und dabei den Spiegel 2 parallel zu sich selbst verschiebt und damit die Resonanzraumlänge verändert.

Die Fotoaufnehmer 10 und 12 brauchen keine gesonderten, vom Eckspiegel 6 entfernt liegenden Bauelemente sein. Die Fotoaufnehmer können vielmehr in den Spiegel selbst integriert sein, beispielsweise auf der Rückseite des Spiegels angebracht sein, wobei ein schräger Strahlauffall unerheblich ist, da der Auftreffwinkel für beide Fotoaufnehmer jeweils gleich ist.

Statt einer Auskopplung von Strahlanteilen über einen Eckspiegel, wie im vorstehenden beschrieben, kann die Auskopplung auch an den Enden der zwischen den beiden Eckspiegeln 4 und 6 angeordneten Gasentladungsröhre 8 vorgenommen werden. Eine solche Auskopplung der Strahlanteile ist in Fig. 1 strichpunktiert dargestellt mit den Fotoaufnehmern 10' and 12'. Eine solche Anordnung hat den Vorteil, daß praktisch keine Energieauskopplung aus dem Ringlaser erforderlich ist. Für die Weiterverarbeitung genügen die ohnehin vorhandenen Abfallstrahlanteile. Es brauchen

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also für die Aufrechterhai tune- des Betriebs nur die inneren Verluste des Ringlaser?; gedeckt zu werden. Fin weiterer Vorteil ist die daraus resultierende kleine Rauweise.

Wie bekannt, ist es zur Überwindung des Lock-in-Effektes vorgesehen, den Sensor mit dem Ringlaser eine periodisch wechselnde Drehbewegung durchführen zu lassen oder mit Hilfe magneto-optischer oder elektro-optischer Verfahren einen periodischen Bias in den Ringlaser einzubringen. Hierdurch ergibt sich dann als Differenz der beiden gemessenen Intensitäten I^ und I₀ der in Fig. 2 oben dargestellte Kurvenverlauf für die Drehgeschwindigkeit über der Zeit. Die Intensitäten von I. und Ip enthalten jeweils für sich die Informationen über die Drehgeschwindigkeit und können grundsätzlich auch einzeln ausgewertet werden. Die Auswertung der Differenz der Intensitäten hat jedoch meßtechnisch Vorteile.

Solange die Drehgeschwindigkeit des Sensors innerhalb des Totbereiches - des sogenannten Lock-in-Bereiches - liegt, wird ein amplitudenmoduliertes Signal abgegeben und der Wert (I^-Ip) ändert sich proportional mit der Drehgeschwindigkeit, und zwar nach Betrag und Vorzeichen. Innerhalb des Totbereiches kann deshalb das vom Subtrahierer Ul gelieferte Signal als Signal eines Wendekreisels interpretiert werden.

Außerhalb des Lock-in-Bereiches geht das Signal (I₁-I₉) von einer Amplituden- in eine Frequenzmodulation über, wobei die Modulationsfrequenz identisch mit der Differenzfrequenz Δ f und damit proportional zur Drehgeschwindigkeit Cü ist. In diesem Drehgeschwindigkeitsbereich arbeitet der Sensor als integrierender Wendekreisel mit digitalem Ausgangssignal.

Das Verhalten des Sensors innerhalb des Lock-in-Bereiches kann erfindungsgemäß als Drehrichtungsindikator benutzt werden, während die Modulationsfrequenz außerhalb des Lock-in-Bereiches eine Aussage über den Absolutbetrag der Drehgeschwindigkeit liefert.

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Da der Sensor bei jedem Drehrichtungswechsel den Lock-in-Bereich durchlaufen muß und dabei ein Signal (I.-Ip) abgibt, aus dem die Drehrichtung abgelesen werden kann, ist es möglich, ohne zusätzliche Information sowohl das Vorzeichen als auch den Betrag der Drehgeschwindigkeit anzuzeigen.

Unter den zahlreichen Möglichkeiten der Konzeption des Zählrichtungsdetektors 20 soll hier nur eine angedeutet werden.

Mit Hilfe eines Pulsweitendetektors wird zunächst ermittelt, ob der Sensor sich im Lock-in-Bereich befindet. Ist dies der Fall, wird das Vorzeichen der Steigung d (I₁-Ip) / dt bestimmt und daraus das Vorzeichen der Drehgeschwindigkeit abgeleitet.

Da es für die Drehrichtungsbestimmung genügt, das Vorzeichen von d (I.-Ip) / dt zu ermitteln, kann der Zählrichtungsdetektor 20 einfacher aufgebaut werden als ein Drehrichtungsdetektor bei den bekannten Sensoren. Dort muß zur Drehrichtungsbestimmung das Vorzeichen der Phasenverschiebung zwischen zwei Pulsfolgen gemessen werden.

Es sind weitere Ausgestaltungen des Sensors nach der Erfindung möglich.

