DE4220725A1 - Faseroptisches kreiselsystem und geraeteaufbau - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen faseroptischen Kreisel und eine Geräteausführung speziell für ein kompaktes dreiachsiges faseroptisches Kreiselsystem.

Ein Sensor, der auf einem bewegten Körper montiert ist und ohne Information von außen die Rotationswinkelge­ schwindigkeit oder einen Winkel messen kann, um damit die Winkellage oder die Position des bewegten Körpers zu kontrollieren, wird als "Gyroskop" oder "Gyro" be­ zeichnet. Faseroptische Kreisel sind "Gyroskope", die dem Sagnaceffekt ausnutzen, um Drehgeschwindigkeiten oder Winkelstellungen zu ermitteln. In den letzten Jah­ ren werden in industriellen Anwendungen allgemein ein­ achsige faseroptische Kreisel wegen ihrer im weiteren beschriebenen Eigenschaften eingesetzt:

• 1. Sie sind einfach aufzubauen und ohne bewegliche Teile.
• 2. Sie haben eine kurze Einschaltzeit.
• 3. Sie können klein und leicht gebaut werden.
• 4. Ihr Energieverbrauch ist gering.
• 5. Ihr dynamischer Meßbereich ist breit.
• 6. Sie sind zur Großserienfertigung und zur Kostensenkung geeignet.

Fig. 4 zeigt das Blockdiagramm eines typischen faser­ optischen Kreisels. Das dargestellte Gerät enthält eine Lichtquelle 11, einen Lichtempfänger (Detektor) 12, eine faseroptische Spule 13, einen Phasenmodulator 14, Richtungskoppler 15a und 15b, einen Polarisator 17 und eine Leiterplatte 16, auf der eine Signalver­ arbeitungsschaltung aufgebracht ist. Ein Lichtstrahl aus der Lichtquelle 11 durchläuft den Richtungskopp­ ler 15a. Nachdem im Polarisator 17 der Lichtstrahl polarisiert und Störungen ausgefiltert wurden, wird er durch den Richtungskoppler 15b in zwei Strahlen auf­ geteilt und dadurch das Licht auf zwei optischen Wegen geführt. Die beiden Lichtstrahlen breiten sich durch die faseroptische Spule 13 als je ein im Uhrzeigersinn bzw. gegen den Uhrzeigersinn verlaufender Lichtstrahl aus. Die faseroptische Spule 13 besteht aus lichtlei­ tendem Fasermaterial und wird im faseroptischen Kreisel als Winkelgeschwindigkeitssensor benutzt. Die Drehung des faseroptischen Kreisels 13 verursacht eine Phasen­ verschiebung zwischen den Lichtstrahlen, die sich im bzw. gegen den Uhrzeigersinn ausbreiten, wobei der Be­ trag der Drehung durch Messen der Phasenverschiebung ermittelt wird. Da auf diese Weise nur die Drehung um die Längsachse des faseroptischen Kreisels gemessen wer­ den kann, ist nur die Drehbewegung um eine einzelne Achse bekannt. Der Phasenmodulator 14 erzeugt eine Phasenverschiebung von 90° zwischen den im bzw. entge­ gen dem Uhrzeigersinn verlaufenden Strahlen, um eine gewünschte Empfindlichkeit zu erreichen. Die aufgeteil­ ten Lichtstrahlen durchlaufen die faseroptische Spule 13 und treffen auf dem Richtungskoppler 15b zusammen und bilden so entsprechend ihrer Phasendifferenz einen Interferenzstrahl. Der Interferenzstrahl wird so ge­ führt, daß er durch den Polarisator 17 und den Rich­ tungskoppler 15a in entgegengesetzter Richtung zum ausgesendeten Lichtstrahl verläuft und auf den Licht­ empfänger (Detektor) 12 trifft. Im Lichtempfänger 12 wird die Intensität des Interferenzstrahles gemessen und von der Signalverarbeitungsschaltung auf der Lei­ terplatte 16 in eine Drehgröße umgerechnet. Schaltungen zum Betreiben der Lichtquelle 11 und des Phasenmodulators 14 sind ebenfalls auf der Leiter­ platte 16 untergebracht.

Wie beschrieben, kann eine einzelne faseroptische Spule nur den Betrag der Drehung um eine einzige Achsrichtung ermitteln. Deshalb werden zur Lagebestimmung eines Ob­ jekts, das sich in drei Richtungen bewegt, 3 faseropti­ sche Spulen benötigt. Die faseroptischen Spulen müssen so angeordnet sein, daß ihre Mittelachsen senkrecht zu­ einander stehen.

