DE3401640A1

DE3401640A1 - Einrichtung zur messung der drehgeschwindigkeit

Info

Publication number: DE3401640A1
Application number: DE19843401640
Authority: DE
Inventors: Michael Christopher Harlow Essex Bone
Original assignee: International Standard Electric Corp
Current assignee: Safran Electronics and Defense Germany GmbH
Priority date: 1983-01-21
Filing date: 1984-01-19
Publication date: 1984-07-26
Anticipated expiration: 2004-01-20
Also published as: GB2134248B; GB2134248A; DE3401640C2; AU2329184A

Description

M.C. Bone-3

Einrichtung zur Messung der Drehgeschwindigkeit

Die Erfindung geht aus von einer Einrichtung zur Messung der Drehgeschwindigkeit, bei der ein Lichtstrahl in zwei TeilstrahLen aufgeteilt wird und bei der die'beiden Teilstrahlen einen sch lei f enf örtni gen Lichtweg in entgegengesetzten Richtungen durchlaufen. Die Drehgeschwindigkeit wird durch Auswertung des Sagnac-Effekts ermittelt.

Solche Einrichtungen, bei denen der Lichtweg' durch eine spulenförmig angeordnete Lichtleitfaser gebildet wird, bei der Strahlungsteiler und Strahlungsvereinigungsein-' richtungen vorgesehen sind, bei der der aufzuteilende Lichtstrahl in einem Laser erzeugt wird, bei der die beiden Teilstrahlen nach dem gegensinnigen Durchlaufen der Lichtleitfaser einander überlagert werden und bei denen die Drehgeschwindigkeit aus dem Ausgangssi g'n al eines optisch-elektrischen Wandlers ermittelt wird, sind an sich bekannt. Sie sind beispielsweise in dem Aufsatz von Shih-Chun Lin und Thomas G. Giallorenzi in "Sensitivity analysis of the Sagnac-effect optical-fibre ring interferometer"in Applied Optics, Band 18, Nr. 6,

15. März 1979, beschrieben. Wenn die Teilstrahlen einander überlagert werden, entstehen ringförmige Muster. Bei einem stationären System werden feste. Muster gebildet, wobei deren Form von der Abbildungsoptik abhängen. Wenn sich ein solches System um die Spulenachse dreht, dann bewegen sich die Ringe, und es ist durch eine geeignete

ZT/P1-Sm/Ni, 11.01.1984 . . . _ "

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Auswertung möglich, die Drehgeschwindigkeit zu bestimmen.

Abhängig von der Realisierung einer solchen Heßeinrichtung (z. B. Betriebswellenlänge λ , Länge L der lichtleitfaser, usw.) und dem Bereich der zu bestimmenden Drehgeschwindigkeiten werden zur Auswertung ein Ring oder mehrere Ringe hörangezogen. Bei der Auswertung sind vor allem die nachfolgend aufgeführten Schwierigkeiten vorhanden:

1. Das Sensorausgangssignal ist statisch (eine Gleichspannung für eine konstante Drehgeschwindigkeit), 2. Die Nichtlirtearität des Ausgangsstromes hinsichtlich der Phasenabweichung, und 3. Ein durch Störungen verursachter Gleichstromanteil.

Die Einrichtung kann, wie von Ling und Giallorenzi gezeigt, verbessert werden, indem man ein zweites komplementäres Ringmust er vorsieht und man diese einem Differenzverstärker zuführt. Die 180 Phasenverschiebung für den zweiten Ring kann auf an sich bekannte Weise, nämlich durch eine zusätzliche Reflexion in dem Lichtweg, erzeugt werden. Dadurch werden vor allem der.durch Rauschen verursachte Gleichstromanteil beseitigt. Bei dieser Anordnung ist es weiterhin von Vorteil, daß die beiden Ausgangssignale ein Maß sind für die.gesamte auf dem Sensor auftreffende Energie und daß es mittels einer Rückkoppelschleife möglich ist, die Quellenleistung konstant zu ■ halten."

