DE4220725C2 - Faseroptisches Kreiselsystem und faseroptische Kreiseleinheit - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein faseroptisches Kreiselsystem nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie eine faseropti­ sche Kreiseleinheit nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 2.

Ein Sensor, der auf einem bewegten Körper befestigt ist und ohne Information von außen die Rotationswinkelgeschwindigkeit oder einen Winkel messen kann, um damit die Winkellage oder die Position des bewegten Körpers zu kontrollieren, wird als Gyroskop bezeichnet. Faseroptische Kreiseleinheiten sind Gy­ roskope, die den Sagnac-Effekt ausnützen, um Drehgeschwindig­ keiten oder Winkelstellungen zu ermitteln. In den letzten Jahren werden in industriellen Anwendungen allgemein einachsige faseroptische Kreiseleinheiten 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 aufgebaut werden.
• 4. Ihr Energieverbrauch ist gering.
• 5. Ihr dynamischer Meßbereich ist breit.
• 6. Sie sind zur Großserienfertigung und zur Kostensen­ kung geeignet.

Fig. 4 zeigt das Blockdiagramm einer typischen faseroptischen Kreiseleinheit. Das dargestellte Gerät enthält eine Licht­ quelle 11, einen Lichtempfänger (Detektor) 12, eine faserop­ tische Spule 13, einen Phasenmodulator 14, Richtungskoppler 15a und 15b, einen Polarisator 17 und eine Leiterplatte 16, auf der eine Signalverarbeitungsschaltung aufgebracht ist. Ein Lichtstrahl aus der Lichtquelle 11 durchläuft den Rich­ tungskoppler 15a. Nachdem im Polarisator 17 der Lichtstrahl polarisiert und Störungen ausgefiltert wurden, wird er durch den Richtungskoppler 15b in zwei Strahlen aufgeteilt und da­ durch 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 ver­ laufender Lichtstrahl aus. Die faseroptische Spule 13 besteht aus lichtleitendem Fasermaterial und dient in der faseropti­ schen Kreiseleinheit als Winkelgeschwindigkeitssensor. Die Drehung der faseroptischen Spule 13 verursacht eine Phasen­ verschiebung zwischen den Lichtstrahlen, die sich im bzw. ge­ gen den Uhrzeigersinn ausbreiten, wobei der Betrag der Dre­ hung durch Messen der Phasenverschiebung ermittelt wird. Da auf diese Weise nur die Drehung um die Längsachse der fa­ seroptischen Kreiseleinheit gemessen werden kann, ist nur die Drehbewegung um eine einzelne Achse bekannt. Der Phasenmodu­ lator 14 erzeugt eine Phasenverschiebung von 90° zwischen den im bzw. entgegen dem Uhrzeigersinn verlaufenden Lichtstrah­ len, 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 61-266911 wird ein Gyroskop ähnlich dem in Fig. 5 beschrieben.

Aus dem US-Patent 4 315 693 ist ein faseroptisches Kreiselsy­ stem bekannt, mit dem Rotationswinkelgeschwindigkeiten um drei senkrecht zueinander verlaufende Rotationsachsen be­ stimmt werden können. Dieses Kreiselsystem besteht aus drei faseroptischen Kreiseleinheiten, von denen jede mittels optischer Komponenten die Rotationswinkelgeschwindigkeit um eine der Rotationsachsen erfassen kann. Die erfaßten Rotati­ onswinkelgeschwindigkeiten werden anschließend an einen außerhalb des Kreiselsystems angeordneten Computer weiterge­ leitet, der die Signale der einzelnen Kreiseleinheiten verar­ beitet und die Rotationswinkelgeschwindigkeiten bestimmt.