Zur getrennten Montage von drei faseroptischen Spulen für die 3 Achsen in einem Kreiselsystem wird viel Mon­ tageplatz benötigt. Um Montageplatz zu sparen, werden die üblichen faseroptischen Spulen in einem faseropti­ schen Kreiselsystem unterschiedlich groß ausgeführt - siehe Fig. 5. Die kleinste Spule 23 wird in der mitt­ leren Spule 22 montiert und die mittlere Spule 22 in der großen Spule 21. Bei dieser Bauweise ist die Mon­ tage nicht einfach und die Großserienproduktion ist sehr schwierig. Andererseits wird das Kreiselsystem sehr groß, wenn die 3 einachsigen faseroptischen Kreiseleinheiten, die im allgemeinen die äußere Form eines Quaders haben einfach miteinander verbunden werden.

In der japanischen Patentveröffentlichung Nr. 61- 266 911 mit dem Titel "Surveying Instrument Using Opti­ cal Fiber Gyro" vom 26. November 1986 von Nippon Kogaku Kabushiki Kaisha wird ein "Gyroscope" ähnlich dem in Fig. 5 beschrieben.

Das US-Patent Nr. 48 93 930 von Garret und anderen vom 16. Januar 1990 beschreibt ein "Multiple Axis Fiber Op­ tic Interferometric Seismic Sensor".

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein faseroptisches Krei­ selsystem anzugeben, das aus mehreren Kreiseleinheiten besteht, die kompakt zu einer Einheit zusammengebaut sind und sich zur Großserienproduktion eignen. Die Er­ findung bezieht sich auch auf eine einzelne Kreiselein­ heit.

Die Erfindung löst diese Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Ein nach der Erfindung aufgebautes Gerät besteht aus einem dreiachsigen faseroptischen Kreiselsystem, das drei einachsige faseroptische Kreiseleinheiten enthält, mit denen für 3 senkrecht zueinander angeordnete Achsen die Rotationswinkelgeschwindigkeiten ermittelt werden. Jede einachsige faseroptische Kreiseleinheit ermittelt die Rotationswinkelgeschwindigkeit für eine Achse. Jede einachsige faseroptische Kreiseleinheit enthält für sich mindestens alle Komponenten, die sie als vollstän­ digen Kreisel funktionsfähig machen. Dieses sind eine Lichtquelle, ein Lichtempfänger (Detektor), eine Sen­ sorspule und eine Kreisel-Signalverarbeitungsschaltung. Die äußere Form der einachsigen faseroptischen Kreisel­ einheit gleicht der, die man durch Teilung eines Kubus in drei gleiche Teile erhält. Die 3 Einheiten sind sym­ metrisch zueinander relativ zur Rotationsachse des Ku­ bus (Symmetrieachse). Die drei einachsigen Kreiselein­ heiten sind miteinander direkt oder durch bestimmte Elemente so verbunden, daß sie in Bezug auf die Symme­ trieachse des dreiachsigen faseroptischen Kreiselsy­ stems in drei symmetrischen Positionen angebracht sind. Durch diese Anordnung können drei Rotationswinkelge­ schwindigkeiten für drei Achsen gemessen werden, wobei die Achsen senkrecht zueinander stehen müssen.

Die Erfindung bezieht sich ebenfalls auf eine einzelne Kreiseleinheit, die zusammen mit zwei anderen gleichen Kreiseleinheiten das beschriebene Kreiselsystem bilden.

Die äußere Form einer Einheit entspricht der in Fig. 2 dargestellten, wenn man als äußere Form des Kreiselsy­ stems einen Kubus wählt. Der Kubus wird in Bezug auf seine Symmetrieachse in drei gleiche Elemente geteilt. In Fig. 2a sind die Kanten durch die Buchstaben A bis F, 0 und 0* gekennzeichnet. Fig. 2b zeigt die geometrischen Körper, Einheit 1, Einheit 2 und Einheit 3, die entstehen, wenn der Kubus entlang der Flächen 0B*, 0C0* und 0E0* geteilt wird, in denen jeweils die Diagonalen 0B, 0C und 0E aus den Flächen des Kubus enthalten sind. Die drei Einheiten sind kongruent, d. h. sie haben alle die gleiche äußere Form einer tetragonalen Pyramide mit einer quadratischen Grundfläche. Wenn die drei Einheiten zu einer Systemeinheit in Kubusform zusammengebaut werden, dann bildet die Verbindungslinie 00* der Kubusform die Symmetrieachse.