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Es ist jedoch schwierig, bei einer solchen Einrichtung die notwendige Stabilität hinsichtLich der Gleichstrombzw. Gleichspannungsauswertung zuerreichen..Außerdem macht sich niederfrequentes Rauschen bei einigen Detektoren störend bemerkbar. Eine WechseIspannung-oder Wechselstromauswertung beseitigt diese Probleme. Ling und Giallorenzi machen einige Vorschläge zur wirksamen Modulation und synchronen Gleichrichtung bei einem ■Überlagerungssystem. Bei einer solchen Modulation müssen die entgegengesetzt umlaufenden optisehen Signa Ie getrennt werden,und es muß eine unterschiedliche Phasenbeeinflußung erfolgen.

Die neue Einrichtung zur Messung der Drehgeschwindigkeit wird anhand der Zeichnungen beispielsweise näher e r läutert. Es zeigt:

Fig. 1 ein Blockschaltbild der neuen Einrichtung zur Messung der Drehgeschwindigkeit,

Fig 2 den Phasenverlauf des Ausgangssignals der neuen Einrichtung,

Fig. 3 Signale für die . Phasenmodulation für die Einrichtung nach Fig. 1,

eine schematische Darstellung-der in der Technik der integrierten Optik realisierten Phasenmodulatoren, und Fig. 5 bis 7 Phasenmodulationssignale.

Die Einrichtung zur Messung der Drehgeschwindigkeit gemäß Fig. 1 enthält eine Lichtleitfaser 10, die in Form einer einzelnen oder Mehrfachschleife angeordnet ist. über

—ö -·

.1. ^:·.""3Α01640

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AbbildungsLinsen 11 und 12 wird Licht von einem Strah-Lungsteiler 13 in die Lichtleitfaser ein-oder ausgekoppelt. Ein Laser 14 erzeugt einen Lichtstrahl, der durch den Strahlungsteiler 13 in zwei Teilstrahlen aufgeteilt wird. Die beiden Teilstrahlen, die mittels des Strahlungsteilers nach dem Durchlaufen der Lichtleitfaser einander überlagert werden, gelangen zu einem Fotodetektor 15. (Die anderen Bauteile, die in der Fig. 1 dargestellt sind, werden zunächst nicht berücksieht igt). Das von dem Laser 14 abgegebene Licht wird von dem Strahlteiler 13 in zwei Teilstrahlen aufgeteilt , und es wird jeweils ein Teilstrahl einem-Ende der Lichtleitfaser 10 zugeführt. Die beiden Teilstrahlen breiten sich in der Lichtleitfaser gleichzeitig, jedoch in entgegengesetzten Richtungen aus. Nach dem Durchlaufen der Lichtleitfaser und nach dem Auskoppeln wird jeder Teilstrahl durch den Strahlungsteiler 13 erneut aufgeteilt, und es gelangt jeweils eine Hälfte eines Teilstrahls zu dem Fotodetektor 15. Die beiden zu dem Fotodetektor 15 gelangenden Teilstrahlen interferieren miteinander in der Ebene des Fotodetektors. Dadurch entsteht ein Interferenzmuster, das die Form von konzentrischen Interf erenzn'ngen hat. In einem genaujustie rten optischen System ist nur der mittlere Ring vorhanden, und diese mittlere Fläche wird auf den Fotodetektor abgebildet. Wenn sich jetzt die Meßeinrichtung um die Spulenachse (die Achse senkrecht auf der Ebene, die die Schleifen bilden) dreht, dann entsteht zwischen den -

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beiden TeilstrahLen eine Phasendifferenz, und dies hat zur Folge, daß sich die Lichtintensität auf dem Fotodetektor ändert. Das AusgangssignaL des Fotodetektors als Funktion der sich ändernden Phasendifferenz A© <jie durch die Drehung bedingt ist, hat den in der Fig. 2 dargestellten Verlauf. Die mittlere Spitze für den Ausgangsstrom I ist bei der Drehgeschwindigkeit 0 vorhanden; bei sich ändernden Drehgeschwi ndi gkei ten f ä'l It die Kurve zur ersten Nullstelle ab und nimmt dann wieder zu einer zweiten Spitze zu usw.

