DE3239068A1 - Einrichtung zur messung der rotationsgeschwindigkeit - Google Patents

Description

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Einrichtung zur -Messung der Rotationsgeschwindigkeit

Die Erfindung geht aus von einer Einrichtung zur Messung der Rotationsgeschuindigkeit wie im Oberbegriff des An-Spruchs 3 angegeben»

Ein solche Einrichtung ist bekannt, z. B„ aus dem Aufsatz "Sensitivity analysis of the Sagnac-effect optical-fibre ring interferometer" von Shih-Chun Lin und Thomas G. Gia-LLorenzi in Applied Optics, Band 18, Nr. 6, 15. März 1979. Durch die überlagerung der beiden Teilstrahlen nach Durchlaufen des Lichtwellenleiters wird ein Ringmuster gebildet, das,wenn sich die Meßeinrichtung in Ruhe befindet, ein feststehendes Muster darstelLt, dessen Form von der abbildenden Optik abhängt= Rotiert die Meßeinrichtung um ihre Spulenachse, dann bewegen sich die Ringe des Interferenzmusters. Aus dieser Abweichung von dem Interferenzmuster, das im Ruhezustand vorhanden ist, kann die Rotationsgesetiwi ndi gkei t ermittelt werden»

Abhängig von den physikalischen Einzelheiten des Systems (z. B. BetriebswellenlängeK. , Länge des Lichtwellenleiters L, usw.) und dem Bereich, innerhalb dessen Rotationsgeschwindigkeiten gemessen werden sollen, kann zur Auswertung ein einzelner Ring oder mehrere Ringe des Interferenzmusters

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21.10.1982

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herangezogen werden. Bei der Auswertung des Interferenzmusters.ergeben sich messtechnische Schwierigkeiten. Nachfolgend werden drei davon aufgeführt:

- das Sensorausgangssignal ist statisch CGleichspannung für eine konstante Winkelgeschwindigkeit^

- Nichtlinearität des Ausgangssignals in Abhängigkeit der Phasenabweichung,

- optische Störsignale erzeugen einen konstanten störenden Si gnaIpegel.

Wie Ling und Giallorenzi gezeigt haben, erhält man ein besseres Ergebnis, wenn man ein zusätzliches und komplementäres Ringmuster vorsieht und das entsprechende Ausgangssignal einem Differenzverstärker zuführt. Die Phasenverschiebung von 180 für den zweiten Ring kann man dadurch erreichen, daß man im Lichtweg eine zusätzliche Reflexionsstelle vorsieht.. Dadurch kann der Rauschpegel Cd. h. das Sockelsigna I) .beseitigt werden. Bei diesem Meßverfahren ist es weiterhin von Vorteil, daß (weil zwei Ausganges igna l'e des Sensors verwendet werden) die gesamte am Ausgang des Sensors vorhandene Energie gemessen werden kann und somit möglich ist, ein rückgekoppeltes Regelsignal zu erhalten, das dazu verwendet wird, die Leistung der Lichtquelle konstant zu ha I ten.

Bei dieser Lösung ist es jedoch schwierig,die notwendige Stabilität dieses Gleichspannungssystems zu erzielen und weiterhin kann sich niederfrequentes Rauschen bei einigen Detektoren störend bemerkbar machen. Wird die Messung in

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den Zwischenfrequenzbereich verlegt, dann sind diese Probleme beseitigt. Durch die Modulation des Eingangssignals ist eine wechselspannungsmäßige Auswertung möglich. Ling und Giallorenzi schlagen einige Möglichkeiten zur Modulation und synchronen Detektion in einem Überlagerungssystem vor. Wenn jedoch eine solche Modulation durchgeführt wird, dann ist es notwendig, daß die Tei Istrah len, die den Lichtwellenleiter gegensinnig durchlaufen, getrennt werden müssen und daß eine unterschied Iiehe Phasenverschiebung eingeführt werden muß.

Die neue Einrichtung zur Messung der Rotationsgeschwindigkeit ermöglicht eine Auswertung, bei der die Rotationsgeschwindigkeit sehr genau ermittelt werden kann.

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

Fig. 1 eine schematische Darstellung der neuen Einrichtung zur Messung der Rotationsgeschwindigkeit,

Fig. 2 die bei einer solchen Einrichtung am Ausgang vorhandenen Phasenabweichungen,

Fig. 3 Diagramme zur Erläuterung des Zusammenhangs

zwischen Steuersignal und Phasenabweichung für Phasenre lationen, die bei der Einrichtung nach Fig. ί verwendet werden, und

Fig. 4 die Realisierung der Phasenmodulatoren als integriertes optisches Bauelement.

