DE3522026A1 - Verfahren zur signalauswertung eines den sagnac-effekt nutzenden lichtleitfaserrotationssensors - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäss der Gattung des Hauptanspruches. Aus der DE-OS 30 40 514 ist ein solches Verfahren bekannt. Dieses Verfahren benutzt zur Modulation der Lichtstrahlen einen Phasenmodulator, beispielsweise in der Art eines Piezoelements welches mit einer bestimmten Modulationsfrequenz erregt wird. Mittels eines Photodetektors wird das modulierte Signal sensiert und dieses nachfolgend in einer Auswerteschaltung innerhalb bestimmter Bandbreiten gleichgerichtet und geglättet bzw. inteqriert. Das derart erzeugte Ausgangssignal stellt eine Bezugsgrösse zu der zu messenden Rotationsgeschwindigkeit dar.

Es hat sich gezeigt, daß bei der bisher üblichen Auswerteschaltung sogenannte Driftfehler entstehen die das Ausgangssignal verfälschen und denen folgende Ursachen zugrunde liegen:

Offsetdrift des zur Gleichrichtung des auszuwertenden Signals benutzten Ringmischers, z.B. auch durch die sich änderne Amplitude des Taktsignals,

Offsetdrift des in der Schaltung erforderlichen Gleichspannungsverstärkers und des aktiven Tiefpassfilters,

Einstreuungen von Störsignalen in die Verstärkerkette zwischen Photodetektor bzw. Photodiode und Ringmischer, die gleichgerichtet zu einer weiteren Offsetspannung führen.

Das Verfahren zur Signalauswertung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat den Vorteil, dass sämtliche Fehler innerhalb der Schaltung, die zur Auswertung des Interferenzsignals erforderlich sind, erfasst werden. In einfacher Weise lassen sich diese, bzw. das so gewonnene Fehlersignal von dem sogenannten Nutzsignal oder Ausgangssignal substrahieren. Das Fehlersignal läßt sich beispielsweise dadurch gewinnen, dass für eine bestimmte Zeit die Ausgangssignalmessung unterbrochen wird. Das Signal, welches ausgangsseitig der Schaltung dann gemessen wird, ist der momentane Offsetfehler, bzw. der durch Einstreuung von Störfrequenzen verursachte Fehler. Damit ist eine besonders hohe Güte der verwendeten elektronischen Elemente oder ein besonderer Abgleich nicht erforderlich.

Bei der Auswertung des Interferenzsignals ist es oft erforderlich, mehrere Auswertekanäle zu bilden, wobei jeder eine bestimmte Bandbreite erfasst. Der besondere Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht hierbei in einer getrennten und voneinander unabhängigen bandspezifischen Bestimmung des Fehlersignals.

Normalerweise enthält ein Auswertekanal ein Bandpassfilter, einen Ringmischer (gesteuerter Gleichrichter) und, falls erforderlich, mehrere Anpassverstärker. Selbstverständlich zeigt jedes dieser Elemente eine bauteilespezifische Temperaturdrift, deren Kompensation bei Anwendung der erfindungsgemäßen Lösung nicht erforderlich ist.

Zur kontinuierlichen Anpassung des Fehlersignals wird in einer Weiterbildung der Erfindung vorgeschlagen, dieses in kurzen Zeitabständen auf einen Tiefpass zu schalten. Das Ausgangssignal des Tiefpasses zeigt damit fortlaufend die aktuelle Fehlergrösse, die beispielsweise in einem zur Auswertung der Signale erforderlichen Mikroprozessor mit dem Nutzsignal verknüpft wird, und eine optimale Bestimmung der Messgrösse ermöglicht.