Es ist prinzipbedingt, daß am Ausgang des Fotodetektors ein Gleichstromsignal vorhanden ist, wenn sich die. Einrichtung mit einer konstanten Drehgeschwindigkeit dreht. Ein Wechselstromausgangssignal erhält man, wenn man die optischen Signale phasenmoduliert. Zur Phasenmodulation ist ein Phasenmodulator 16 vorgesehen, der als e.lektrooptisches Bauelement oder als ein anderes Bauelement realisiert ist und der^wie in Fig-1 dargestellt, an einem Ende der schleifenförmigen Lichtleitfaser, angeordnet ist.

Dieser Phasenschieber wird von einem Phasenmodulator 17 angesteuert, der ein Signal an den Phasenschieber mit einer Frequenz 1/4τ. abgibt, wobei ^τ die Laufzeit des optischen Signals durch die sch Leifenförmige Lichtleitfaser 10 ist. Als Folge der asymmetrischen Anordnung des Phasenschiebers 16 erfahren die beiden Teilstrahlen, die die Lichtleitfaser im Uhrzeigersinn und entgegen des Uhrzeigersinns durchlaufen_runterschiedliche Phasenverschiebungen. Dies führt zu einer Phasenmodulation des Sagnac-Signals mit der Frequenz 1/4^τ, was eine Amp I itudenmodu-

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Lation des AusgangssignaLs des Fotodetektors zur FoLge hat.

Das Hinzufügen eines zweiten Phasenmodu I ators macht es möglich, daß man eine nicht zyklische Phasenverschiebung· erhält. Dies ist die Basis dafür, daß das Sagnac-Signal zu null geregelt werden kann und daß die Nullregelung in einer geschlossenen Regelschleife erfolgt . Bei der in der Fig. 1 gezeigten Einrichtung erfolgt eine solche Nullregelung. Zur Nullregelung sind ein Phasenschieber 18 und der Fotodetektor 15, der synchron abgetastet wird, vorgesehen. Der Phasenschieber 18 kann ebenfalls ein elektrooptisch er Phasenschieber sein, und dieser ist ebenfalls zwischen der Linse 11 und dem Ende der Lichtleitfaser an-

geordnet. Er wird angesteuert durch die Einrichtung 19, die ein Ansteuersignal mit der Frequenz T / 2 τ erzeugt.

Die Einrichtung 19 dient zur Nu 11 rege lung. Bedingt durch ■ die asymmetrische Anordnung des Phasenschiebers 18 und die anhand der Figur 3 zu erläuternden Frequenzen der Ansteuersignale erfahren der Teilstrahl im Uhrzeigersinn und der Teilstrahler entgegen des Uhrzeigersinns gleiche und entgegengesetzte elektrisch erzeugte Phasenverschiebungen. Dies führt zu einer Phasenmodulation dis Sagnac-Signals der Frequenz 1/2^τ , mit der die Phasennullrege -■ lung erfolgt, und dies hat zur Folge, daß das Fotodetektoraus~gangssignal der Meßeinrichtung amplitudenmoduliert ist.

Wenn keine durch den Sagnac-Effekt bedingte Phasenverschiebung vorhanden ist, und wenn das Modulatiorissignal,das dem"Phasenschieber 18 zugeführt wird. Null ist dann enthält das Ausgangssignal des Fotodetektors bei der Frequenz 1/4^r keine Modulationskomponente. Dies entspricht dem Zustand, daß um den Punkt herum, der in der Figur 2 die

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Phasendifferenz NuLL angibt , eine PhasenmoduLation vorhanden ist. Umgekehrt hat das Ausgangssigna L des Foto-" detektor bei der Frequenz 1/4τ seinen Maximalwert, wenn die Sagnac-Phasendifferenz auf ^π/2 angewachsen ist. Aufgabe der geschlossenen Regelschleife ist es, über die Amolitude und das Vorzeichen des Steuersignals für den Phasenschieber 18 die Phasendifferenz auf Null zu regeln. Durch die Amplitude und das Vorzeichen des Steuersignals

■"* für- den Phasenschieber 18 ist im eingeregelten Zustand die Drehgeschwindigkeit bestimmt.

