DE3436249A1 - Verfahren zur messung absoluter drehungen und anordnung zur durchfuehrung des verfahrens - Google Patents

Description

• Beschreibung
• "Verfahren zur Messung absoluter Drehungen und Anordnung zur Durchführung des Verfahrens" Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung absoluter Drehungen und eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach den Oberbegriffen der Patentansprüche 1 und 4.
• Ein derartiges Verfahren ist bekannt aus der DE-OS 31 15 804. Dort ist ein faseroptisches Ringinterferomter beschrieben, bei dem zwischen zwei faseroptischen Richtkopplern ein Polarisator angeordnet ist, der sowohl von dem von einer Halbleiter-Lichtquelle ausgesandten Licht durchlaufen wird als auch von dem zu detektierenden Licht.
• An einem Ende des faseroptischen Ringes, z.B. ein Spulenkörper mit einem Außendurchmesser von ungefähr 50mm, auf dem ein Quarzglas-Lichtwellenleiter mit einer Länge von ungefähr lkm aufgewickelt ist, ist ein elektrooptischer Phasenmodulator vorhanden. Dieser wird angesteuert von einem elektrischen Wechselspannungsignal, das durch eine Meßfrequenz gekennzeichnet ist. Bei dem im faseroptischen Ring in entgegengesetzten Richtungen umlaufenden Licht wird dadurch eine Phasenmodulation erzeugt, auf welche die zu messenden Drehungen einwirken. Das von einem Photodetektor empfangene optische Signal wird ausgewertet bei der Meßfrequenz und deren Harmonischen.
• Dabei wird zur Messung der Drehraten der sogenannte Sagnac-Effekt ausgenutzt. Es entsteht eine Phasenverschiebung 4, welche proportional zur Drehrate Q ist. Der genaue Zusammenhand ist gegeben durch wobei bedeuten: L = Länge des Lichtweges im faseroptischen Ring D = Durchmesser des faseroptischen Ringes

  ;\ =Wellenlänge 1 des Lichtes im faseropti-

  c = Geschwindigkeit ) schen Ringes.

