DE3239068A1 - Einrichtung zur messung der rotationsgeschwindigkeit - Google Patents
Einrichtung zur messung der rotationsgeschwindigkeitInfo
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Description
J.S.Heeks 32
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
ZT/pl-Sm/R ' -4-
21.10.1982
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J.S.Heeks 32
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
-5-
J.S.Heeks 32
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-
-6-
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J.S.Heeks 32
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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J.S.Heeks 32
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.
J.S.Heeks 32
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.
— 9 —
J.S.Heeks 32
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-
-10-
Il »1
J.S.Heeks 32
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.
Leerseite
Claims (8)
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 -
ZT/PI-Sm/R, 21.10.1982 - 2 -
• · · t
• · I
: : j. XV
J .S.Heeks 32
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.
-3-
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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GB8132314A GB2108652B (en) | 1981-10-27 | 1981-10-27 | Fibre-optic interferometer gyroscope |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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DE3239068A1 true DE3239068A1 (de) | 1983-05-05 |
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Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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DE19823239068 Withdrawn DE3239068A1 (de) | 1981-10-27 | 1982-10-22 | Einrichtung zur messung der rotationsgeschwindigkeit |
Country Status (2)
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DE (1) | DE3239068A1 (de) |
GB (1) | GB2108652B (de) |
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Legal Events
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8127 | New person/name/address of the applicant |
Owner name: STC PLC, LONDON, GB |
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