In einer alternativen Weiterbildungsform kann anstelle des Tiefpasses ein integrierter A/D-Wandler eingesetzt werden. Damit ist eine Umwandlung sowohl des Nutz- als auch des Fehlersignals in ein digitales Ausgangssignal möglich. Die Auftrennung zwischen den beiden Signalen erfolgt hier nachträglich durch eine gesteuerte Signalumschaltung, d. h. die gesamte Auswerteschaltung einschliesslich des A/D Wandlers wird im Multiplexverfahren betrieben.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und aus den Unteransprüchen. Nachfolgend sind anhand von Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 den schematischen Aufbau eines Lichtleitfaserrotationssensors,

Fig. 2 ein Blockschaltbild einer Auswerteschaltung,

Fig. 3 eine Auswerteschaltung mit Fehlerbestimmung,

Fig. 4 eine Auswerteschaltung mit integrierendem A/D-Wandler.

Der in Fig. 1 gezeigte schematische Aufbau eines Lichtleitfaserrotationssensors - kurz Faserkreisel genannt - ist allgemein bekannt und soll hier nur der Vollständigkeit halber nochmals beschrieben werden.

Das von einer Laserdiode 1 erzeugte Licht gelangt über einen faseroptischen Koppler 2 zu einem Polarisator 3. Durch einen weiteren Koppler wird das Licht aufgeteilt und gelangt als zwei gegenläufige Wellen über den Depolarisator 5 bzw. die Modulationsreinrichtung 6 zur Faserspule 7. Der Depolarisator 5 bewirkt eine Nullpunktsdriftunterdrückung. Durch die Modulationseinrichtung 6 wird eine Phasenmodulation der umlaufenden Laserstrahlen erzeugt. Sie entsteht durch Modulation der Teillänge der Lichtleitfaser 7 mit Hilfe eines Piezoelements. Die zurücklaufenden Teilstrahlen werden zur Interferenz gebracht und gelangen über die beiden Koppler 2 und 4 und dem Polarisator 3 zur Photodiode 8. Das zur Interferenzintensität der Laserstrahlen proportionale Ausgangssignal der Photodiode (Interferenzsignal 15) bildet ein erstes Eingangssignal für eine Auswerteschaltung 14. Ein weiteres Eingangssignal ist das von dem Sinusgenerator erzeugte Frequenzsignal 16. Die Auswerteschaltung ermittelt wie nachfolgend beschrieben, ein der auf den Faserkreisel einwirkenden Rotationsbewegung proportionales Ausgangssignal A, welches in einer Anzeigeeinrichtung 17, beispielsweise einen x-y-Schreiber oder einer digitalen Anzeige darstellbar ist.

In Fig. 2 ist die Auswerteschaltung 14, wie sie üblicherweise bisher verwendet wurde, in expliziter Form dargestellt. Aus dem von der Photodiode 14 gebildeten Interferenzsignal wird mittels des Umformers 18 ein Spannungssignal gebildet. Dieses Spannungssignal kann mehrkanalig ausgewertet werdend, d. h es kann sowohl nur die Grundfrequenz als auch deren erste oder weitere Oberwellen ausgewertet werden. Die Auswerteschaltung der Oberwellen ist hier nur angedeutet, selbstverständlich sind die hierfür erforderlichen Kanäle entsprechend dem Auswertekanal für die Grundfrequenz aufgebaut. Im folgenden wird nur dieser Auswertekanal beschrieben.

Der Bandpaß 19 unterdrückt die bei der Auswertung störenden Anteile der Oberwellen. Das gefilterte Signal gelangt zu einem Anpassverstärker 21, der erforderlichenfalls eine Anpassung an den Eingangswiderstand eines nachgeschalteten Ringmischers 20 vornimmt. Der Ringmischer ist ein frequenzgesteuerter Gleichrichter dem, falls auch eine Anpassung des Referenzsignals notwendig ist über einen weiteren Anpaßverstärker 22 das von dem Sinusgenerator 13 gebildete Referenzsignal zugeführt wird. Das gleichgerichtete Ausgangssignal des Ringmischers 20 wird mit einem Gleichspannungsverstärker 23 verstärkt und über einen Tiefpass 24 ein geglättetes Ausgangssignal A gebildet. Der Tiefpaß 14 begrenzt die Nachweisbandbreite der einzelen Auswertekanäle. Der Gleichspannungsverstärker 23 ist mit einer Offset-Kompensationsschaltung 25 verbunden zur Unterdrückung der Gleichspannungsdrift.