• Durch Verwendung eines dielektrischen Wellenleiters (Glasfaser) lassen sich kleine kompakte Anordnungen realisieren. Als Lichtquelle für derartige Anordnungen werden vorzug Halbleiterbauelemente wie Halbleiterlaser oder Superlumineszenzdioden eingesetzt. Diese Lichtquellen haben in nachteiliger Weise die Eigenschaft, daß die Emissionswellenlänge & vom Injektionsstromvon der Temperatur und/oder von der Alterung des Halbleiterbauelementes abhängt. Die Beziehung (1) zeigt, daß die Drehratenmessung von der Wellenlänge t abhängt. Durch eine störende Änderung der Emissionswellenlänge 1 kann daher eine nicht vorhandene Änderung der zu messenden Drehrate vorgetäuscht werden. Für hochgenuae Drehratenmessungen ist daher eine Messung der Wellenlänge zl erforderlich. Eine Wellenlängenmessung z.B. mittels eines Gittermonochromators führt aber zu sehr aufwendigen, schweren Anordnungen, die daher in unwirtschaftlicher Weise handhabbar sind.
• Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes Verfahren anzugeben und eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens, so daß es möglich wird, im faseroptischen Ring eine hochgenaue Messung der Wellenlänge des benutzten Lichts in einer kostengünstigen sowie gewerblich anwendbaren Weise durchzuführen.
• Diese Aufgabe wird gelöst durch die in den kennzeichnenden Teilen der Patentanspüche 1 und 4 angegebenen Merkmale.
• Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind den Unteransprüchen entnehmbar. Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, daß zur Messung der Wellenlänge des benutzten Lichts lediglich elektronische Bauelemente benötigt werden, die in kostengünstiger Weise herstellbar sind, z.B. als sogenannte integrierte Schaltung auf einem Halbleiterchip. Dadurch wird außerdem eine räumlich kleine sowie zuverlässige Ausführungsform ermöglicht.
• Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert unter Bezugnahme auf eine schematische Zeichnung.
• Die Figur zeigt ein schematisches Blockbild zur Erläuterung der Erfindung.
• Das von einer Halbleiter-Lichtquelle i, z.B. ein Halbleiterlaser oder eine Superlumineszenzdiode, erzeugte Licht gelangt über einen ersten Richtkoppler 2, sowie einen Polarisator 3 zu einem zweiten Richtkoppler 4, welcher das Licht in beide Enden eines faseroptischen Ringes 5 einkoppelt, so daß es diesen in entgegengesetzten Richtungen durchläuft. An einem Ende des faseroptischen Ringes 5 ist mindestens ein Phasenmodulator 6 angeordnet, der zur Messung der Drehrate mit einem elektrischen Wechselsignal angesteuert wird, das durch eine zugehörige Meßfrequenz gekennzeichnet ist. Das entsprechende optische Ausgangssignal wird durch den Photodetektor 7 in ein elektrisches Signal umgewandelt, aus dem die zu messende Drehrate bestimmt wird entsprechend der eingangs erwähnten DE-OS 31 15 804. Die Erfindung beruht darauf, daß bei einer derartigen Anordnung die Wellenlänge des benutzten Lichts bestimmt wird aus der wellenlängenabhängigen Laufzeit des Lichts durch den faseroptischen Ring 5. Dazu wird das Licht benutzt, das durch den zweiten Richtkoppler 4 in zwei Teilwellen aufgespalten wird und in die beiden Enden des faseroptischen Ringes 5 eingekoppelt wird.
• Die beiden Teilwellen durchlaufen den Phasenmodulator 6 mit einer zeitlichen Verzögerung entsprechend der Laufzeit des Lichtes durch den faseroptischen Ring 5. Die beiden Teilwellen werden im zweiten Richtkoppler 4 wieder vereinigt und gelangen über Polarisator 3 und ersten Richtkoppler 2 zum Photodetektor 7. Durch die entstandene optische Interferenz der beiden Teilwellen ist die optische Intensität I am Photodetektor 7 von der Phasenverschiebung 2+ (vgl. Formel (1)) zwischen den beiden Teilwellen abhängig gemäß der Formel: I - i+ cos (2#) (2) Durch den Phasenmodulator 6 wird eine weitere, zeitabhätlgige Phasenverschiebung erzeugt: wobei y(t) der zeitabhängige Phasenhub des Modulators ist.