Es ist von Vorteil, die beiden elektro-optischen Phasenschieber 16 und 18 zur Phasenmodulation und zur Phasennullregelung als ein integriert optisches Bauelement, wie in Figur 4 dargestellt , zu realisieren. Durch die Einrichtung 19, die den Phasenschieber 18 zur Phasennullregelüng steuert, wird auch die Abtastung des Fotodetektors 15 gesteuert. In der Figur 3 sind sowohl die Steuersignale für die beiden Phasenschieber und das Abtastsignal für den Fotodetektor dargestellt und zwar zusammen mit den jeweils durch die Phasenverschiebung sich ergebenden Signalen.

Es sind-voneinander getrennte Phasenmodulatoren vorzuziehen, weil dann FiLterprobLerne vermieden werden, die dann ent-, stehen würden, wenn beide ModuLations signaIe demselben Modulator zugeführt wurden. Dies macht es dann auch möglieh, den Modulator für die Nullregelung länger auszulegen, was von Vorteil ist hinsichtlich des Zustandes, bei dem mehrere Ringe vorhanden sind am oberen Bereich des Dynamikbereichs.

Es'ist von Vorteil, daß die oben beschriebenen Phasenmodulatoren Leicht in der Technik der integrierten Optik realisiert werden können. Dies gilt jedoch mit Ausnahme für die Lichtleitfaser, auch für die anderen optischen Elemente

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wie Z. B. den Laser und den Fotodetektor. Diese können auf einem einzigen integriert optischen Bauelement mit vier Anschlüssen realisiert werden. Bezüglich des gesamten Systems ist zu bemerken, daß die in einander entgegengesetzten Richtungen sich ausbreitenden Wellen dieselbe Frequenz aufweisen und daß die minimaler* Phasen- (Weg-) Differenzen, die die Phasenmodulation und das Nullregelsignal erzeugen, bei einem monolithisch, integrierten Bauelement mit höchster Genauigkeit geregelt werden können.

Wie in der Figur 4 dargestellt,besteht das integriert optische Bauelement aus einem Substra't 20 aus Lithiumm'obai und durch Eindiffundieren von beispielsweise Titan wird ein Wellenleiter 21 in dem Substrat erzeugt'. Seitlich zu und parallel zu dem Wellenleiter-Kanal 21 sind zwei Paar Met a 11 elektroden 22, 22a für die Pha sennu 11 rege lung und 23, 23a für den PhasenmoduLator auf der Oberfläche des ' ■ Substrats aufgebracht. Wenn an ein E lektrodenpaar -eine Spannung angelegt wird, wird quer zu dem Kanal ein elektrisches Feld erzeugt,und dieses bewirkt eine Änderung des Brechungsindex des optischen Wellenleiters, was wiederum eine Phasenverschiebung, des Lichts,das sich im Wellenleiter ausbreitet, zur Folge hat.

Bevor auf die Wellenformen für die Modulation näher eingegangen wird, erfolgen zunächst einige Überlegungen hinsichtlich den Bedingungen, die zur Realisierung einer geschlossenen Rege I sch Leife notwendig sind. Wenn die Phasendifferenz zwischen dem Teilstrahl, der sich im Uhrzeigersinn (CW) und dem Teilstrahl, der sich im Gegenuhrzeigersinn (CCW) ausbreitet mit einer Frequenz f moduliert ist, dann variiert die Amplitude des optischen Ausgangssignals mit 2 f, vorausgesetzt/die Phasenmodulation ist zum Nullpunkt symmetrisch (siehe Figur 5a). Eine asymmetrische Phasenmodulation erzeugt ein Ausgangssignal, das Komponenten sowohl bei der Frequenz f als auch bei der Frequenz 2 f enthält (siehe Figur 6a). In den Figuren 5b und 6b

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sind hierzu alternative Wellenformen dargestellt. Da die Änderung von Figur 5 zu Figur 6 Cd. h. eine konstante Phasenverschiebung) durch den Sagnac-Effekt verursacht wird, ist jedes Signal, das diese Phasenver-Schiebung ausregelt Cd. h. selbst beim Vorhandensein einer Rotation erhält man die in der Figur 5 dargestellten Eigenschaften) ein Maß für den Sagnac-Effekt. Die Null-Bedingung ist dann erreicht, wenn im Ausgangs-' signal kein Anteil mit der Frequenz f mehr vorhanden ist.