Die EP 0 388 499 A1 zeigt eine Drehratensensoranordnung mit faseroptischen Sagnacinterferometern für drei Raumrichtungen. Die Drehratensensoranordnung verwendet drei Sensorspulen, die zu den drei Raumachsen entsprechend ausgerichtet sind und über insgesamt fünf Strahlenteiler in einer gemeinsamen Lichtleitfaser enden. Die Lichtleitfaser endet ihrerseits in einer Lichtquelle, die den für die Auswertung erforderlichen Lichtstrahl erzeugt. Zusätzlich ist ein Faserrichtkoppler an der Lichtleitfaser vorgesehen, mit dem die Teillichtstrahlen, die die Sensorspulen bereits durchlaufen haben, einer Detek­ toranordnung zugeleitet werden.

Das US-Patent 4 815 853 beschreibt ein faseroptisches- Krei­ selsystem bestehend aus drei Sensorspulen. Dabei ist die erste Sensorspule über einen Lichtkoppler mit der zweiten Sensorspule und die zweite Sensorspule über einen Licht­ koppler mit der dritten Sensorspule verbunden. Die erste Sensorspule ist mit ihren Faserenden in einem Strahlenteiler aufgenommen, der das von einer Lichtquelle über eine Licht­ leitfaser eingestrahlte Licht aufteilt. An der Lichtleitfaser ist zusätzlich ein Faserlichtkoppler vorgesehen, der die Teillichtstrahlen, die die Sensorspulen bereits durchlaufen haben, über eine zweite Lichtleitfaser einer Detektoreinrich­ tung zuleiten.

Bei den bekannten Kreiselsystemen werden die verschiedenen Rotationswinkelgeschwindigkeiten durch die einzelnen Kreisel­ einheiten nur erfaßt. Die eigentliche Bestimmung der Rota­ tionswinkelgeschwindigkeiten erfolgt außerhalb des Kreiselsy­ stems. Ein unabhängiges Bestimmen der Rotationswinkelge­ schwindigkeiten durch die einzelnen Kreiseleinheiten ist nicht möglich. Ferner müssen die einzelnen Kreiseleinheiten bei allen bekannten Kreiselsystemen jeweils in einem gemein­ samen Rahmen gehalten werden, der hochgenau gefertigt sein muß, damit die zu erfassenden Rotationsachsen senkrecht zueinander verlaufen.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein aus mehreren Kreiseleinhei­ ten bestehendes faseroptisches Kreiselsystem bzw. eine Krei­ seleinheit anzugeben, bei dem bzw. bei der der Zusammenbau zu einem kompakten Kreiselsystem auf einfache Weise möglich ist und das bzw. die sich für die Großserienproduktion eignet.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentan­ spruchs 1 oder durch die Merkmale des Patentanspruchs 2 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich jeweils aus den Unteransprüchen.

Bei der Erfindung ist jede Kreiseleinheit mit einer Signal­ verarbeitungsschaltung und den zugehörigen optischen Kompo­ nenten ausgestattet, so daß jede Kreiseleinheit unabhängig von einer zentralen Signalverarbeitungsanlage selbständig die Rotationswinkelgeschwindigkeit bestimmen kann. Ferner sind bei der Erfindung die optischen Komponenten und die Signal­ verarbeitungsschaltung jeder Kreiseleinheit in einem gemein­ samen Raum angeordnet. Die äußere Form des Raumes entsteht, indem ein Körper, beispielsweise ein Polyeder, ein Kubus oder eine Kugel, in drei identische Einheiten geteilt wird. Hierzu wird der Körper entlang seiner Symmetrieachse symmetrisch in die Einheiten geteilt. Die äußere Form jedes Raumes ent­ spricht der äußeren Form einer dieser Einheiten. Da jede Kreiseleinheit aus den gleichen Bauteilen besteht und die gleiche äußere Form besitzt, eignen sich diese besonders gut für eine Großserienproduktion. Werden die so gestalteten Kreiseleinheiten beim Zusammenbau zu einem Kreiselsystem so zueinander angeordnet, daß sie miteinander vereinigt wieder die äußere Form des Körpers bilden, verlaufen die zu überwa­ chenden Rotationsachsen zwangsläufig senkrecht zueinander. Sollte eine der Kreiseleinheiten auf Grund eines technischen Defektes ausfallen, kann diese problemlos durch eine neue Kreiseleinheit ersetzt werden, wobei ein Einstellen der Rota­ tionsachsen nicht erforderlich ist.