• Bei sinusförmiger Phasenmodulation gemäß # (t) =# m sint(#mt) (4) #m =maximaler Phasenhub, # m = Modulationskreisfrequenz ergibt sich: Für die Intensität I am Photodetektor 7 gilt: Einsetzen von Formel (5) in Formel (6) und eine Fourierzerlegung liefert eine Reihe von Harmonischen der Kreisfrequenzen WmX 2 wem 1 3 #m, ect..
• Für die zweite Harmonische gilt: wobei J2 die Besselfunktion 2ter Ordnung darstellt.
• Wenn die Kreisfrequenz sm die Bedingung m #m. #L = n.## n = 1,2,3,... (8) verfüllt, wird I2 (t) = 0. Damit st die Möglichkeit gegeben, die Laufzeit VL zu messen.
• L Die Funktion #L(α) (h) ist bekannt, z.B. aus einer Eich-L messung und kann in Form einer Wertetabelle z.B. in einem Halbleiterspeicher abgelegt werden. Diese Funktion kann für einen Quarzglas-Lichtwellenleiter näherungsweise durch eine Parabel mit einem Minimum bei # = 1,3um dargestellt werden. Aus dieser Funktion wird die Wellenlänge bestimmt.
• Die Messung der Laufzeit L ist möglich mit einer in der Fig. dargestellten Anordnung. Eine der Modulationskreisfrequenz m = 2#fm entsprechende Modulationsfrequenz f m m wird erzeugt in einem spannungsgesteuerten Oszillator 10, "voltage controlled oscillator", welcher die doppelte Modulationsfrequenz 2fm erzeugt, und einem nachgeschalte- ten 2:1-Frequenzteiler 9. Ein elektrisches Signal mit der Modulationsfrequenz m wird dem Phasenmodulator 6 und der Auswerteeinheit 11 zugeführ, die z.B. einen Frequenzzähler enthält. Das vom Photodetektor 7 erzeugte elektrische Signal wird einem phasenempfindlichen Gleichrichter 8, z.B. einem Synchrondemodulator, zugeführt und mit Hilfe der vom Oszillator 10 erzeugten doppelten Modulationsfrequenz 2f ausgewertet. Das am Gleichrichter 8 entstem hende Ausgangssignal wird über einen Regler 12, z.B. einem Proportional-Integral-Regler, dem Steuereingang des Oszillators 10 zugeführt. Der beschriebene Regelkreis ist derart ausgebildet, daß die doppelte Modulationsfrequenz 2f solange verstellt wird bis die zugehörige Intensität m I2 O(t) am Photodetektor 7 einen vernachlässigbaren Wert annimmt gegenüber den sonstigen Anteilen der Intensität, vgl. Formel (7). Die zu diesem vernachlässigbaren (Intensitäts-)Wert gehörende Modulationsfrequenz ist a1SMeß-Modulationsfrequenz bezeichnet, aus der in der Auswerteeinheit 11 gemäß Formel (8) die'LaufzeitSUL und/oder die gesuchte Licht-Wellenlänge bestimmt wird. Es ist weiterhin möglich in der Auswerteeinheit 11 ein elektrisches Korrektursignal zu erzeugen, das von der Wellenlänge abhängt und das eine selbsttätige Korrektur der Messung der Drehrate gemäß Formel (1) ermöglicht. Es ist zweckmäßig die Modulationsfrequenz wesentlich größer zu wählen als die Meßfrequenz zur Messung der Drehrate. Bei diesen Verfahren werden die Meß-Kreisfrequenzen #1, 2#1, 4 ausgewertet. Um störende Interferenzen zwischen den Harmonischen und den -Harmonischen zu vermeiden muß in diesem Fall gewählt werden.
• Die mit der Erfindung erreichbare Genauigkeit der (Licht-) Wellenlängenmessung wird anhand des folgenden Beispiels erläutert: Bei einer Meßfrequenz von 200kHz wird die Modulationsfrequenz f = 1,2 MHz gewählt. Eine angenommene Änderung von m - =20 I4Z ergibt aufgrund der Formel (8) eine Wellenlängenänderung as= 0,82 nm. Dabei hat der faseroptische Ring einen Lichtwellenleiter mit einer Länge L = 1km, sowie einer Dispersion D - 100ps/(km nm) bei einer Licht wellenlänge A= 800 nm.
• Die Erfindung ist nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt, sondern sinngemäß auf weitere anwendbar. Beispielsweise ist es möglich , den beschriebenen analog arbeitenden Regelkreis durch einen digital arbeitenden zu ersetzen, z.B. unter Verwendung eines Mikroprozessors. Es ist weiterhin zweckmäßig, in der Auswerteeinheit mindestens einen Mikroprozessor zu verwenden zur Berechnung der Lichtwellenlänge und/oder eines dieser entsprechenden Korrektursignales.