Sind mehrere Auswertekanäle vorgesehen, dann bildet jeder Kanal ein seiner Referenzfrequenz entsprechendes Ausgangssignal A. Die Ausgangssignale steuern wie oben beschrieben die Anzeigeeinrichtung 17.

Es ist ersichtlich, dass zur Auswertung der bei einem Faserkreisel entstehenden geringen Signalspannungen sehr hohe Anforderungen an die einzelnen Schaltelemente gestellt werden müssen. Insbesondere die Driftrate beispielsweise über dem geforderten Temperaturbereich, aber auch Störeinstreuungen in die Schaltung verursachen grosse Meßabweichungen, denen nur mit unverhältnismässig hohem Aufwand an Kompensationseinrichtungen oder Abschirmungen begegnet werden kann. In Fig. 3 ist deshalb die Auswerteschaltung 14 gezeigt, die in modifizierter Form eine Fehlerbestimmung durchführt.

Die einzelnen Elemente entsprechen den in Fig. 2 gezeigten, die Signalauswertung erfolgt in der oben beschriebenen Weise. Zur Fehlermessung ist in die Signalleitung zwischen Photodiode 12 und Umformer 18 ein Schalter 26 angeordnet, ebenso ist die Leitung zwischen dem Gleichspannungsverstärker 23 und dem Tiefpass 24 mit einem Schalter 27 versehen. In den gezeigten Schalterstellungen wird das Signal der Fotodiode 12 in der beschriebenen Weise verarbeitet und das Ausgangssignal A gebildet. Beide Schalter können synchron umgelegt werden, d.h. Schalter 26 liegt auf Massepotential und Schalter 27 ist mit einem zweiten Tiefpass 28 verbunden. In dieser Schalterstellung wird daher ausgangsseitig ein Signal F abgegriffen das gleichspannungsmässig die Nullpunktverschiebung des Ausgangssignals aufgrund des Driftverhaltens der Schaltung, oder der Störeinstreuungen in dieser anzeigt. Damit wird ein genauer Abgleich der Schaltung und auch die OffsetKompensationsschaltung 25 überflüssig. Durch Subtrahieren des Fehlersignals F von dem Ausgangssignal A erhält man mit letzterem einen drift- und störungsfreien Betrag für die Anzeige der Interferenz bzw. der auf den Sensor einwirkenden Drehrate.

Die Umschaltung zur Bildung des Fehlersignals erfolgt beispielsweise zugleich nach einer bestimmten Messzeit und kann durcch ein externes Signal oder durch das Referenzsignal mit nachgeschaltetem Teiler ausgelöst werden. Das mittels des Tiefpasses 28 gespeicherte Fehlersignal wird bei jeder Fehlersignalbildung aktualisiert. Die nachfolgende Differenzbildung mit dem Ausgangssignal kann z.B. durch einen hier nicht dargestellten chopperstabilisierten Operationsverstärker erfolgen. Da dieser nur mit geringer Verstärkung betrieben wird, ist dessen Drift vernachlässigbar. Die Differenzbildung ist aber auch nach einer A/D-Wandlung der Signale A und F in einem nachgeschalteten Rechner möglich.

In Fig. 4 sind weitere Varianten für die Anordnung der Schalter 26,27 gezeigt. Beispielsweise kann mit dem Schalter 26 auch die Versorgung der Laserdiode 1 unterbrochen werden. Es ist selbstverständlich auch möglich, diesen Schalter 26 an beliebiger Stelle innerhalb der gesamten Auswerteschaltung anzuordnen, zweckmäßigerweise ist jedoch dessen Plazierung so zu wählen, daß möglichst alle Komponenten bei der Fehlermessung erfaßt werden. Beispielsweise läßt sich auch anstelle des gezeigten Schalters eine optimale Schaltung in den Strahlengang zur Photodiode einfügen, ein bekanntes Element hierfür ist z.B. der aus der integrierten Optik bekannte Δβ-Reversal-Switch.

