DE3619498A1 - Geschwindigkeitsmesseinrichtung - Google Patents
GeschwindigkeitsmesseinrichtungInfo
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- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
- G01P3/00—Measuring linear or angular speed; Measuring differences of linear or angular speeds
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Description
Die Erfindung betrifft eine Geschwindigkeitsmeßeinrichtung
zur Messung der inertialen Geschwindigkeit in Bezug auf
das Gravitationsfeld der Sonne oder ein anderes
Bezugssystem.
Aus der DE-OS 33 35 708 ist bekannt, wie die inertiale
Geschwindigkeit gemessen werden kann. Eine weitere Lösung
zur Messung der inertialen Geschwindigkeit ist in der
deutschen Patentanmeldung Nr. 35 34 950 vorgeschlagen. Den
Geschwindigkeitsmeßeinrichtungen gemäß diesen beiden
Literaturstellen liegen unterschiedliche Meßprinzipien
zugrunde. Bei der Lösung gemäß der DE-OS 33 35 708 werden
für den Referenz- und den Meßsignalzweig Materialien mit
unterschiedlichen Mitführungskoeffizienten verwendet. Bei
der Lösung gemäß der deutschen Patentanmeldung
Nr. 35 34 950 sind für den Referenz- und den
Meßsignalzweig unterschiedlich lange Wegstrecken
vorgesehen.
Die Erfindung gemäß der vorliegenden Patentanmeldung gibt
an, wie man auf einfache Weise eine
Geschwindigkeitsmeßeinrichtung realisieren kann, bei der
für den Referenz- und den Meßsignalzweig unterschiedlich
lange Wegstrecken vorgesehen sind.
Mit der neuen Geschwindigkeitsmeßeinrichtung erzielt man
eine große Meßgenauigkeit.
Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen beispielsweise
näher erläutert. Die Fig. 1 und 2 zeigen jeweils ein
Ausführungsbeispiel.
Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 wird ein Gaslaser
verwendet. Gaslaser an sich sind allgemein bekannt, so daß
auf ihren prinzipiellen Aufbau und ihre Funktionsweise
nicht näher einzugehen ist.
Gaslaser werden auch bei Ringlaserkreiseln angewandt, die
aus der Literatur ebenfalls allgemein bekannt sind.
Beispielsweise wird auf die DE-A1-29 49 412 und die
EP-A2-01 03 683 verwiesen. Bei Ringlaserkreiseln
durchlaufen zwei Laserstrahlen einen dreieckförmigen
Resonatorraum in zueinander eingegengesetzten Richtungen.
Ist die Drehbewegung null, dann haben die beiden
Laserstrahlen dieselbe Frequenz. Ist die
Drehgeschwindigkeit ungleich null, dann haben die beiden
Laserstrahlen unterschiedliche Frequenzen, weil die Längen
der Resonanzräume für die beiden Laserstrahlen infolge der
Drehbewegung ungleich lang sind. Die beiden Laserstrahlen
werden aus dem Resonatorraum ausgekoppelt und einer
Auswerteeinrichtung zugeführt. Die Differenz zwischen den
Frequenzen der beiden Laserstrahlen ist proportional der
Drehgeschwindigkeit und folglich kann durch Auswertung der
Frequenzdifferenz die Drehgeschwindigkeit ermittelt
werden. Hierzu gibt es mehrere bekannte Verfahren.
Bei der Meßeinrichtung nach Fig. 1 ist kein
dreieckförmiger Resonanzraum vorhanden sondern es sind
zwei lineare Resonanzräume vorhanden. Beide Resonanzräume
sind unterschiedlich lang (l 1, l 2) und sind
vorzugsweise zueinander parallel. Mit dieser
Geschwindigkeitsmeßeinrichtung wird diejenige Komponente
der inertialen Geschwindigkeit gemessen, die in die
Richtung der Längsausdehnung des längeren der
Resonanzräume zeigt. Die Resonanzfrequenz des Laserstrahls
im ersten Resonanzraum mit der Länge l 1 ist f 1, wenn
die relevante Komponente der inertialen Geschwindigkeit
gleich null ist. Die Resonanzfrequenz des Laserstrahls im
zweiten Resonanzfraum mit der Länge l 2 ist f 2.