Statt einer Kombination der Modulationseffekte von (I^-^) außerhalb und innerhalb des Lock-in-Bereiches kann der Modulationseffekt auch mit anderen im Gesamtsystem vorhandenen Informationen über die Drehrichtung zu einer kompletten Ausleseschaltung ergänzt werden. Dazu gehört zum Beispiel der periodische Bias, der in jeden Ringlaser eingebracht werden muß, um den Lock-in-Effekt zu überwinden. Das Vorzeichen des Bias ist bekannt und kann deshalb zur Steuerung der Zählrichtung des Pulszählers 18 verwendet werden. Korrekturschaltungen müssen dabei für den Fall vorgesehen werden, daß die Drehgeschwindigkeit des Gesamtsystems größer wird als der aufgebrachte Bias.

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Weiterhin kann zur Detektion der Drehrichtung die Tatsache ausgenutzt werden, daß die Modulation der Intensitäten der beiden gegensinnig umlaufenden Wellenzüge bekannte typische drehrichtungsabhängige Asymmetrien aufweist.

Es kann weiter daran gedacht werden, auf einen periodischen Bias zur Überwindung des Lock-in-Effektes ganz zu verzichten und die Auslesung der Signale innerhalb des Lock-in-Bereiches mit Hilfe der Amplitudenmodulation von (I.-Ip) und innerhalb des Lock-in-Bereiches durch Messung der Modulationsfrequenz von (I₁-I₂) vorzunehmen.

Der Umschaltpunkt zwischen den beiden Auslesemoden ist die in Fig. 2 eingezeichnete Lock-in-Schwelle. Eine Schwierigkeit bei diesem Verfahren kann daraus resultieren, daß der Skalenfaktor in der Nähe der Lock-in-Schwelle sowohl für das amplitudenmodulierte Signal unterhalb der Lock-in-Schwelle als auch für das frequenzmodulierte Signal oberhalb der Lock-in-Schwelle nicht-linear ist.

Die Lock-in-Schwelle läßt sich zwar nicht beliebig dicht an den Nullpunkt heranschieben - als bester Wert wurde bisher 30°/h erreicht. Die Lock-in-Schwelle läßt sich aber durch relativ einfache Maßnahmen in Ringlaser fast beliebig weit nach oben verschieben. Dadurch ist es möglich, über einen großen Drehgeschwindigkeitsbereich den Sensor unterhalb der Lock-in-Schwelle zu betreiben und zur Messung der Drehgeschwindigkeit lediglich da3 aniplitudenmodulierte Signal (I^-Ip) zu benutzen.

Der Vorteil dieses Ausleseverfahrens besteht darin, daß alle Probleme vermieden werden, die mit dem Lock-in-Effekt verbunden sind. Sensoren dieser Art sind extrem einfach im Aufbau, da sowohl auf eine Bias-Technik zur Umgehung des Lock-in-Effektes als auch auf eine Auslese-Optik der bekannten Art verzichtet werden kann. Ein Sensor dieses Typs gehört vom Konzept her zu den "Billig-

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Sensoren" einer niedrigeren Genauipkeitsklasse und kann wohl am besten mit den passiven optischen Drehgeschwindigkeitssensoren vom Sagnac-Typ verglichen werden. Mit einem Sensor dieses Typs konnten Drehgeschwindigkeiten von 2 χ 1O~^C" °/sec nachgewiesen werden, ein Wert,der deutlich besser ist als alle Werte, die bisher mit Glasfaserinterferometern und passiven Ringresonatoren erreicht wurden.

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Claims

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/ 1.jDrehgeschwindigkeitssensor auf der Basis eines Ringlasers, bei dem jeweils Strahlanteile der gegenläufigen Wellenzüge auskoppelbar sind, mit Fotoauf nehmern fiir die ausgekoppelten Strahlanteile und mit Mitteln zur Erzeugung von Signalen, die den Intensitätsunterschieden der ausgekoppelten Strahlanteile entsprechen, dadurch gekennzeichnet, daß für jeden ausgekoppelten Strahlanteil ein Fotoaufnehmer vorgesehen ist, und daß Detektoren vorgesehen sind, mit denen die Ausgangssignale der Fotoaufnehmer nach Amplitude und Frequenz analysierbar sind.
2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoren einen Subtrahierer, einen Pulsformer und einen Zähler aufweisen.
3. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die Ausgangssignale der Fotoaufnehmer ein Summierer vorgesehen ist, dessen Ausgangssignal als Signal für eine Resonanzraumregelung verarbeitbar ist.
*1. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlanteile über einen teildurchlässigen Eckspiegel auskoppelbar sind.
5. Sensor nach Anspruch H, dadurch gekennzeichnet, daß die Fotoaufnehmer auf der Rückseite des Eckspiegels angebracht sind.
6. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fotoaufnehmer so angeordnet sind, daß sie mit Strahlanteilen beaufschlagt werden, die an den Enden einer zwischen zwei Eckspiegeln angeordneten Gasentladungsröhre austreten.

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7. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein

um die Drehachse wirksamer Vibrationsantrieb und ein Drehrichtungsdetektor vorgesehen sind.
8. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß Mittel zur magneto-optischen und/oder elektro-optischen Beeinflussung· der Laufzeit der umlaufenden Wellenzüge vorgesehen sind.
9. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ¹^ekennzeichnet, daß Detektoren für die drehrichtungsabhängig^ Modulationsverzerrung vorgesehen sind.
10. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Detektoren für die Analyse der Amplitudenmodulation innerhalb des Lock-in-Bereiches nach Größe und Vorzeichen vorgesehen sind.

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