DE3429592A1

DE3429592A1 - Faseroptisches gyroskop

Info

Publication number: DE3429592A1
Application number: DE19843429592
Authority: DE
Inventors: Arthur John Dr. Southampton Hampshire Barlow; Malcolm Stuart Stevenage Hertfordshire Dye
Original assignee: British Aerospace PLC
Current assignee: BAE Systems PLC
Priority date: 1983-08-13
Filing date: 1984-08-10
Publication date: 1985-02-28
Also published as: US4708479A; GB2162937A; FR2550623A1; JPH0464410B2; JPS60104210A; GB2162937B; FR2550623B1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein faseroptisches Gyroskop und insbesondere auf eine Temperaturstabilisierung des optischen Maßstabsfaktors eines faseroptischen Gyroskops mit Phasen-Null-Abgleich.

Das Prinzip des Phasen-Nul1-Abgleichs bei einem faseroptischen Gyroskop basiert auf dem Sagnac-Interferometer, bei dem eine Phasendifferenz zwischen im Gegensinn fortschreitender Lichtstrahlen durch eine Drehung erzeugt wird. Ein Beispiel eines derartigen Gyroskops ist in der US-PS 42 99 490 beschrieben. Wenn Interferenzstreifen zwischen den Lichtstrahlen gebildet werden, ergibt sich eine Streifenverschiebung, die abhängig ist von der Drehzahl und demgemäß kann ein Drehzahlsensor auf diese Weise gebildet werden, indem die Interferenz-Musterverschiebung beobachtet wird. Bei einem faseroptischen Gyroskop mit Null-Abgleich wird die Verschiebung des Interferenzmusters bzw. die Phasendifferenz, die durch eine Drehzahl aufgeprägt wird, mittels eines Frequenz- oder Phasenmodulators ohne Wechselwirkung auf Null abgeglichen und das Ausmaß der Frequenz- oder Phasenmodulation, die erforderlich ist um einen Nullabgleich der Phasendifferenz herbeizuführen, ist ein Maß der auftretenden Drehung. Das Verhältnis der Frequenz- oder Phasenmodulation zur Drehgeschwindigkeit ist als optischer Maßstabsfaktor S eines Gyroskops bekannt und es hat sich gezeigt, daß sich S mit wechselnden Umgebungstemperaturen ändert, so daß sich Fehler in der Bestimmung der Drehzahl ergeben.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Veränderung von S mit der Temperatur, d.h. den Temperaturkoeffizienten des optischen Maßstabsfaktors weitgehend zu reduzieren.

Gemäß einem Merkmal der Erfindung ist eine Temperatur-Kompensationsvorrichtung für ein faseroptisches Gyroskop vorgesehen, das eine aufgewickelte Faser aufweist, durch die Strahlung in entgegengesetzten Richtungen hindurchläuft, um die Drehung des Gyroskops festzustellen. Dabei prägt die Temperatur-Kompensationsvorrichtung auf die aufgespulte Faser einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf, der so gewählt ist, daß er dem Brechungsindex-Temperaturkoeffizienten der aufgespulten Faser so angepaßt ist, daß die Differenz zwischen den Koeffizienten wenigstens vermindert wird.

Bei einem Kreisel mit Phasen-Null-Abgleich, der ein Frequenzmodulationssystem benutzt kann gezeigt werden, daß die Frequenz F, die an den Modulator angelegt wird, über die Formel F = S<J mit der angelegten Drehzahl ω verknüpft ist, wobei S als optischer Maßstabsfaktor oder optischer Skalierungsfaktor bekannt ist. Bei derartigen Gyroskopen kann gezeigt werden, daß der Temperaturkoeffizient des optischen Maßstabsfaktors gleich ist dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Spule minus dem Brechungsindex-Temperaturkoeffizienten der Faser. Zu diesem Zweck ist die Temperaturkompensationsvorrichtung vorzugsweise so eingerichtet, daß auf die aufgespulte Faser ein thermischer Ausdehnungskoeffizient aufgeprägt wird, der etwa gleich ist dem Brechungsindex-Temperaturkoeffizienten der Faser, so daß auf diese

Weise der Temperaturkoeffizient des optischen Maßstabsfaktors beträchtlich vermindert wird.