Die äußere Form des Kreiselsystems entspricht der in Fig. 2 dargestellten, wenn man als äußere Form einen Kubus wählt. Der Kubus wird in bezug auf seine Symmetrieachse in drei gleiche Einheiten geteilt. In Fig. 2a sind die Kanten durch die Buchstaben A bis F, O und O* gekennzeichnet. Fig. 2b zeigt eine Einheit 1, eine Einheit 2 und eine Einheit 3, die entstehen, wenn der Kubus entlang der Flächen OBO*, OCO* und OEO* geteilt wird, in denen jeweils die Diagonalen OB, OC und OE der 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 Grundflä­ che. Wenn die drei Einheiten zu dem Kreiselsystem in Kubus­ form zusammengebaut werden, bildet die Verbindungslinie OO* der Kubusform die Symmetrieachse.

Die äußere Form einer Kreiseleinheit ist nicht auf die darge­ stellte Form einer tetragonalen Pyramide beschränkt. Die äu­ ßere 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 Symme­ trieachse (Verbindungslinie OO*). Fig. 3 zeigt, daß die Ein­ heit 1 eine Oberseite OBO* hat mit einem Vorsprung entspre­ chend dem schraffiert dargestellten Teil und eine Fläche OCO* mit einer Vertiefung, die formgleich mit dem Vorsprungsteil ist. Die äußeren Formen des Vorsprungs und der Vertiefung sind symmetrisch zur Verbindungslinie OO*. Die Einheiten 2 und 3 haben die gleiche äußere Form wie die Einheit 1 und bilden mit ihr zusammen das kubusförmige Kreiselsystem, wenn sie in bezug auf die Verbindungslinie OO* in symmetrischen Positionen angeordnet sind.

Die Bezeichnung "äußere Form" der Einheit in der Beschreibung bezieht sich nicht zwangsläufig auf die aktuelle Form einer Kreiseleinheit. Statt dessen bezieht sich diese Bezeichnung auf den Raum, in dem die Komponenten angeordnet sind, die zum Aufbau eines faseroptischen Kreiselsystems benötigt werden. Des weiteren ist die äußere Form nicht beschränkt auf die Ku­ busform. So können z. B. andere Polyeder wie Hexaeder oder Octaeder verwendet werden. Eine Kugelform ist ebenfalls zu­ lässig. Zusammenfassend gilt, daß jede geometrische Form be­ nutzt werden kann, solange sie in drei gleiche und achssymme­ trische 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 ach­ sialsymmetrischen 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 äußere Form der Einheit, in der die Komponenten der einachsigen Kreiseleinheit 50 unter­ gebracht sind, ist die einer tetragonalen Pyramide mit einer quadratischen Bodenfläche (vgl. Fig. 2). Die tetragonale Py­ ramide aus Fig. 1 mit den Eckpunkten O, A, B, C und O* ent­ spricht der Einheit 1 aus Fig. 2, die als tetragonale Pyrami­ de dargestellt ist und die Eckpunkte O, A, B, C und O* hat.

Wie in Fig. 1 gezeigt ist, wird eine quadratische Platine 51 mit 100 mm Seitenlänge als Bodenplatte verwendet, auf der ei­ ne Lichtquelleneinheit 52, ein Lichtempfänger (Detektor) 53 und eine faseroptische Spule 54 (Sensorspule) sowie auf einer gemeinsamen Befestigungsplatte 57 zwei Richtungskoppler 56 montiert sind. Die faseroptische Spule 54 enthält einen Pha­ senmodulator 55 mit einem zylindrischen Piezoelement. Die Richtungskoppler 56 werden mit Lichtleitern 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 58 oberhalb der faseroptischen Spule 54 angeordnet ist. Ein Polarisator 510 aus faseroptischem Mate­ rial ist um die faseroptische Spule 54 herumgelegt. Ein Ver­ stärkungsstab 511 ist entlang der Linie A-O parallel zur Mit­ telachse der faseroptischen Spule 54 angebracht.

