DE3150160A1

DE3150160A1 - Ringlaserkreisel

Info

Publication number: DE3150160A1
Application number: DE19813150160
Authority: DE
Inventors: Rainer Dipl.-Phys. 6451 Bruchköbel Baumann
Original assignee: Honeywell GmbH
Current assignee: Honeywell Regelsysteme GmbH
Priority date: 1981-12-18
Filing date: 1981-12-18
Publication date: 1983-06-30
Also published as: GB2112202A; US4533248A; FR2518741A1; FR2518741B1; DE3150160C2

Description

ο ο ο α

16.Dezember 1981

■KalserleistraB© 55 77100460. DE

D-6Q50- Offenbach am Steia . Hz/umw

linglaserkreisel

Di© -vorliegend® Erfindung betrifft einen Ringlaserkreisel nach dem Gattungsbegriff des Anspruches 1.

Sie betrifft insbesondere eine Vorrichtung zur Vermeidung des Mitzieheffektes (lock-in).

, Bei einem Ringlaserkreisel pflanzen sich beispielsweise in einem dreieckförmigen Laserpfad zwei entgegengesetzt umlaufende Lichtwellenzüge fort. Während der eine Lichtwellenzug im Uhrzeigersinn (cw) sich

1Ö fortpflanzt, weist der andere Lichtwellenzug sine hierzu entgegengesetzte Fortpflanzungsrichtung (ccw) auf, In einem Inertial-Bezugssystem haben der cw- und ccw-Lichtwellenzug der selben Mode die gleiche Frequenz y . Rotiert jedoch der Ringlaserkreisel in einem Inertialraum„ so besitzen nach der allgemeinen Relativitätstheorie der cw- und ccw-Lichtwellensug folgende Differenzfrequenzs

wobei

In diesen·Gleichungen■

s Vakuum-Wellenlänge des Laserlichts

-ζ-

Λ-

L₀ = Optische Resonatorlänge

ResonatorfIac
des Kreisels

F₀ = Resonatorfläche senkrecht zur Drehachse

Diese Dif ferenzfreguenz AYkann durch teilweise Spiegel-Auskopplung des cw- und ccw-Lichtwellenzugs mittels verschiedener Methoden als Ausgangssignal gemessen werden, und liefert sodann nach Gleichung (1) die gesuchte Eingangs-Drehrate jc bzw.den Drehwinkel "f , wenn ein zeitintegrierendes Impulszählverfahren angewandt wird.

Im Idealfall kann man die beiden entgegengesetzt umlaufenden Lichtwellenzüge als voneinander unabhängig auffassen. In der Praxis sind jedoch in jedem Ringlaserkreisel der cw- und ccw-Lichtwellenzug in Folge von Energieaustausch miteinander gekoppelt, wobei die Kopplung im wesentlichen durch die geringfügige Lichtrückstreuung von einem Lichtstrahl in den anderen an den Spiegeln erfolgt. Nach der Theorie gekoppelter Oszillatoren stellt sich die tatsächlieh Ausgangs-Differenzfrequenz folgendermaßen dar:

für

Die Aussage der Gleichung (1a) ist in Figur 1 der Zeichnung graphisch veranschaulicht, wobei die gestrichelte Kurve den idealen Verlauf und die ausgezogene Kurve den tatsächlichen Verlauf der Ausgangs-Differenzfrequenz ΛΤ in Abhängigkeit von der Eingangs-Drehrate £2 darstellt. Aus Figur 1 erkennt man, daß bei Eingangs-Drehraten, die kleiner als die sogenannte Mitzieh-Schwelle Ώ. (lock-in) sind der Ringlaserkreisel kein Ausgangssignal

Δ ψ liefert. Die gegenläufigen Lichtwellenzüge sind bei kleiner Differenz ihrer Eigenfrequenz in einer gleichen Schwingungsfrequenz miteinander verriegelt, d.h. ihre Frequenzen ziehen sich mit. Dieser bekannte Mitzieheffekt hat zur Folge _f daß erst bei Eingangs-Drehraten Ώ, • oberhalb-der Lock-in-Schwelle ß L die Frequenzen der beiden Lichtwellenzüge entkoppelt sind und man ein Ausgangssignal Δ Τ erhält.