Gemäß einer Anordnung umfaßt die Temperatur-Kompensationsvorrichtung einen Formkörper, auf dem die Faser aufgespult ist, wobei der Formkörper aus einem Material besteht, das einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist der so eingestellt ist, daß der Formkörper auf die Spule einen thermischen Expansionskoeffizienten aufprägt, der etwa gleich ist dem Brechungsindex-Temperaturkoeffizienten der aufgespulten Faser.

Gemäß einer anderen Ausbildung der Erfindung umfaßt die Temperatur-Kompensationsvorrichtung einen überzug auf der aufgewickelten Faser mit einem thermischen Expansionskoeffizienten, der auf die aufgespulte Faser einen thermischen Expansionskoeffizienten aufprägt der etwa gleich ist dem Brechungsindex-Koeffizienten der aufgespulten Faser.

Bei beiden Ausführungsformen besteht die Temperatur-Kompensationsvorrichtung vorzugsweise aus einem Material mit relativ hoher thermischer Leitfähigkeit, so daß thermische Gradienten über der Spule vermindert werden.

Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen :

Fig. 1 eine schematische Ansicht einer

ersten Ausführungsform eines faseroptischen Gyroskopes mit einer ersten Ausführungsform von Temperaturkompensationsmitteln ;

Fig. 2 eine Querschnittsansicht einer Faser eines faseroptischen Gyroskopes mit einer zweiten Ausführungsform von Temperatur-Kompensationsmitte In.

Zunächst wird auf Figur 1 der Zeichnung Bezug genommen. Hier ist ein faseroptisches Gyroskop mit Phasen-Null-Abgleich dargestellt, welches eine erste Ausführungsform von Temperatur-Kompensationsmitteln besitzt. Das Gyroskop weist eine Spule 10 einer optischen Monomod-Faser 11 auf, durch die im Gegensinn Lichtstrahlen hindurchtreten, die von einem Laser 12 erzeugt und direkt bzw. über einen Strahlteiler 13 eingeleitet werden und nach Durchlauf der Spule durch den Strahlteiler 13 wieder vereinigt und einem Detektor 14 zugeleitet werden Wenn das Gyroskop einer Rotation CJ ausgesetzt wird, ergibt sich eine Phasendifferenz zwischen den Strahlen, die aus der Spule austreten, und diese Phasendifferenz ist abhängig von der Drehzahl.

Diese Phasendifferenz wird vom Detektor 14 festgestellt und es wird ein Nullabgleich vorgenommen, indem eine Kompensations-Phasendifferenz über einen Frequenzmodulator 15 eingeführt wird. Einer der im Gegensinn

fortschreitenden Strahlen trifft auf den Modulator 15 bevor er durch die Spule 10 hindurchtritt, aber der andere Strahl tritt erst durch die Spule und dann durch den Modulator. Die Strahlen verlassen daher beide die Spule mit der gleichen, nach oben verschobenen Frequenz, aber mit einer Phasendifferenz, die durch die Frequenzverschiebung bestimmt ist, welche durch den Frequenzmodulator 15 und die Länge der Spule eingeführt wird. Wenn das Gyroskop gedreht wird, wird die resultierende Phasendifferenz auf Null abgeglichen, indem die Frequenzverschiebung, die durch den Modulator eingeführt wird, eingestellt wird und es kann gezeigt werden, daß die Frequenzverschiebung (F), die erforderlich ist, auf die Drehzahl (<jj)wie folgt bezogen ist:

F - -2*
λη

Dabei ist:

R = Radius der Phaseroptik-Spule λ = Wellenlänge des benutzten Lichtes η = Brechungsindex der benutzten Faser.

2 R
Der Ausdruck ~ ist als "optischer Skalierungsfaktor"(S)

(optical scale factor) eines Gyroskops bekannt und es ist erwünscht, die Stabilität dieses Ausdrucks mit der Temperatur zu erhöhen und im Idealfall soll der Faktor konstant bleiben, unabhängig von der Umgebungstemperatur.