Die Einrichtung zur Messung der Rotationsgeschwindigkeit enthält einen Lichtwel lenleiter 10, der spulenförmig ange-

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ordnet ist. In einem Laser 14 wird ein Lichtstrahl erzeugt, der in einem Strahlteiler 13 in zwei Teilstrah len, die über Linsen 11 und 12 in die beiden Enden des LichtwelLenLeiters eingekoppelt werden aufgeteilt wird. Die übrigen in der Fig. 1 vorhandenen Bauelemente sollen zunächst nicht betrachtet werden. Der Strahlungsteiler 13 teilt den vom Laser erzeugten Lichtstrahl in Teilstrahlen gleicher Intensität auf. Die beiden Teilstrahlen breiten sich in dem Lichtwellenleiter gleichzeitig jedoch in entgegengesetzten Richtungen aus. Nach dem Durchlaufen des Lichtwellenleiters wird jeder Teilstrahl durch den Strahlungsteiler 13 wiederum in zwei Teilstrahlen gLeicher Intensität aufgeteilt, wobei jeweils die eine Hälfte eines· Teilstrahles zu einem Photodetektor.15 geleitet wird. Die beiden Hälften, die den Photodetektor erreichen, interferieren in der Ebene des Photodetektors miteinander. Dadurch entsteht ein Interferenzmuster, das aus konzentrischen Differenzringen besteht. Bei einem geeignet ausgerichteten optischen System ist nur der innere Ring vorhanden und diese innere Fläche wird auf den Photodetektor abgebildet. Dreht sich nun die Einrichtung zur Messung der Rot ationsgeschwindigkeit um ihre Spulenachse, dann weisen die beiden Tei Istrah len am Ausgang des LichtwellenLeiters zueinander Phasenverschiebungen auf, die dazu führen, daß sich die Lichtintensität auf dem Photodetektor ändert. Das Ausgangssignals des Photodetektors als Funktion der Phasenabweichung ΔΘ , die durch die Rotation verursacht wird, hat die in Fig. 2 dargestellte Form. Für die Rotationsgeschwindigkeit Null hat der Ausgangsstrom i in der Mitte eine Spitze. Beidseitig dieser Spitze fällt der Ausgangsstrom auf Null ab und steigt dann wieder zu einer zweiten Spitze an usw. und zwar abhängig von der Rotationsgeschwindigkeit.

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Bei einer konstanten Rotationsgeschwindigkeit ist das AusgangssignaL an sich ein GleichspannungssignaL. Um jedoch zu ermöglichen, daß ein Wechselspannungssignal ausgewertet werden kann, wird eine Phasenmodulation des optischen Signals eingeführt. Zur Erzeugung der Phasenmodulation ist ein Phasenschieber 18 vorgesehen, wofür ein elektro/optischer Phasenmodulator oder ein Phasenmodulator eines anderen Typs geeignet ist» Dieser Phasenmodulator ist an einem Ende des Lichtwel Lenleiters angeordnet. Das Ansteuersignal für den Phasenmodulator 18 wird in einer Einrichtung 19 erzeugt, die dem Phasenmodulator ein Signal mit einer bestimmten Spannung zuführt. Das Ansteuersignal erhält jeweils nach der Zeit Τ' einen unterschiedlichen Spannungswert, sodaß das Ansteuersignal an sich eine Periode von 2iThat, wobei ^C die Laufzeit des Lichtstrahls in dem Lichtwellenleiter ist. Bedingt durch die asymmetrische Anordnung des Phasenschiebers 18 ist das Sagnac-SignaI phasenmoduliert und zwar mit der Frequenz l/2f , was zur Folge hat, daß das Ausgangssignal des Fotodetektors amplitudenmoduliert ist.