0 Zur Vermeidung dieses Lock-in-Effektes bei niedrigen Eingangs-Drehraten Ω! ist es beispielsweise aus der DE-PS Ί 292 899 bekannt,, den Ringlaserkreisel um seine Eingangsdrehachse in mechanische Drehschwingungen zu versetzen. Die dem Ringlaserkreisel mitgeteilte Zitterbewegung

•j5 (Dither) ist hierbei so zu bemessen, daß die momentane Drehrate Ώ. des Kreisels auch ohne äußere Drehrate während des größten Teils der Meßzeit über der L.ock-in-Schwelle SlL L ^{md 1}^ !inearen Teil der Kurve &V (Sl) liegt. Der Nullpunktversatz des Ausgangssignales Δγ infolge der Zitterbewegung muß bei der Signalauswertung korrigiert werden.

Im bekannten Fall ist der Laser an Blattfedern aufgehängt und das gesamte System wird durch einen Antrieb in seiner Resonanzfrequenz sinusförmig in Schwingungen versetzt. Bei einer sinusförmigen Drehschwingung mit der Kreisfrequenz _{jj =2 >L Y ist der Drehwinkel *f des Laserkreisels folgendermaßen vorgegebene

max - ^sin^ * (2)

Durch Ableitung nach der Zeit erhält man folgende momentane Winkelgeschwindigkeit des Ringlaserkreisels:

dt ⁼ J roas · Uj · cos Ui t, oder (3) oder ^ =β_{ΜΧ o} cosw t mitß_RßX= ^ ^ „ U₃ (3a)

_ A

Der Verlauf der Signale ^f und £2. ist in den Figuren 2a und 2b dargestellt. Unter Bezugnahme auf diese Figuren und die Gleichung (3a) läßt sich die Nicht-Totzeit, für eine Drehschwingungs-Viertelperiode folgendermaßen angeben:

t nicht-tot - "t

arc cos

= -=- arc cos co

(4)

Da die Gesamt-Meßzeit t_gesamtdurch ^ =J^ vorgegeben ist/ stellt sich das Verhältnis von Nicht-Totzeit zur Gesamt-Meßzeit folgendermaßen dar:

V ⁼ ^icht-tot = 1 _{arc cos {} ^l , ₍₅₎

gesamt

Das Verhältnis von Gesamt-Meßzeit zu Totzeit ist dann durch folgenden Ausdruck gegeben:

y* _ ^t ge samt = (1-V) "¹

^fctot

Aus Gleichung (5) ist erkennbar, daß bei einer sinusförmigen Dither-Drehschwingung die Zitteramplitude ^f und die Zitterkreisfrequenz to = 2¹TtY so groß wie möglich gemacht werden müssen, damit die Nicht-Totzeit ein Maximum erreicht. Der sich gemäß Gleichung (6) ergebende Wert für V* stellt ein wichtiges Gütekriterium für Ringlaserkreisel· dar.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher,bei einem Ringlaserkreisel die Güte V*, d.h. das Verhältnis von Gesamt-Meßzeit zu Totzeit, zu verbessern. Die Lösung dieser Aufgabe

gelingt gemäß der im Anspruch 1 gekennzeichneten Erfindung". Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen entnehmbar„

Der erfindungsgemäß formschlüssig an dem Ringlaserkreisel angreifende Antrieb ist vorzugsweise ein piezoelektrischer Linearantrieb. Greift ein solcher Antrieb an einem als Torsionsfeder ausgebildeten Träger des Ringlaserkreisels an und spannt man diese Torsionsfeder vor, so folgt der Kreisel der über den Antrieb befohlenen Bewegung, wobei diese Bewegung von der Sinusform abweichen kann und die Zitteramplitude und Zitterkreisfrequenz maximale Werte erreichen können=

Aus der Zeitschrift "mikrowellen magazin", Heft 5, 1980, S.422 ist es bereits bekannt, durch einen im Laserpfad angeordneten und entsprechend angesteuerten Magnetspiegel abweichend von der Sinusform eine rechteckförnu ge Vorspannung zu erzielen. Diese Magnet-Spiegel wirken sich aber ebenso wie Faraday-Zellen aus anderen Gründen leistungsmindernd auf Laserkreisel aus.

Anhand eines in den Figuren der beiliegenden Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles sei im folgenden die Erfindung näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 ein Diagramm zur Veranschaulichung des Lock-in-Effektes;

Fig.2a und 2b Diagramme zur Veranschaulichung

der Totzeit im Verhältnis zur Meßzeit bei einer sinusförmigen Dither-Bewegung;

Fig.3a und 3b eine Draufsicht und eine Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Ringlaserkreisels;

Fig.4a und 4b zwei für die Erzielung der Dither-Bewegung verwendbare Piezo-Stapelantriebe; 10

■ und

Fig.5a und 5b Diagramme zur Verartschaulichung des-Verhältnisses von Totzeit zu Meßzeit bei einem erfindungsgemäß in Schwingung versetzten Ringlaserkreisel.