Es kann gezeigt werden, daß bei einem Phasen-Nullabgleichs-Gyroskop, das einen Frequenzmodulator benutzt und mit einer stabilisierten Frequenz arbeitet, die fraktionierte Änderung des optischen Skalierungsfaktors infolge der Temperatur ^- · -ry- (der optische Skalierungsfaktor-Temperaturkoeffizient) gegeben ist durch :

1 dS 1 d R 1 dn _M, -· — =-· — - -· — .... (1)

S dT R dT η dT

1 d R
Wenn — · -^- der thermische Ausdehnungskoeffizient

R dT

des Spulenradius und - · — der Temperaturkoeffizient

η dT

des Brechungsindex der Faserspule ist, kann gezeigt werden, daß der thermische Ausdehnungskoeffizient des Spulenradius gleich ist dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Faser, d.h. - · — = — · — . Eine

R dT L dT

ähnliche Analyse des Skalierungsfaktors S kann bei einem Phasen-Nullabgleich-Gyroskop angewandt werden, das einen Phasenmodulator anstelle eines Frequenzmodulators aufweist, und deshalb kann das Verfahren und die Vorrichtung zur Temperaturstabilisierung des optischen Skalierungsfaktors auf alle Arten von faseroptischen Gyroskopen zum Nullabgleich benutzt werden.

Die Monomodfasern, die für Faser-Gyroskope geeignet sind, werden gegenwärtig fast ausschließlich aus hochdotierten Si 1iciumgläsern hergestellt, bei denen der Temperaturkoeffizienten des Brechungsindex im Bereich

fi 1

zwischen 6 bis 8 χ 10" °C~ liegt, und zwar abhängig von/\ der Betriebswellenlänge.

Im folgenden wird wieder auf Fig. 1 Bezug genommen. Die Spule 10 ist auf einem Spulenträger 16 aufgewickelt, der aus einem Material (z.B. einem konzentrischen Schichtenaufbau) derart zusammengesetzt ist, daß der radiale thermische Expansionskoeffizient 1 d R

— · — der Faser veranlaßt wird, einen Wert anzunehmen,

R dT

der annähernd dem Brechungsindex-Temperaturkoeffizienten der Faser angepaßt ist. Bei Verwendung einer auf Silicium basierenden Monomodfaser ist der unmodifizierte radiale thermische Expansionskoeffizient sehr niedrig, und er beträgt etwa 5 χ 10 ⁰C , und infolgedessen übt der Formkörper 16 eine Beanspruchung auf die aufgewickelte Faser aus, um einen thermischen Expansionskoeffizienten aufzuprägen, der etwa gleich ist dem Brechungsindex-Temperaturkoeffizienten .

Es hat sich gezeigt, daß infolge der photoelastischen Wirkung der Brechungsindex-Temperaturkoeffizient der Faser absinkt, wenn sie durch den Formkörper beansprucht wird, und zwar grob gerechnet um 20% für eine auf Silicium basierende Faser und demgemäß bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel, und deshalb sollte der thermische Expansionskoeffizient, der der Spule aufgeprägt w
1iegen.

prägt wird, im Bereich zwischen 4,8 bis 6,4 χ 10" ⁰C

Es muß dabei berücksichtigt werden, daß es die Faserspule ist, die veranlaßt wird den speziellen thermischen

Ausdehnungskoeffizienten anzunehmen und nicht der Formkörper. Es kann sich z.B. zeigen, daß infolge der Bündelwirkung von vielen Windungen der Spule der thermische Expansionskoeffizient des Formkörpers selbst wesentlich höher sein muß als jener, den er auf die Spule aufprägt.

Der Spulenformkörper 16 ist außerdem so gewählt, daß Temperaturgradienten über der Spule minimal werden, weil diese, wie es sich gezeigt hat, weitere Fehler einführen und deshalb wird das Material so gewählt, daß die thermische Leitfähigkeit so hoch als möglich wird, während gleichzeitig die thermischen Expansionskriterien, welche oben erwähnt wurden, erfüllt sind.