Der wesentliche Unterschied der Phasenmodulationswellen- ' formen nach den Figuren 5 und 6 ist, daß gleiche Phasenänderungen um den Nullpunkt herum den ausgeregelten Zustand erzeugen (Figur 5), während dies für ung leiehe Abweichungen nicht der Fall ist (Figur 6). Berücksichtigt man dieses, dann erkennt man, daß die Modulationssignale sinusförmige Signale sein können.

Unglücklicherweise kann jedoch die Addition von symmetrischen Sinuswellen keine asymmetrische Resultierende • erzeugen, und deshalb muß das Ausgangssignal abgetastet werden, wenn auch auf Kosten einer Reduzierung der Energie, die zum Fotodetektor gelangt.. Das abgetastete Ausgangssignal ist für den Zustand, für den noch eine Nullregelung erforderlich ist und für den Zustand, in dem die Nullregelung bereits erfolgt ist, in der Figur 7a bzw. 7b dargestellt. Bei der in der Figur 7a darge-

• stellten Wellenform ist eine Komponente mit der Grundfr equenz (Modulation) enthalten, während dies bei der Wellenform gemäß Figur 7b nicht der Fall ist.

Nimmt man, wie in der Figur 1 dargestellt, an, daß sich die Modulatoren an dem Ende der Lichtleitfaser, an dem der CW-Lichtst rah I angekoppelt wird, befindet, dann' sind die Phasen der Wellen nach dem Durchlaufen der

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^:-.^: .:. ^:..^:*Ί'34Ο164Ο

Lichtleitfaser zu beschreiben durch:

Phase von CW _out = φ ^n C^^iJ 4 Ά SiH (cu_n-t f Θ) 4 S Phase von CCW_out = φ S.Vt tc,„ ("t+t J+ tf ^H (co„__{it + x) iθ)

mit

10

15

20

φ ^S ModuI at ι on samp Litude

W ^B Amplitude der Modulation zur Nullregelung

Modu I a t ο r f requenz

Frequenz der Modulation zur Nullregelung Laufzeit in der Lichtleitfaser , ,

Phasendifferenz zwischen den Signalen zur Null regelung und Modulation
Sagnac-Phase

Die Amplitude des Ausgangssignals ist bestimmt durch die Phasendifferenz zwischen diesen beiden Wellen, d. h.

p.a.

(>_kl )) -2s d.U.
* Z φ cos Cw_mi-τ- MyT

t f θ

(co_H it+X J +

CA)

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Die abgetastete Welle muß, übertragen auf die Phasendifferenz nach Gleichung C1), folgenden Bedingungen genügen:

H-*S (2) , wenn die 1. Harmonische zu null geregelt werden soll. Dies erreicht man/ wenn die Abtast frequenz gleich

ist. Dies'gilt für den ί,φ -Ausdruck. Für den IV) - Ausdruck ist gefordert:

Die Wahl der absoluten Frequenz ist in gewissen Grenzen willkürlich, vorausgesetzt es ist

τ + m.<r, avc 4 5 τ ,- tu=0, <, ζ

In diesem Fall werden die ώ~ und H ■ - Ausdrücke null. · Wenn das "Null-Signal" maximiert werden soll, dann ergibt sich aus Gleichung CD:

, COPy¹

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Wenn U}^ minimiert werden soll, dann sind k = ΰ = 0 und ] groß zu wählen. Ein großes j vergrößert jedoch 6.O .ι (aus Gleichung (4). Deshalb wird Pr^ gewählt. Damit ergibt sich:

■ \ - JL 11* χ. _f-

CO. - ZwJ₁Vi JM. -f_s = -i-

Einsetzen in Gleichung (1) ergibt:

-]0 Da es erforderlich ist, daß die (Φ-undtO -Wellen jur gleichen Zeit ihren Maximalwert erreichen, um einen maximalen Wirkungsgrad zu erzielen, wird θ~0 gewählt.

