DE3100890A1

DE3100890A1 - Einrichtung zur messung der rotationsgeschwindigkeit

Info

Publication number: DE3100890A1
Application number: DE19813100890
Authority: DE
Inventors: Martin Harlow Essex Chown; Jeffrey Graham Bishop's Stortford Hertfordshire Farrington
Original assignee: International Standard Electric Corp
Current assignee: International Standard Electric Corp
Priority date: 1980-01-17
Filing date: 1981-01-14
Publication date: 1981-11-19
Also published as: JPS56124283A; GB2068108A; JPS585365B2; US4411526A; GB2068108B

Description

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Einrichtung zur Messung der Rotationsgeschwindigkeit

Die Erfindung geht aus von einer Einrichtung zur Messung der Rotationsgeschwindigkeit wie im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegeben. Eine solche Einrichtung ist aus der DE-OS 29 17 399 bekannt.

Bei der neuen Einrichtung zur Messung der Rotationsgeschwindigkeit sind systematische Fehler, die durch das Driften der verwendeten Bauelemente verursacht werden, nahezu kompensiert. Durch das Umschalten wird ein Wechselspannungssignal erzeugt, wenn die Meßeinrichtung rotiert. Das läßt sich vorteilhaft in Regelschleifen auswerten.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen beispielsweise näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine Einrichtung zur Bestimmung des Sagnac-Effekts mit einer Lichtleitfaserspule,

Fig. 2 den Verlauf.des Ausgangssignals eines in der Einrichtung nach Fig. 1 verwendeten Photodetektors,

Fig. 3 eine andere Ausführungsform der Einrichtung nach Fig. 1,

Fig. 4 den Verlauf des Ausgangssignals eines in der Einrichtung nach Fig. 3 verwendeten Photodetektors ,

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Fig. 5 ein Blockschaltbild einer Einrichtung zur Messung der Rotationsgeschwindigkeit unter Ausnutzung des Sagnac-Effekts

Bei einer Einrichtung zur Messung der Rotationsgeschwindigkeit, bei dem der Sagnac-Effekt ausgenützt wird, wird davon Gebrauch gemacht, daß sich Licht in einer Schleife in entgegengesetzten Richtungen über unterschiedliche Wege ausbreitet, wenn die Schleife um eine Achse senkrecht zu der Schleifenfläche rotiert. Breitet sich der Lichtstrahl in Rotationsrichtung aus, dann erfolgt eine Vergrößerung der optischen Weglänge und wenn sich der Strahl in entgegengesetzter Drehrichtung ausbreitet, dann erfolgt eine Verkürzung der vom Lichtstrahl zurückgelegten Strecke. Die Schleife besteht aus einer Monomode-Lichtleitfaser, die 10 km lang und zu einer Spule aufgewickelt ist. Der Weglängenunterschied für die Lichtstrahlen, die die Lichtleitfaser in entgegengesetzten Richtungen durchlaufen, ist

■ -. 2. OL· RL

wobei Ώ : die Winkelgeschwindigkeit, mit der sich die

Spule um ihre Achse dreht, L : die Länge der Lichtleitfaser, c : die Lichtgeschwindigkeit im freien .Raum, und R : der Spulendurchmesser ist.

Die Differenz der optischen Weglängen für die Lichtstrahlen, die die Lichtleitfaser in entgegengesetzten Richtungen durchlaufen, kann man bestimmen durch Vergleich der Phase der aus der Lichtleitfaser austretenden Lichtsignale

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Zu diesem Zweck erfolgt eine Interferenz von Lichtstrahlen auf einem Photodetektor, wobei der eine Lichtstrahl die Windung in der einen Rotationsrichtung durchlaufen hat und der andere Lichtstrahl die Windung in der hierzu entgegengesetzten Rotationsrichtung durchläuft. Um Störeffekte auszugleichen, die zu unterschiedlichen Phasenmessungen Anlaß geben, ist es wünschenswert, die optischen Wege, die von den beiden zu Interferenz gebrachten Strahlen durchlaufen werden, so gleich wie möglich zu machen. Um dies zu erreichen, werden meist die Lichtstrahlen in entgegengesetzten Richtungen durch die Spule geleitet und die die Spule verlassenden Lichtstrahlen werden zur Interferenz gebracht.