Die Wahl des Materials für den Spulenformkörper ist sehr weitgehend und geeignete Materialien sind beispielsweise Bor-Silikat-Gläser, z.B. Schottglas Nos. BK 3 und BK 5, die thermische Expansionskoeffizienten von 5,3 χ 10"^6oC~¹ bzw. 6,0 χ 10~⁶°C~¹ im Temperaturbereich zwischen -30⁰C und +70⁰C besitzen und eine

-1 -1 thermische Leitfähigkeit von etwa 1Wm K aufweisen.

Andere Materialien, die diese Kriterien erfüllen, sind dem Fachmann bekannt. Die Auswahl ist eine Frage der Kosten, der Einfachheit der Benutzung, der Verfügbarkeit und so weiter.

Figur 2 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Temperaturkompensationsvorrichtung. In diesem Fall wird der modifizierte thermische Expansionskoeffizient auf die Faser 11 in der Spule durch einen dicken äußeren

Überzug 17 aufgeprägt, der beispielsweise aus Nylon besteht und so gewählt ist, daß ein größerer thermischer Expansionskoeffizient für den aus Faser und überzug zusammengesetzten Körper gebildet wird, als ihn die Faser allein aufweist, und der sich dem Brechungsindex-Temperaturkoeffizienten der Faser annähert.

Die Faser wird auch in diesem Fall noch auf einem Spulenformkörper 16 aufgewickelt, um eine Bewegung der Spule zu verhindern. Aber in diesem Fall besteht der Spulenformkörper aus einem Material, das einen sehr kleinen thermischen Ausdehnungskoeffizienten besitzt, um nicht weitere Spannungen und weitere Skalierungsfaktor-Änderungen einzuführen.

- Leerseite -

Claims

Patentanwälte .;Λ.^{: :}..^: ^:.rO"ipY.-ing. Curt Wallach

Europäische Patentvertreter Dipl.-lng. Günther Koch

European Patent Attorneys Dipl.-Phys. Dr.Tino Haibach

Dipl.-lng. Rainer Feldkamp

D-8000 München 2 · Kaufingerstraße 8 · Telefon (0 89) 2 60 80 78 · Telex 5 29 513 wakai d

Datum: ^{1(K AU}9^{USt 1 984}

British Aerospace _> unser zeichen: 17 979 - K/Ap

Public Limited Company'

100, Pall Mall,

London, SWU 5HR

England 3429592

Faseroptisches Gyroskop
Patentansprüche:

Faseroptisches Gyroskop mit einer aufgespulten Faser, durch die eine Strahlung in entgegengesetzten Richtungen hindurchgeschickt wird, wodurch die Drehung des Gyroskops festgestellt werden kann,

dadurch gekennzeichnet, daß eine Temperatur-Kompensationsvorrichtung (16,17) vorgesehen ist, um auf die aufgespulte Faser (11) einen thermischen Expansionskoeffizienten aufzuprägen, der so gewählt ist, daß er im Hinblick auf den Brechungsindex-Temperaturkoeffizienten der aufgespulten Faser eine solche Größe hat, daß die Differenz dazwischen wenigstens vermindert wird.
2. Faseroptisches Gyroskop nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur-Kompensationsvorrichtung (16,17) auf die aufgespulte Faser (11) einen thermischen Ausdehungs· koeffizienten aufprägt, der etwa gleich in seiner Größe ist dem Wert des Brechungsindexkoeffizienten der Faser.
3. Faseroptisches Gyroskop nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur-Kompensationsvorrichtung ein Formkörperelement (16) aufweist, auf dem die Faser (11) aufgespult ist.
4. Faseroptisches Gyroskop nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur-Kompensationsvorrichtung einen Überzug (17) aufweist, der auf die aufgespulte Faser (11) aufgebracht ist.
5. Faseroptisches Gyroskop nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur-Kompensationsvorrichtung (16,17) aus einem Material besteht, das eine relativ hohe thermische Leitfähigkeit besitzt, wodurch thermische Gradienten über der Spule vermindert werden.
6. Faseroptisches Gyroskop nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Formkörperelement (16) aus Bor-Si1icat-Glas-Material besteht.