Die äußere Form einer Kreiseleinheit ist nicht auf die dargestellte genaue tetragonale Pyramide beschränkt. Die äußere Form kann z. B. wie in Fig. 3 dargestellt einen Vorsprung haben. In diesem Falle wird an einer anderen Fläche derselben Einheit eine Vertiefung so gebildet, daß sie der Form des Vorsprungs entspricht. Die Positionen des Vorsprungs und der Vertiefung an derselben Einheit sind symmetrisch zur Symmetrieachse (Verbindungslinie 00*). Fig. 3 zeigt, daß die Einheit 1 eine Oberseite 0B0* hat mit einem Vorsprung entsprechend dem schraffiert dargestellten Teil und eine Fläche 0C0* mit einer Vertiefung, die formgleich mit dem Vorsprungsteil ist. Die äußeren Formen des Vorsprungs und der Vertiefung sind symmetrisch zur Verbindungslinie 00*. Die Einheiten 2 und 3 haben die gleiche äußere Form wie die Einheit 1 und bilden mit ihr zusammen eine kubusförmige Systemeinheit, wenn sie in bezug auf die Verbindungslinie 00* in symmetrischen Positionen angeordnet sind.

Die Bezeichnungen "äußere Form" oder "das Äußere" der Einheit in der Beschreibung beziehen sich nicht zwangsläufig auf die aktuelle Form einer Kreiselein­ heit. Stattdessen beziehen sich diese Bezeichnungen auf den Raum, in dem die Komponenten angeordnet sind, die zum Aufbau eines faseroptischen Kreiselsystems benötigt werden. Des weiteren ist die äußere Form nicht be­ schränkt auf die Kubusform. So können z. B. andere Poly­ eder wie Hexaeder oder Oktaeder verwendet werden. Eine Kugelform ist ebenfalls zulässig. Zusammenfassend gilt, daß jede geometrische Form benutzt werden kann, solange sie in drei gleiche und achssymmetrische Einheiten geteilt werden kann.

Ein gemäß der Erfindung aufgebautes dreiachsiges faser­ optisches Kreiselsystem kann aus mehreren identischen einachsigen faseroptischen Kreiseleinheiten gebaut wer­ den. Dadurch wird die Großserienfertigung eines dreiachsigen faseroptischen Kreiselsystems erleichtert. Zusätzlich wird Platz gespart und dadurch ein kompakter Systemaufbau ermöglicht, daß die drei Einheiten in axialsymmetrischen Positionen so zusammengefügt werden können, daß sie einen Baukörper bilden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung einer faseroptischen Kreiseleinheit,

Fig. 2 mehrere Darstellungen der äußeren Form einer Einheit,

Fig. 3 eine perspektivische Darstellung einer anderen Einheit,

Fig. 4 ein Blockdiagramm mit einzelnen Komponen­ ten eines faseroptischen Kreiselsystems,

Fig. 5 eine perspektivische Darstellung eines Beispiels für die Anordnung der Spulen eines dreiachsigen faseroptischen Kreiselsystems.

Fig. 1 zeigt eine einachsige Kreiseleinheit 50, mit der die Rotationswinkelgeschwindigkeit bezüglich einer einzelnen Achse ermittelt werden kann. Die räumliche Anordnung (äußere Form) der Einheit, in der die Kompo­ nenten einer einachsigen Einheit 50 untergebracht sind, ist die einer tetragonalen Pyramide mit einer quadratischen Bodenfläche gemäß Fig. 2. Die tetrago­ nale Pyramide aus Fig. 1 mit den Eckpunkten 0, A, B, C, und 0* entspricht der Einheit 1 aus Fig. 2 als tetragonale Pyramide dargestellt mit den Eckpunkten 0, A, B, C und 0*.

Entsprechend Fig. 1 wird eine quadratische Platine 51 mit den Seitenlängen von 100 mm als Bodenplatte benützt, auf der eine Lichtquelleneinheit 52, ein Lichtempfänger (Detektor) 53 und eine faseroptische Spule 52 (Sensorspule) sowie auf einer gemeinsamen Be­ festigungsplatte 57 zwei Richtungskoppler 56 und 56 montiert sind. Die faseroptische Spule 54 enthält einen Phasenmodulator 55 mit einem zylindrischen Piezoele­ ment. Die Richtungskoppler 56 und 56 werden mit Licht­ leitern ähnlich wie die Richtungskoppler 15a und 15b aus Fig. 4 gekoppelt,was hier nicht dargestellt ist.