Bewegt sich die Geschwindigkeitsmeßeinrichtung mit der
Geschwindigkeit v in der Richtung der Längsausdehnung der
Resonanzräume, dann werden die Längen verändert und zwar zu
und
mit c gleich Lichtgeschwindigkeit
im Vakuum. Dementsprechend ändern sich
auch die Frequenzen der Laserstrahlen und zwar zu
und
Die Differenz zwischen den Frequenzen der Laserstrahlen
ist im Ruhezustand
Δ f = f 2 - f 1; (5)
bei Ausbreitung der Geschwindigkeitsmeßeinrichtung mit der
Geschwindigkeit v:
Daraus kann die Geschwindigkeitskomponente v berechnet
werden.
Da wie beim Ringlaserkreisel die Differenz zwischen den
Frequenzen der beiden ausgekoppelten Laserstrahlen
gemessen werden muß, können zur Bestimmung von Δ f′ alle von
dort bekannten Auswerteverfahren angewandt werden. Sie
werden deshalb hier nicht näher erläutert. Lediglich die
Berechnung von v aus dem ermittelten Wert für Δ f′ erfolgt
nach einer anderen Gleichung.
Bei der Dimensionierung der Resonanzlängen muß darauf
geachtet werden, daß die auszuwertenden
Differenzfrequenzen genügend tief liegen, um ohne allzu
großen Aufwand ausgewertet zu werden. Δ f′ liege im Bereich
von 300 MHz liegen. Daraus ergeben sich bei Frequenzen
f 1 = f 0 + n 300 MHz und f 2 = f 0 Resonanzlängen von
l 1 = 1 m und l 2 = 0,1 m.
Nachfolgend wird auf die Realisierung im Einzelnen näher
eingegangen. Wie bei Ringlaserkreiseln ist bei der
Anordnung nach Fig. 1 in einem Block aus glaskeramischem
Material ein Hohlraum 103 vorgesehen, in dem sich das
anzuregende Gas befindet. Zur Anregung sind zwei Anoden
102 und 108 sowie eine Kathode vorgesehen. Die Kathode ist
zur Verbesserung der Übersichtlichkeit in der Zeichnung
weggelassen. Ein Bereich des Hohlraums 103 liegt zwischen
zwei Spiegeln 100 und 104, welche den zweiten
Resonatorraum des Lasers mit der Länge l 2 bilden. Der
Laserstrahl zwischen diesem Spiegelpaar hat im Ruhezustand
die Frequenz f 2. Der eine Spiegel des Spiegelpaares 100,
104 ist halbdurchlässig (in der Zeichnung der rechte
Spiegel 104).
Ein weiterer Bereich des Hohlraums 103 liegt zwischen zwei
Spiegeln 107 und 109, welche den ersten Resonatorraum des
Lasers mit der Länge l 1 bilden. Der Laserstrahl zwischen
diesem Spiegelpaar hat im Ruhezustand die Frequenz f 1.
Der eine Spiegel des Spiegelpaares 107, 109 ist
halbdurchlässig (in der Zeichnung der linke Spiegel 107).
Der Anteil des Laserstrahls mit der Frequenz f 2, der von
dem halbdurchlässigen Spiegel 104 durchgelassen wird, wird
von einem Umlenkspiegel 105 auf die (nicht dargestellte)
Auswerteeinrichtung gelenkt. Der Anteil des Laserstrahls
mit der Frequenz f 1, der von dem halbdurchlässigen
Spiegel 107 durchgelassen wird, wird von einem
Umlenkprisma 106 und einem Umlenkspiegel 107 ebenfalls auf
die Auswerteeinrichtung gelenkt. Dort erfolgt, wie oben
erwähnt, die Auswertung. Bewegt sich die Meßeinrichtung,
dann wird aus der Frequenz f 1 die Frequenz f 1′ und aus
der Frequenz f 2 die Frequenz f 2′.
Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 wird anstelle des
Gaslasers ein Festkörperlaser verwendet. Es ist ein
laseraktives Medium 203 vorgesehen, dessen Stirnflächen
nicht verspiegelt sind, so daß durch beide Stirnflächen
Laserstrahlung in das Medium aus- und eintreten kann. Der
in der Zeichnung auf der rechten Seite austretende
Laserstrahl trifft auf einen gegen die Strahlrichtung um
45° geneigten halbdurchlässigen Spiegel 205 und ein Teil
von diesem Laserstrahl wird durch diesen auf einen
weiteren halbdurchlässigen Spiegel 204 gerichtet. Der von
dem ersten halbdurchlässigen Spiegel 205 durchgelassene
Anteil des Laserstrahls wird von zwei Spiegeln 207 und 206
zu dem weiteren halbdurchlässigen Spiegel 204 gelenkt und
von diesem zum Teil durchgelassen. Der von dem
teildurchlässigen Spiegel 204 abgelenkte Laserstrahl und
der von diesem durchgelassene Laserstrahl breiten sich auf
gleichem Weg zu einem dritten teildurchlässigen Spiegel
201 aus. Die von diesem durchgelassene Anteile der beiden
auf ihn treffenden Laserstrahlen mit den Frequenzen f 1,
f 2 oder f 1′, f 2′ gelangen zur Auswerteeinrichtung.
Die von diesem halbdurchlässigen Spiegel abgelenkten
Laserstrahlen werden über einen weiteren Spiegel 202 zu
dem laseraktiven Medium 203 geleitet.
Geometrisch gesehen befinden sich die Spiegel 201, 202,
205 und 204 an den Ecken eines Rechteckes. Die Strecken
zwischen den Spiegeln 201 und 202 sowie zwischen den
Spiegeln 205 und 204 sind verglichen zu den Strecken
zwischen den Spiegelpaaren 201/204 und 202/205 sehr klein.
Die Spiegel 206 und 207 befinden sich an den Ecken eines
Rechtecks, das man aus dem durch die Spiegel 201, 202
204, 205 gebildeten erhält, wenn man dessen lange Seiten
nach rechts verlängert. Diese beiden Rechtecke bilden zwei
rechteckförmige Resonatorräume.
Die lange Seite des kleineren Resonatorraums hat die Länge
1/2 l 2; die lange Seite des größeren Resonatorraums die
Länge 1/2 l 1. Diese l 1 und l 2 sind die l 1 und l 2
in den obigen Gleichungen (1) und (2). Somit kann auch mit
dieser Anordnung aus den Frequenzen f 1′ und f 2′ der
Laserstrahlen, die von dem halbdurchlässigen Spiegel 201
zur Auswerteeinrichtung durchgelassen werden, die
Komponente der inertialen Geschwindigkeit in Richtung der
langen Seiten der Rechtecke gemessen werden.
Die kurzen Rechtecke müssen möglichst kurz gewählt werden,
da sonst zu der Frequenzänderung, die durch den
quadratischen Dopplereffekt bedingt ist und zur Messung
der inertialen Geschwindigkeit verwendet wird, eine durch
den Sagnac-Effekt bedingte Frequenzänderung hinzukommt,
welche zur Drehgeschwindigkeit proportional ist. Für sehr
große Meßgenauigkeiten ist es möglich, zweier solcher
Anordnungen vorzusehen. Die Laserstrahlen müssen dann die
beiden Anordnungen mit eingegengesetztem Richtungssinn
durchlaufen. Dann kann die durch den Sagnac-Effekt
bedingte Frequenzänderung kompensiert oder bei der
Auswertung berücksichtigt werden.