Eine solche Anordnung ist in der Fig. 1 dargestellt. Das von einer Laserstrahlungsquelle S abgegebene Licht wird über einen Strahlungsteiler M den beiden Enden einer Lichtleitfaser, die zu einer Spule aufgewickelt ist, zugeführt. Das von der Lichtleitfaser C auetretende Licht wird von einem Spiel M kombiniert und bildet somit das Interferenzsignal, das dem Photodetektor D1 zugeführt wird. Wenn die Spule rotiert, dann eilt die Phase des einen Lichtstrahls um einen Winkel # vor und hinkt die Phase des anderen Lichtstrahls um den Winkel f nach.

In der Fig. 2 ist das Ausgangssignal des Photodetektors dargestellt. Es ist zu sehen, daß sich das Detektorausgangssignal mit dem Phasenwinkel ψ ändert. Aus dem Diagramm kann man entnehmen, daß man dem Ausgangssignal des Phasendetektors nicht ansehen kann, in welcher Richtung sich die Spule dreht. Es ist weiterhin zu sehen, daß

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die Empfindlichkeit bei kleinen Rotationsgeschwindigkeiten sehr klein ist, weil sich in diesem Bereich das Ausgangssignal nur sehr wenig ändert.

Dieses Problem kann man mit der Anordnung nach Fig. 3 lösen. Bei der Fig. 3 ist eine Einrichtung P vorgesehen,mit der man für die beiden Lichtstrahlen geringfügig unterschiedliche optische Weglängen schafft. In diesem Fall sind die zur Interferenz zu bringenden Lichtstrahlen bereits im Ruhezustand der Spule phasenmäßig um einen Winkel Vp getrennt. Bei der Anordnung nach Fig. 3 wird die unterschiedliche Weglänge, die die Phasendifferenz ψ verursacht, durch die Einrichtung P erzeugt. Das entsprechende Ausgangssignal des Phasendetektors D ist in der Fig. 4 dargestellt.Wählt man die von der Einrichtung P verursachte Phasenverschiebung so, daß sie sich stark von O und von "Ti unterscheidet, dann erreicht man, daß der Arbeitspunkt im steilen Bereich der Kennlinie liegt. Damit erreicht man nicht nur, daß man die Empfindlichkeit bei der Messung der Rotationsgeschwindigkeit erhöht, sondem hiermit ist es auch noch möglich, die unterschiedlichen Drehrichtungen zu erkennen. Nachteilig hierbei ist es, daß ein Driften des festen Phasenwinkels Ψ direkten Einfluß auf die Messung der Phasenverschiebung φ hat. Da Ψ viele Größenordnungen größer ist als die Phasenver-Schiebung φ, hat dies zur Folge, daß an die Toleranz für die Einrichtung, die die Phasenverschiebung ψ erzeugt, sehr hohe Anforderungen gestellt werden müssen. Diese Anforderungen werden bei der neuen Einrichtung durch die Verwendung einer Schalteinrichtung reduziert.

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Bei der Einrichtung nach Fig. 3 bestimmt man die Rotation dadurch, daß man den Sagnaceffekt auswertet, dor sich widerspiegelt in der Phasendifferenz der beiden Signale, die miteinander interferieren und die dem Detektor D zugeführt werden. Die neuen Einrichtungen verwenden eines oder mehrere nicht reziproke optische Elemente in den optischen Wegen, die mit Hilfe einer Rückkoppelschleife eingestellt werden, über die Rückkoppelschleifen erfolgt eine solche Regelung, daß der Sagnaceffekt ausgeglichen wird. Bei dieser Regelung erfolgt ein Abgleich auf null. Zur Einstellung des Gleichgewichtszustandes wird das Ausgangssignal des Photodetektors verwendet. Dieses Signal wird als Regelsignal für die Rückkoppelschleife verwendet. Ein für diesen Zweck geeignetes nicht reziprokes Element ist zum Beispiel eine Faradayzelle oder eine elastooptische FrequenzVerschiebungseinrichtung (Bragg). Zur Regelung mit Hilfe einer Braggzelle wird ein elektrisches Signal der Frequenz u) - der Zelle zugeführt und es wird ein Spannungsmuster mit dieser Frequenz erzeugt. Dieses Spannungsmuster ist so gewählt, daß eine Wechselwirkung mit dem Licht der Frequenz CJU _o» das sich durch die Zelle hindurch ausbreitet, wechselwirkt und somit eine Frequenzverschiebung des optischen Ausgangssignals zur Frequenz ul + üj * erzeugt.