Eine rechteckige Signalverarbeitungsleiterplatte 58 wird mit vier Abstandshaltern 59 auf der Bodenplatte 51 so montiert, daß die Leiterplatte oberhalb der fa­ seroptischen Spule angebracht ist. Ein Polarisator 510 aus faseroptischem Material ist um die faseroptische Spule herumgelegt. Ein Verstärkungsstab 511 ist ent­ lang der Linie A-0 parallel zur Mittelachse der faser­ optischen Spule 54 angebracht.

Alle Komponenten werden so angebracht, daß sie nicht über die äußeren Formgrenzen (tetragonale Pyramide 0ABC0*) der Kreiseleinheit herausragen. Nachdem drei solche einachsigen Kreiseleinheiten montiert sind, wer­ den sie mit Hilfe der Verbindungselemente 512, 513 und 514 gemäß Fig. 2 so verbunden, daß sie ein dreiachsiges faseroptisches Kreiselsystem bilden. Das Verbindungselement 512 ist entlang der Linie B-0* montiert, das Verbindungselement 513 entlang der Linie C-0* und das Verbindungselement 514 wird am Punkt 0 montiert. Wie bereits ausgeführt, überschneidet sich keine der Kompo­ nenten beim Zusammenfügen einer einachsigen Kreiselein­ heit mit einer andern, weil jede Komponente einer ein­ achsigen Kreiseleinheit sich innerhalb der äußeren Form der jeweiligen Pyramide befindet.

Entsprechend den gemachten Ausführungen ist diese An­ ordnung dadurch gekennzeichnet, daß eine einachsige fa­ seroptische Kreiseleinheit bestehend aus optischen Kom­ ponenten und einer Signalverarbeitungsschaltung als eine Baueinheit erstellt wird mit einer äußeren Form, die gleich der ist, die z. B. durch Teilen eines Kubus in drei symmetrische Teile entsteht. Die drei Einhei­ ten, die ein einzelnes dreiachsiges Kreiselsystem bil­ den, haben identische äußere Form. Dies erleichtert das Zusammenfügen der Einheiten und somit die Großserien­ fertigung und reduziert die Herstellkosten.

In der dargestellten Ausführung werden die drei Einhei­ ten durch Verbindungselemente verbunden, die dazu aus der tetragonalen Pyramidenform herausragen. Die bean­ spruchte Erfindung bezieht sich auch auf diese Ausfüh­ rung.

In der dargestellten Ausführung hat die äußere Form scharfe Kanten A bis F, 0 und 0* - siehe Fig. 2a. Die Kanten können als eine mögliche Ausführung dieser Er­ findung auch abgerundet oder abgeschrägt sein.

Claims (5)

1. Faseroptisches Kreiselsystem bestehend aus drei fa­ seroptischen Kreiseleinheiten (50), jeweils mit opti­ schen Komponenten (52 bis 56) und einer Signalverar­ beitungsschaltung (58) zum Erfassen einer Rotations­ winkelgeschwindigkeit bezogen auf eine Achse, gekenn­ zeichnet durch eine äußere Form jeder Kreiseleinheit (50), die entsteht, indem man einen Körper in drei gleiche Einheiten teilt, die symmetrisch sind in Bezug auf die Symmetrieachse des Körpers und durch Zusammen­ fügen der drei einachsigen Kreiselelemente (50) in symmetrischen Positionen in Bezug auf die Symmetrie­ achse zu einem faseroptischen Kreiselsystem, das Rota­ tionswinkelgeschwindigkeiten erfassen kann bezogen auf drei senkrecht zueinander stehende Achsen.

2. Faseroptische Kreiseleinheit (50) zum Erfassen ei­ ner Rotationswinkelgeschwindigkeit für eine Achse, da­ durch gekennzeichnet, daß optische Komponenten (52 bis 56) und eine Signalverarbeitungsschaltung (58), die Kreiseleinheit als faseroptische Kreiseleinheit arbei­ ten lassen, und daß die Einheit (50) eine äußere Form hat, die dadurch entsteht, daß man einen Körper in drei gleiche Teile teilt, die symmetrisch sind bezüglich der Symmetrieachse des Körpers.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Körper ein Polyeder ist.

4. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Körper ein Kubus ist.

5. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Körper eine Kugel ist.