Gemäß den Figuren 3a und 3b besteht der eigentliche Ringlaserkreisel aus einem dreieckförmigen Zerodurblock 10, in den in bekannter Weise eine Laserröhre integriert bzw.modular eingesetzt ist und der einen dreieckförmigen Strahlengang aufweist, was jedoch nicht dargestellt ist. In den Eckpunkten des Zerodurblockes 10 sitzen drei Spiegel als Reflektoren mit Piezotreibern zum Resonatorlängenausgleich, was durch Blöcke 11, 11' und 11¹¹ angedeutet ist.

einem der Spiegel erfolgt zudem eine Auskopplung der Lichtwellenzügeo

Der Zerodurblock 10 ist zwischen Scheiben 12 und 13 eingespannt. Die Einspannung erfolgt hierbei am äußeren Band der Scheiben 12 und 1 Sondern diese im Randbereich eine vergrößerte Dickenabmessung aufweisen. Zur Vorgabe des Verhaltens einer Torsionsfeder sind beide Scheiben mit auf einem Kreis angeordneten und durch Stege 14 getrennten Ausnehmungen 15 versehen. Die Scheiben bestehen vorzugsweise aus Metall«,

Ein ortsfester Lagerblock 16 weist einen zentralen nach oben gerichteten Gewindezapfen 17 auf. Über diesen Gewindezapfen 17 wird die untere Scheibe 13 mit einer zentralen Ausnehmung geschoben und in Zapfennähe durch Schrauben 18 mit dem Lagerblock 16 verbunden. Ein Absatz 19 an dem Lagerblock 16 verhindert ein Kontakt der unteren Scheibe 13 mit dem Lagerblock 16 in einem Bereich der sich von den Ausnehmungen 15 radial nach außen erstreckt. Die untere Scheibe 13 weist wenigstens einen sich radial nach außen eistreckenden Arm 20 auf, an dem in tangentialer Richtung ein Antrieb 21 angreift, der auf Druck oder auf Zug arbeitet„Die obere Scheibe 12 ist mit einer zentralen Gewindebohrung versehen, mit der sie auf den Gextfindezapfen 17 aufgeschraubt wird, so daß sie den mittels einer zentralen öffnung 22 über den Gewindezapfen 17 geschobenen Zerodurblock 10 zwischen sich und der unteren Scheibe 13 im Randbereich einspannt.

Im Prinzip können mehrere synchron angesteuerte Antriebe 21, 21' und 21'^D an mehreren radial gerichteten Armen 20,20' und 20"' angreifen; es hat sich aber gezeigt, daß ein einziger linearer piezoelektrischer Antrieb 21 ausreichend

ist, um die Ditherbewegung vorzugeben. Hierbei ist die Torsionsfeder 12, 13 leicht vorgespannt, so daß der Antrieb spielfrei und formschlüssig erfolgt.

Als Antriebe werden die in den Figuren 4a und 4b dargestellten longitudinalen bzw.transversalen piezoelektrischen Stapelantriebe 21 verwendet. Diese Antriebe besitzen sehr ■ hohe Stellkräfte, so daß mit ihnen gegen eine sehr hohe Last ohne starke Abnahme des Stellwegs gearbeitet werden kann. Daher kann man bei Verwendung eines solchen Antriebes die Torsionsfeder 12, 13 extrem hart auslegen, so daß man aufgrund der vergrößerten Federkonstanten gegenüber bekannten Ditherantrieben eine sehr viel höhere Resonanzfrequenz des Systemserzielen kann und mit Vorteil unterhalb der Resonanzfrequenz arbeiten kann.

Unter bewußtem Verzicht auf Resonanzüberhöhungen kann man aufgrund der großen Stellkraft des Motors auch unterhalb der Resonanzfrequenz eine hinreichende Amplitude erzielen, wobei sich eine von der Sinusform abweichende Ansteuerung · als besonders vorteilhaft erweist.