Die Ausgangssignale, die in Fig. 4 mit und ohne Laserstrahlung erzeugt werden, gelangen in diesem Beispiel zu einem integrierenden A/D-Wandler. Dessen Ausgangssignal wird über den Schalter 27 auf den Fehlersignalausgang F oder bei synchroner Umschaltung dieses Schalters mit dem Schalter 26und damit bei Bildung des Nutzsignals auf den Signalausgang A gelegt.

Durch die jeweils nur kurzzeitige Messung des Fehlersignals F innerhalb der Meßzeit wird das Signal-Rausch-Verhältnis nicht wesentlich beeinflußt. Außerdem läßt sich durch Anpassung des Tastverhältnisses zum Betätigen der Schalter der Störspannungsabstand immer auf die maximal erreichbare Größe einstellen.

Bezugszeichenliste

1 Laserdiode
2 Koppler
3 Polarisator
4 Koppler
5 Depolarisator
6 Modulationseinrichtung
7 Lichtleitfaser
8 Photodiode
13 Sinusgenerator
14 Auswerteschaltung
15 Interferenzsignal
16 Referenzsignal
17 Anzeigeeinrichtung
18 Umformer
19 Bandpaß
20 Ringmischer
21 Anpaßverstärker
22 Anpaßverstärker
23 Gleichspannungsverstärker
24 Tiefpaß
25 Offset-Kompensationsschaltung
26 Schalter
27 Schalter
28 Tiefpaß
29 A/D-Wandler

Claims (10)

1. Verfahren zur Signalauswertung eines den Sagnac-Effekt nutzenden Lichtleitfaserrotationssensors bei welchem eine Laserlichtquelle in einem eine Fläche mindestens einmal umschließenden Lichtweg zwei gegensinnig umlaufende Lichtwellen bildet, wobei diese phasenmoduliert sind und mittels eines Photodetektors ein Interferenzsignal gebildet und dieses Signal einer Schaltung zur Erzeugung eines der Interferenz entsprechenden Ausgangssignals zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtweg zum Photodetektor (8) oder dessen Ausgangssignal (15) oder ein in der Schaltung (14) weiterzuverarbeitendes Signal unterbrochen werden kann und mittels einer der Schaltung (14) nachgeordneten Meßeinrichung ein bei Unterbrechung dieses Signals auftretendes Fehlersignal bestimmt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Fehlersignal von dem Ausgangssignal substrahiert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung (14) zur Erzeugung des Ausgangssignals wenigstens zwei Auswertekanäle aufweist und jeder Auswertekanal ein bestimmtes Frequenzband auswertet, wobei für jeden Kanal ein Fehlersignal bestimmt werden kann.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Auswertekanal aus wenigsten einem das Ausgangssignal des Photodetektor gleichrichtenden Ringmischers (20) besteht.

5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Auswertekanal ein Bandpaßfilter (19) enthält.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den einzelnen Elementen eines Auswertekanals Signalverstärker (21, 23) und/oder Anpaßverstärker vorgesehen sind.

7. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Signal des Photodetektors (8) einer Schalteinrichtung (26) zugeführt wird und das Ausgangssignal des Ringmischers (20) ebenfalls einer weiteren Schalteinrichtung (27) zugeführt wird, wobei die genannten Schalteinrichtungen zwei Schaltstellungen aufweisen und in der ersten Schaltstellung das von dem Photodetektor (8) gebildete Signal zur Bildung des Ausgangssignals durchgeschaltet ist und in der zweiten Schaltstellung das Detektorsignal unterbrochen und das von der Schaltung gebildete Signal einer Fehlerauswerteschaltung zugeführt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß mittels eines Tiefpaßes (28) aus der Fehlerauswerteschaltung zugeführte Signal aufintegriert und gespeichert wird.

9. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein zwischen dem Ringmischer und der Schalteinrichtung angeordneter integrierter A/D-Wandler (29) die Signale die in beiden Schaltstellungen gebildet werden, umformt.

10. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtweg zum Photodetektor mittels eines ΔβReversal-Switch unterbrochen wird.