Wird das Ausgangssignal des Lasers synchron mit dem Modulationssignal aus- bzw« eingeschaltet, dann ist es möglich, daß nur einer der beiden Tei Istrahlen, die den Lichtwellenleiter in entgegengesetzten Richtungen durchlaufen, phasenmoduliert wird. Dies ist die Basis dafür, daß die durch den Sagnac-Effekt bedingte Phasenverschiebung bei einer Rotation ausgeregelt werden kann, wozu in der Meßeinrichtung eine geschlossene Phasenregelschleife vorgesehen ist. Diese Betriebsart ist mit der in der Fig. 1 schematisch dargestellten Meßeinrichtung möglich. Zur Ausregelung der Sagnac-

3Q phase auf den Phasenwert Null dient der Phasenschieber 18 in Verbindung mit dem synchron hierzu geschalteten Laser.

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Zwischen dem ersten Phasenschieber 8 und dem Ende des LichtweLLenLeiters 10 ist ein weiterer elektro/optischer Phasenschieber 16 vorgesehen, der Ansteuersigna Le von einer Steuereinrichtung 17 erhäLt, wobei die AnsteuersignaLe sich periodisch nach jeweils der Zeitdauer 2¹C" ändern.

ALs FoLge der asymmetrischen Anordnung des Phasenschiebers 16 und der reLativen Phasen der Ansteuersigna Le für die Phasenschieber 16 und 18, die in Fig. 3 angegeben sind, erfährt jeder zweite DurchLauf des TeiLstrahLs, der den LichtweLLenLeiter im Uhrzeigersinn durchLäuft, eine zusatz-Liche elektrische Phasenverschiebung,und a Lternierende Tei Lst rah Len, die den LichtweLLenLeiter entgegen des Uhrzeigersinns durchLauf en, erfahren die gLeiche Phasenverschiebung. Dies hat zur FoLge, daß das Sagnac-S i gna L mit 1Mt" phasenmoduLiert ist, was wiederum zur FoLge hat, daß das AusgangssignaL des Photodetektors ampLitudenmoduLiert ist. Ist keine Sagnac-Phasenverschiebung vorhanden und wird dem Phasenschieber 18 kein ModuLationssignal zugeführt, dann ist am Ausgang des Photodetektors bei der Frequenz 1/4XTdIe ModuLationskomponente NuLL vorhanden. Diese Situation entspricht der FLanke der Kurve in Fig. 2 an dem Punkt, an dem die Phase NuLL ist. Andererseits hat das Ausgangssigna L des Photodetektors bei der Frequenz 1/4^E" seinen maximalen Wert, wenn die Sagnac-Phasenabwei chung bis auf T/2 angewachsen ist. Aufgabe der geschLossenen RegeLschLeife ist es,über die ArapLitude und das Vorzeichen des AnsteuersignaLs für den Phasenschieber 18 die Phasendifferenz auf NuLL zu regeln. Die AmpLitude und das Vorzeichen des Steuersigna Ls für den Phasenschieber 18steLlt dann bei dieser Art der Regelung ein Maß der Rotationsgeschwindigkeit dar.

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Die beiden elektro/optiscfien Phasenschieber 16 und 18 zur PhasenmoduLation bzw. zur Phasenausregelung werden vorzugsweise aLs integriertes optisches Bauelement realisiert, wie in Fig. 4 dargestellt. Die Steuereinrichtung 19, in der das Ansteuersigna I für den Phasenschieber 18 erzeugt wird, steuert auch das Schalten der Lichtquelle 14. Dies wird durch einen weiteren elektro/optisehen Amplitudenmodulator Cin der Zeichnung nicht dargestellt) realisiert, der im Ausgang des Lasers angeordnet ist. Das wirksam- bzw. nichtwirksam Schalten des Lasers mit Hilfe eines Modulators ist einfacher zu realisieren als das direkte Schalten des Lasers. Die Ansteuersignale für die beiden Phasenschieber und das Signal zum wirksam Schalten des Lasers sind, zusammen mit den dazugehörigen Phasenmodulationen, in der Fig. 3 dargestellt. Es werden vorzugsweise voneinander getrennte Modulatoren verwendet, denn dadurch werden FilterungsproblejDe vermieden, die vorhanden wären, wenn beide ModulationssignaLe demselben Modulator zugeführt werden würden.

Die Phasenmodulatoren können in vorteilhafter Weise als integriertes optisches Bauelement realisiert werden. In der Tat können alle optisehen Baugruppen außerhalb des Lichtwellenleiters, Laser und Detektor auf einem einzigen integrierten optischen Bauelement mit 4 Anschlüssen kombiniert werden. Die Tei !.strahlen, di e den Lichtwellenleiter in entgegengesetzten Richtungen durchlaufen, haben genau diesselbe Frequenz und einen minimalen Wegunterschied CPhasenunterschied),wodurch es möglich wird, die Phasenmodulation und die Phasenausregelsigna Ie mit höchster Genauigkeit zu regeln.