Beider nachfolgenden Beschreibung wird auf die Fig. 5 Bezug genommen. Bei diesem Ausführungsbeispiel werden als nicht reziproke Elemente Braggzellen B₁ und B₂ verwendet. Licht mit der Frequenz ty von einer Laserstrahlungsquelle wird auf strahlteilende Spiegel M₁ und M₂ gerichtet und über eine Schalteinrichtung SW den Braggzellen B. und B₂ 30' zugeführt. In der einen Schalterstellung wird Licht von

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den Spiegeln ML und M₂ zu den Braggzellen B₁ und B_ geleitet; in der anderen Schalterstellung ist der Schalter so geschaltet, daß die Anschlüsse vertauscht sind und daß das Licht zu den Braggzellen B₂ und B₁ geleitet wird. Die Braggzellen werden von Oszillatoren LO₁ und LO₂ gesteuert und zwar mit den Frequenzen ^ ₁ und W₂' ^Hierbei ist UJ. variabel, während ^ fest eingestellt ist. Die beiden in der Frequenz verschobenen Strahlen mit den Frequenzen 10+W₁ und io + u) j, die von den Braggzellen austreten, werden zu entgegengesetzten Enden der Lichtleitfaser C geleitet. Die aus der Lichtleitfaser austretenden Strahlen werden dann jeweils über die andere Braggzelle weitergeleitet, wodurch eine zusätzliche Frequenzverschiebung erzeugt wird. Die Frequenz ist dann u; + U) -i ⁺ "^o' Die Ausgangssignale der Braggzellen werden dann weitergeleitet zu der Schalteinrichtung und zu den Spiegeln M₁ und M~ . Sie werden dann miteinander kombiniert, um ein Interferenzsignal zu erzeugen, das einem Photodetektor D zugeführt wird.

Wenn sich die Spulen nicht um ihre Achse drehen und wenn die beiden Oszillatoren dieselbe Frequenz haben, entsteht ein Phasenwinkel zwischen den beiden Signalen der Frequenz W + 2 UO₂' ^^ie ^^em Photodetektor zugeführt werden. Dies wird verursacht durch die Differenz in den optischen Wegen in den nicht abgeglichenen Teilen des Lichts von der Lichtquelle zum Detektor. Wenn man die Oszillatorfrequenzen unverändert läßt und wenn sich die Spule um ihre Achse dreht (mit einer konstanten Drehgeschwindigkeit), dann ändert sich der im Photodetektor ermittelte Phasenwinkel, weil die Phase des einen Signals voreilt und die Phase des

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anderen Signals hinterherhinkt. Diese Phasenbeziehung ändert sich jedoch auch, wenn die Frequenz des einen Oszillators verändert wird. Dies kommt daher, daß die beiden Lichtstrahlen, die sich in der Lichtleitfaser in entgegengesetzten Richtungen ausbreiten, unterschiedliche Frequenzen haben. Das Ausgangssignal des Photodetektors wird deshalb einer Rückkoppelregeleinrichtung F zugeführt, die ein Ausgangssignal abgibt, das dazu verwendet wird, die Frequenz <a) des einen Oszillators so zu ändern, daß zwischen den zu Interferenz gebrachten Strahlen, die dem Detektor D zugeführt werden, ein konstanter Phasenwinkel aufrechterhalten bleibt.

Eine solche Rückkoppelregeleinrichtung funktioniert auch dann, wenn keine Schalteinrichtung vorgesehen ist. Es ist lediglich notwendig, daß die Lichtwege im nicht abgeglichenen Bereich so gewählt sind, daß zwischen den Strahlen, die dem Detektor zugeführt werden, ein Phasenwinkel Η' vorhanden ist, der sich wesentlich von O und i5unterscheidet, so daß der Arbeitspunkt im Photodetektor in einem Bereich liegt, in dem eine starke Änderung erfolgt (ähnlich der Darstellung in der Fig. 4). Bei einer solchen Einrichtung hat jedoch eine Drift der Parameter, die die Phasenverschiebung τ bewirken, einen systematischen Fehler zur Folge.