Die abgefastete Phasendifferenz ist

P A. =\ίζφ ω;> Mir 12η -2s

oder ρ .^ IiA φ f2n -2s . ' ■ C 7)

mit ι'J - 01 Y, Z . ist die Nummer der Abtastung. Gleichung (7) hat die verlangte Form. Mit 2n+2s' "ist die Wellenform um die Phasendifferenz null herum asymmetrisch und erzeugt ein Ausgangssignal mit der Grundfrequenz (jj ,

^O Mit Ih-Z^ ist die Wellenform symmetrisch» Bei der Grundfrequenz ist kein Signal vorhanden,und es ist eine Regelung zu null erfolgt. Die Amplitude^ ist ein direktes Maß für die Sagnac-Phase /₃ . Die optimale Modulationsfrequenz ergibt sich aus der Laufzeit durch die Lichtleit-

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faser und ist ^-i/ψ^ . Auf Kosten einer größeren AmpLitude des Ansteuersigna Ls kann sie verringert werden, SowohL die ModuLation zur NuLLregeLung als auch die Abtastfrequenz können beide gleich 2,-fL, gewählt werden,

¹WI

Leerseite

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Claims

*-* ·:· "··· : 3A01640 INTERNATIONAL STANDARD ELECTRIC CORPORATION NEW YORK M.C.Bone 3 Patentansprüche

1. ) Einrichtung zur Messung der Drehgeschwindigkeit, bei

r ein Lichtstrahl in zwei Teilstrahlen aufgeteilt wird und· bei der die beiden Teilstrahlen, einen schleifenförmigen Lichtweg in entgegengesetzten Richtungen durchlaufen, d a durch ,,gekennzeichnet, daß im Lichtweg

ein erster (18) und ein zweiter ^16) Phasenmodulator Vd.r- _s,^;

handen sind, die Phasenmodulation mit Signalen, deren Peri- ,

odendauern 2τ bzw. 4τ sind,"mit τ gleich Laufzeit des Lichts in dem schleifenförmigen Lichtweg, erzeugen, daß die beiden HodulationssignaIe zueinander synchron sind, daß eine rückgekoppelte Regeleinrichtung (20) vorhanden ist, daß dieser Regeleinrichtung die nach dem Durchlaufen des schleifenförmigen Lichtwegs einander überlagerten Teilstrahlen zugeführt werden, und daß diese Regeleinrichtung das Regelsignal zur Synchronisation der ModulationssignaIe abgibt.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das durch Überlagerung erzeugte S.ignall mit der Frequenz 1/2 τ ' abgetastet wird, daß die Regeleinrichtung die Amplitude und das Vorzeichen des Modulationssignais mit der Periodendauer 2τ regelt, und .daß aus dem Rege I signal die Drehgeschwindigkeit ermittelt wird.

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■'\ 3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der spulenförmige Lichtweg eins Lichtleitfaser ist und daß die PhasenmoduLatoren elektro-optische Phasenschieber sind, die an das Ende oder die Enden der Lichtleitfaser gekoppelt sind.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die elektro-optisehen Phasenschieber in der Technik der integrierten Optik realisiert sind, daß sie aus einem Substrat aus Lithiumniobat bestehen, in dem durch Eindiffundieren -ein Lichtwellenleiter erzeugt ist, daß seitlich des Lichtwellenleiters Elektroden vorgesehen sind,und daß durch Anlegen einer Spannung an die Elektroden der Brechungsindex des Lichtwellenleiters verändert wird.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet daß zur Erzeugung des Lichtwellenleiters Titan eindiffundiert wir-d,

6. . Einrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Phasenschieber als eine einzige integrierte optische Einrichtung realisiert sind und daß ein einziger Lichtwellenleiter mit zwei Elektrodenpaaren vorgesehen i st.

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