Alle Komponenten sind so angeordnet, daß sie nicht über die äußeren Formgrenzen (tetragonale Pyramide OABCO*) der Krei­ seleinheit 50 herausragen. Nachdem drei solche einachsigen Kreiseleinheiten 50 montiert sind, werden sie mit Hilfe der Verbindungselemente 512, 513 und 514 gemäß Fig. 2 so mitein­ ander verbunden, daß sie ein dreiachsiges faseroptisches Kreiselsystem bilden. Das Verbindungselement 512 ist entlang der Linie B-O* montiert, das Verbindungselement 513 entlang der Linie C-O* und das Verbindungselement 514 wird am Punkt O montiert. Wie bereits ausgeführt, überschneidet sich keine der Komponenten der einachsigen Kreiseleinheit 50 beim Zusam­ menfügen mit einer Komponente einer der anderen Kreiselein­ heiten, da jede Komponente einer einachsigen Kreiseleinheit innerhalb der äußeren Form der jeweiligen Pyramide angeordnet ist.

Die einachsige faseroptische Kreiseleinheit 50, bestehend aus optischen Komponenten und einer Signalverarbeitungsschaltung, hat also eine äußere Form, die entsteht, wenn ein Kubus in drei gleiche symmetrische Einheiten geteilt wird. Die drei Kreiseleinheiten 50, die das dreiachsige Kreiselsystem bil­ den, haben identische äußere Form. Dies erleichtert das Zu­ sammenfügen der Kreiseleinheiten 50 und somit die Großserien­ fertigung und reduziert die Herstellkosten.

In der dargestellten Ausführungsform werden die drei Kreisel­ einheiten 50 durch die Verbindungselemente 512, 513 und 514 miteinander verbunden, die dazu aus der tetragonalen Pyrami­ denform herausragen. Die beanspruchte Erfindung bezieht sich auch auf diese Ausführungsform.

In der dargestellten Ausführungsform hat die äußere Form der Kreiseleinheit 50 scharfe Kanten A bis F, O und O* (siehe Fig. 2a). Die Kanten können auch abgerundet oder abgeschrägt sein.

Claims (5)

1. Faseroptisches Kreiselsystem zum Bestimmen der Rotations­ winkelgeschwindigkeiten um drei senkrecht zueinander ver­ laufende Rotationsachsen, bestehend aus drei faseropti­ schen Kreiseleinheiten (50), von denen jede mittels opti­ scher Komponenten (52 bis 56) die Rotationswinkelge­ schwindigkeit um eine der Rotationsachsen erfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Kreiseleinheiten (50) zum Bestimmen der Rotationswinkelgeschwindigkeit eine Signal­ verarbeitungsschaltung (58) hat, die mit den jeweils zu gehörigen optischen Komponenten (52 bis 56) in einem ge­ meinsamen Raum angeordnet ist, dessen äußere Form ent­ steht, indem ein Körper in drei gleiche Einheiten geteilt wird, die symmetrisch zur Symmetrieachse des Körpers an­ geordnet sind, wobei die äußere Form des Raums der äuße­ ren Form der Einheit entspricht, und daß beim Zusammen­ setzen der Kreiseleinheiten zum Kreiselsystem diese den Körper bilden.

2. Faseroptische Kreiseleinheit, die mittels optischer Kom­ ponenten (52 bis 56) die Rotationswinkelgeschwindigkeit um eine Rotationsachse erfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß die Kreiseleinheit (50) zum Bestimmen der Rotations­ winkelgeschwindigkeit eine Signalverarbeitungsschaltung (58) hat, die mit den optischen Komponenten (52 bis 56) in einem gemeinsamen Raum angeordnet ist, dessen äußere Form entsteht, indem ein Körper in drei gleiche Einheiten geteilt wird, die symmetrisch zur Symmetrieachse des Kör­ pers angeordnet sind, wobei die äußere Form des Raums der äußeren Form der Einheit entspricht.

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.