Durch die Schalteinrichtung werden die Anschlüsse vertauscht, so daß,wenn immer der Sagnaceffekt nicht exakt kompensiert wird, durch die Differenz in den Frequenzen U) * und co „ ein Wechselspannungssignal am Ausgang des Phasendetektors erzeugt wird, das entweder in Phase oder entgegen Phase

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mit dem Schalten der Schalteinrichtung ist. Dieses Wechselspannungssignal wird deshalb dazu verwendet, die Rückkoppelregeleinrichtung zu regeln und auf diese Weise werden kleine Änderungen im Wert des Phasenwinkels nicht als systematische Fehler wirksam.

Damit dieses Umschalten korrekt funktioniert, ist es notwendig, daß der Schalter beim Austreten des Lichts aus der Lichtleitfaser wieder die Stellung einnimmt, die er beim Einkoppeln dieses Lichtstrahls in die Lichtleitfaser hatte. Dies bedeutet, daß die Frequenz der Betätigung des Schalters gleich oder gleich einem Vielfachen des Kehrwerts der Lichtlaufzeit in der Lichtleitfaser ist.

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Claims

Patentanwalt Q 1 η Π P Q Π

Dipl.-Phys. Leo Thul 0 I UUoO U

Kurze Straße 8
7000 Stuttgart 30

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INTERNATIONAL STANDARD ELECTRIC CORPORATION, NEW YORK

Patentansprüche

( 1.JEinrichtung mit mindestens einer spulenförmig angeordneten ^-^ Lichtleitfaser mit einer oder mehreren Windungen zur Messung der Rotationsgeschwindigkeit um die Achse der spulenförmig angeordneten Lichtleitfaser, bei der zwei Lichtstrahlen so in die Lichtleitfaser eingekoppelt werden, daß sie die Lichtleitfaser gegensinnig durchlaufen und bei der aus der Phasendifferenz zwischen den aus der Lichtleitfaser ausgekoppelten Lichtstrahlen, die einer Auswerteeinrichtung zugeführt werden, die Rotationsgeschwindigkeit ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Zuführen der beiden Lichtstrahlen von der Strahlungsquelle (5) zu den beiden Anschlüssen der Lichtleitfaser und das Zuführen der aus der Lichtleitfaser ausgekoppelten Lichtstrahlen zur Auswerteeinrichtung jeweils über einen Schalter erfolgt, der so gesteuert wird, daß die Zuordnung von Lichtstrahl zu Anschluß alternierend verändert wird, so daß den Anschlüssen je nach Schalterstellung jeweils ein anderer der beiden Lichtstrahlen zugeführt wird, daß zumindest im Strahlengang eines Lichtstrahls mindestens ein regelbares nicht reziprokes optisches Element (B1, B2) vorgesehen ist, daß die Lichtstrahlen nach dem Passieren des nicht rezi-

Sm/Gn
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proken optischen Elements einander überlagert werden, daß das bei der Überlagerung erzeugte Interferenzsignal einem Photodetektor (D) zugeführt wird, dessen Ausgangssignal das Eingangssignal einer Regeleinrichtung (F) ist, daß die Wege für die beiden Lichtstrahlen so gewählt sind, daß sie, wenn keine Rotation vorliegt, zueinander eine Phasenverschiebung aufweisen, deren Wert sich von null und T stark unterscheidet, daß der Schalter von einer Steuereinrichtung mit einer Steuerfrequenz, die gleich dem Kehrwert der Laufzeit des Lichtstrahls durch die Lichtleitfaser oder einem Vielfachen hiervon ist, so umgeschaltet wird, daß der Schalter beim Auskoppeln eines Lichtsignals aus der Lichtleitfaser wieder die Stellung einnimmt, die er beim Einkoppeln dieses Lichtstrahls hatte, und daß die Regeleinrichtung der Rückkopplungseinrichtung das nicht reziproke optische Element so regelt, daß das Wechselspannungsausgangssignal des Photodetektors seinen minimalen Wert annimmt.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß derjenige Anteil des Wechselspannungssignals, der in Phase mit oder in Gegenphase zu dem Steuersignal für den Schalter ist,auf einen minimalen Wert geregelt wird.
3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als optisch nicht reziproke Einrichtung eine elastooptische Frequenzverschiebungseinrichtung vorgesehen ist.

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