Erfindungsgemäß wird eine dreieckförmige Ditherbewegung unterhalb der Drehpendel-Resonanzfrequenz vorgeschlagen, was durch einen geeignet geformten Spannungsverlauf bei der Ansteuerung des Piezoantriebs (vorprogrammiert oder über einen Regelkreis) sowie eine geeignet gewählte Drehpendeldänpfung erreichbar ist.

Aus den Figuren 5a Und 5b ist erkennbar, daß bei einer solchen Ansteuerung eine wesentliche Verringerung der Kreisel-Totzeit gegenüber den in den Figuren 2a und 2b dargestellten bekannten Verhältnissen erreicht wird. In den Figuren 5a und 5b ist durch die ausgezogene Linie jeweils der ideale Verlauf und durch die gestrichelte Linie der tatsächliche Verlauf des Drehwinkels und der Drehrate über der Zeit dargestellt.

Um bei einer periodischen Zeitverteilung der Mitzieh-Intervalle zu verhindern, daß sich bei bestimmten Eingangs-Drehraten ein Fehlersignal akkumulativ aufbaut, kann mit Vorteil die Dreieckschwingung moduliert werden. Dies kann einmal geschehen durch eine statistisch verteilte, symmetrische Frequenzmodulation der Dreieckschwingung ( Δ "V «e-0,1 γ) und/oder durch eine Amplitudenmodulation der Dreieckschwingung mit einer regellos auftretenden, kleinen Schwingungskomponente.

Es ist festzuhalten, daß die Kreisel-Totzeit minimal wird, wenn man bei der kleinsten möglichen Periodenfrequenz . der Dreieckkurve den Kreisel in Schwingung versetzt und das mechanische Drehpendel demgegenüber eine möglichst hohe Eigenfrequenz besitzt. Die Totzeit wird dann durch die reale Form der Dreieckspitze bestimmt, deren Krümmungsradius nicht größer als die Sinusspitze im Resonanzfall sein wird. Gegenüber bislang bekannten Laserkreiseln kann der eingangs erwähnte Gütefaktor um einen Faktor in der Größenordnung von zwei Zehnerpotenzen angehoben werden»

Obgleich eine dreieckförmige Anregung des Kreiselträgers unterhalb der Resonanzfrequenz des Systems zu besonders guten Ergebnissen führt, ist festzuhalten, daß auch eine sinusförmige Anregung in der Resonanzfrequenz bereits eine wesentliche Verbesserung gegenüber bekannten Kreiseln bringt, da der piezoelektrische Tangentialantrieb gegen hohe Federkräfte arbeiten kann, so daß sich bei etwa gleich großer Zitteramplitude eine wesentlich höhere Resonanzfrequenz ergibt»

Leerseite

Claims

Patentansprüche:

Ίο ι Ringlaserkreisel mit einer den Laserpfad in Dreh^v^'-schwingungen versetzenden Vorrichtung zur Vermeidung eines Mitzieheffektes, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung einen f ormschlüssig an dem Laser (10) angreifenden Antrieb (21) aufweist,

2c Ringlaserkreisel nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch
10

a) einen als Torsionsfeder ausgebildeten Träger (12,13) für den Laser (20); und

b) wenigstens einen tangential an dem Träger _ (12,13) angreifenden piezoelektrischen

Linearantrieb (21)»

3. Ringlaserkreisel nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine Erregung des Linearantriebes (21) mit einer von der Sinusform abweichenden und gegenüber dieser verkürzte Umkehrintervalle aufweisenden Schwingung.

4„ Ringlaserkreisel nach Anspruch 2, gekennzeich net durch eine Vorspannung des Trägers(12,13) in der Ruhestellung des piezoelektrischen Linearantriebs (21).

5. Ringlaserkreisel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der piezoelektrische Linearantrieb als Stapelantrieb (21) ausgebildet ist.

-1-1-

6. Ringlaserkreisel nach Anspruch 3, gekennzeich· net d u r cn eine in ihrem zeitlichen Verlauf dreieckförmige Schwingungsform.

7. Ringlaserkreisel nach Anspruch 6, dadurch g ekennze ichnet, daß die Erregerfrequenz unterhalb der Resonanzfrequenz des federnd gelagerten Kreisels (10) liegt.

8. Ringlaserkreisel, nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch eine statistisch verteilte, symmetrische Frequenzmodulation der Dreieckschwingung.

9. Ringlaserkreisel nach Anspruch 6, g e k e η η zeichnet durch eine Amplitudenmodulation der Dreieckschwingung durch überlagerung einer regellos auftretenden kleinen Schwingungskomponente .