Das integrierte optische Bauelement enthält ein Substrat 20 aus Lithiumniobat, in dem durch Eindiffundieren von be-

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stimmten Materialien ein optischer WeLLenLeiter 31 gebildet wird. Das einzudiffundierende Material ist beispielsweise Titan. Zur Realisierung eines Phasenmodulators werden auf der Oberfläche des Substrats und dem Lichtwellenleiter 31 benachbart zwei Gruppen von metallischen Elektroden 22, 22a (zur Realisierung des Phasenmodulators 18) und 23, 23a (zur Realisierung des Phasenmodulators 16) aufgebracht. Wird an die Elektroden eine geeignete Spannung angelegt, dann wird quer zu dem Lichtwellenleiter ein elektrisches Feld aufgebaut und dieses Feld verändert den Brechungsindex des Lichtwe I lenLeiters, wodurch der Lichtstrahl, der durch den Lichtwellenleiter geleitet wird,eine Phasenverschiebung erhält.

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Claims (8)

INTERNATIONAL STANDARD ELECTRIC CORPORATION, NEM YORK J-S.Heeks 32 Patentansprüche

1./ Einrichtung zur Messung der Rotationsgeschwindigkeit mit einem spulenförmig angeordneten Lichtwel Lenleiter, bei dem die durch den Sagnac-Effekt verursachte Phasenver-Schiebung ausgewertet wird, und bei dem ein in einer Lichtquelle erzeugter Lichtstrahl in zwei Teilstahlen aufgeteilt wird, wobei diese Teilstrahlen den Lichtwellenleiter gegensinnig durchlaufen, nach dem Durchlaufen einander überlagert und danach einem optisch/elektrischen Wandler, dem eine Auswerteeinrichtung nachgeschaltet ist, zugeführt werden, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Teil des Strahlengangs, in dem der Lichtstrahl bereits in die beiden Teilstrahlen aufgeteilt ist, ein erster (16) und ein zweiter (.18) Phasenraodulator vorgesehen sind, die jeweils periodisch eine erste bzw» zweite Phasenmodulation erzeugen und zwar mit der Periode 4Tfür den ersten Phasenmodulator und der Periode 2T*c für den zweiten Phasenmodu-Lator, wobei "C gleich der Laufzeit eines Teilstrahls im LichtweLlenLeiter ist, daß eine Einrichtung C19) vorgesehen ist, die die Lichtquelle mit der Periode 2t~wirksam bzw. nicht wirksam schaltet und zwar synchron mit dem Modulationssignal des zweiten Phasenmodulators, welches wiederum mit dem Modulationssignal des ersten PhasenmoduLators synchron ist, und daß das Signal, das durch Überlagerung der beiden Teilstrahlen nach dem Durchlaufen des Lichtwellenleiters (1 0) gebildet wird, einer rückgekoppelten Regeleinrichtung (20)zugeführt wird, die Phasenregelsignale für den zweiten Phasenmodulator erzeugt.
ZT/PI-Sm/R, 21.10.1982 - 2 -

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2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die PhasenmoduLationen so gewählt sind, daß während der einen halben Periodendauer ein erster Phasenwert und während der anderen halben Periodendauer ein zweiter Phasenwert eingestellt wird.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils einer der beiden Phasenwerte gleich Null ist.

4". Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenmodulatoren elektro/optisehe phasenschieber sind, die einem oder beiden Enden des spulenförmig angeordneten Lichtwellenleiters zugeordnet sind.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die elektro/optisehen Phasenschieber als integrierte optische Einrichtungen realisiert sind, bei denen der Lichtweg durch Diffusion eines geeigneten Materials in ein Substrat aus Lithiumniobat erzeugt wird und bei denen zur Modulation des Brechungsindex dem Lichtweg benachbart Elektroden, die geeignet angesteuert werden, vorgesehen sind.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das eindiffundierte Material Titan ist.

7. Einrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Phasenschieber durch ein einziges integriertes optisches Bauelement CFig. 2i realisiert sind, das einen optischen Weg und zwei Elektrodengruppen aufweist.

8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zum Schalten der Lichtquelle der Lichtquelle ein Amplitudenmodulator nachgeschaltet ist.

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