Claims (6)

1. Patentansprüche 1. Verfahren zur Messung absoluter Drehungen, - bei welchen ein faseroptisches Ringinterferometer benutzt wird, das an einem Ende des faseroptischen Ringes einen elektrooptischen Phasenmodulator enthält, - bei welchem auf ein den faseroptischen Ring in entgegengesetzten Richtungen durchlaufendes Licht eine Phasenmodulation ausgeübt wird mit einer im wesentlichen periodischen Meßfrequenz und - bei welchem die Drehungen ermittelt werden aus elektrischen Signalen, die zu der Meßfrequenz sowie deren Harmonischen gehören, dadurch gekennzeichnet, - daß die Laufzeit des Lichts durch den faseroptischen Ring (5) gemessen wird, - daß aus der Laufzeit die Wellenlänge des Lichts bestimmt wird und - daß die Wellenlänge bei der Bestimmung der zu messenden Drehung berücksichtigt wird.
2. 2. Verfahren zur Messung absoluter Drehungen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufzeit des Lichts durch den faseroptischen Ring (5) gemessen wird durch ein Phasenmodulationsverfahren mit einer Modulationsfrequenz, die wesentlich größer ist als die Meßfrequenz, daß bei dem Ringinterferometer aus dem elektrischen Signal des Photodetektors (7) derjenige Amplitudenanteil ermittelt wird, der zur zweifachen Modulationsfrequenz gehört, daß die Modulationsfrequenz solange geändert wird, bis der zur zweifachen Modulationsfrequenz gehörende Amplitudenanteil einen vernachlässigbaren Amplitudenwert annimmt, - daß eine zum vernachlässigbaren Amplitudenwert gehörende Meß-Modulationsfrequenz Sm gemessen wird, - daß aus der Meß-Modulationsfrequenz tm die Laufzeit des Lichts durch den faseroptischen Ring (5) bestimmt wird gemäß,der Formel Wm tL = n 2 2 1r wobei n eine ganze positive Zahl bedeutet, und - daß aus der wellenlängenabhängigen Laufzeit\tL die Wellenlänge t des Lichts bestimmt wird.
3. 3. Verfahren zur Messung absoluter Drehungen nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Modulationsfrequenz im wesentlichen sechsmal größer gewählt wird als die Meßfrequenz.
4. 4. Anordnung zur Durchführung des Verfahren zur Messung absoluter Drehungen, dadurch gekennzeichnet, - daß ein faseroptisches Ringinterferometer vorhanden ist, bestehend zumindest aus einer Halbleiter-Lichtquelle (1) sowie einem Photodetektor (7), die optisch an einen ersten Richtkoppler (2) angekoppelt sind, einem zweiten Richtkoppler (4), der einerseits über eine Polarisator (3) optisch gekoppelt ist mit dem ersten Richtkoppler (2) und der andererseits das von der Halbleiter-Lichtquelle (1) ausgesandte Licht in die beiden Enden eines faseroptischen Ringes (5) eingekoppelt, und einem Phasenmodulator (6), der an einem Ende des faseroptischen Ringes (5) angebracht ist, - daß der Photodetektor (7) sowie der Phasenmodulator (6) in einem Regelkreis enthalten sind, der eine Modulationsfrequenz erzeugt und diese solange verstellt, bis die Meß-Modulationsfrequenz erreicht ist, und - daß an den Regelkreis eine Auswerteeinheit (11) angeschlossen ist zur Bestimmung der Wellenlänge des Lichts und/oder zur Berichtigung der gemessenen Drehung.
5. 5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, - daß der Regelkreis einen phasenempfindlichen Gleichrichter (8) enthält, dessen Eingang mit dem Photodetektor (7) verbunden ist und dessen Ausgang über einen Regler (12) mit einem Steuereingang eines spannungsgesteuerten Oszillators (10) verbunden ist, an dessen Ausgang im wesentlichen die zweifache Modulationsfrequenz vorhanden ist, - daß der Ausgang des Oszillators (10) verbunden ist mit dem Gleichrichter (8) und dem Eingang eines Frequenzteilers (9), welcher die Modulationsfrequenz erzeugt, und - daß der Ausgang des Frequenzteilers (9) mit dem Phasenmodulator (6) und der Auswerteeinheit (11) verbunden ist.
6. 6. Anordnung nach Anspruch 4 oder Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Regelkreis und/oder die Auswerteeinheit (11) mindestens einen Mikroprozessor enthält.