Mit den oben beschriebenen
Geschwindigkeitsmeßeinrichtungen wird die Komponente v der
inertialen Geschwindigkeit gemessen, welche in die
Richtung der Längsausdehnung der Resonatorräume des Lasers
zeigt. Will man die resultierende inertiale
Geschwindigkeit messen, dann sind drei solcher
Meßeinrichtungen erforderlich, mit denen jeweils in
unterschiedlichen Raumrichtungen eine
Geschwindigkeitskomponente gemessen wird. Die
Raumrichtungen stehen vorzugsweise aufeinander senkrecht.
Aus den so gemessenen Geschwindigkeitskomponenten kann in
an sich bekannter Weise die tatsächliche Geschwindigkeit
gemessen werden.
Bei der bisherigen Beschreibung wurde davon ausgegangen,
daß die Resonatorräume zueinander parallel sind.
Erforderlich ist dies nicht. Ihre Längsrichtungen können
auch miteinander beliebige Winkel bilden. In solchen
Fällen ist die Gleichung (6) um einen Faktor, der von
diesem Winkel abhängt, zu ergänzen.
Claims (2)
1. Geschwindigkeitsmeßeinrichtung,
dadurch gekennzeichnet, daß ein Laser
mit zwei Resonatorräumen (100, 104; 107, 109) vogesehen
ist, daß die Wegstrecken (l 1, l 2) für das Licht in den
Resonatorräumen unterschiedlich lang sind, daß
sich - bedingt durch den quadratischen
Doppler-Effekt - die Resonatorfrequenzen (f 1′, f 2′) in
den beiden Resonatorräumen geschwindigkeitsabhängig um
unterschiedliche Werte ändern, und daß aus der Differenz
der beiden geschwindigkeitsabhängigen Resonanzfrequenzen
die Geschwindigkeitskomponente der inertialen
Geschwindigkeit in Richtung der Längsausdehnung des
längeren der beiden Resonatorräume ermittelt wird.
2. Geschwindigkeitsmeßeinrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die Richtungen der
Längsausdehnungen der Resonatorräume zueinander parallel
sind.
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19863619498 DE3619498A1 (de) | 1986-06-10 | 1986-06-10 | Geschwindigkeitsmesseinrichtung |
EP86108902A EP0220378A1 (de) | 1985-10-01 | 1986-07-01 | Geschwindigkeitsmesseinrichtung |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19863619498 DE3619498A1 (de) | 1986-06-10 | 1986-06-10 | Geschwindigkeitsmesseinrichtung |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE3619498A1 true DE3619498A1 (de) | 1987-12-17 |
Family
ID=6302699
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19863619498 Withdrawn DE3619498A1 (de) | 1985-10-01 | 1986-06-10 | Geschwindigkeitsmesseinrichtung |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE3619498A1 (de) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE4322291A1 (de) * | 1993-07-05 | 1995-01-19 | Holzapfel Wolfgang Prof Dr Ing | Optische Kraftmeßeinrichtung |
DE4339497B4 (de) * | 1993-11-19 | 2007-07-26 | Holzapfel, Wolfgang, Prof. Dr.-Ing. | Optische Kraftmeßeinrichtung mit Kraftrichtungserkennung |
-
1986
- 1986-06-10 DE DE19863619498 patent/DE3619498A1/de not_active Withdrawn
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE4322291A1 (de) * | 1993-07-05 | 1995-01-19 | Holzapfel Wolfgang Prof Dr Ing | Optische Kraftmeßeinrichtung |
DE4322291C2 (de) * | 1993-07-05 | 1999-10-14 | Wolfgang Holzapfel | Optische Kraftmeßeinrichtung |
DE4339497B4 (de) * | 1993-11-19 | 2007-07-26 | Holzapfel, Wolfgang, Prof. Dr.-Ing. | Optische Kraftmeßeinrichtung mit Kraftrichtungserkennung |
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Legal Events
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