DE69405434T2

DE69405434T2 - Aufnehmerspule eines Lichtleitfaserkreisels

Info

Publication number: DE69405434T2
Application number: DE69405434T
Authority: DE
Inventors: Alan R Malvern
Original assignee: Litef GmbH
Current assignee: Northrop Grumman Litef GmbH
Priority date: 1993-03-19
Filing date: 1994-03-16
Publication date: 1998-04-09
Anticipated expiration: 2014-03-17
Also published as: EP0616196A1; JPH072427A; DE69405434D1; JP2939412B2; EP0616196B1; GB9305688D0; US5465150A

Description

Die Erfindung betrifft eine Aufnehmerspule eines Lichtleitfaserkreisels sowie ein Hersteilverfahren für diese. Genauer gesagt, betrifft die Erfindung verbesserte Aufnehmerspulen von Lichtleitfaserkreiseln sowie ein Verfahren zu deren Ausbildung.
Lichtleitfaserkreisel umfassen ein Interferometer mit einer Lichtquelle, einem Strahlteiler und einem Detektor sowie eine faseroptische Aufnehmerspule. Licht von der Lichtquelle wird durch den Strahlteiler aufgeteilt und an die Enden der Aufnehmerspule gegeben. Das Interferometer und zugehörige Elektronik verarbeiten die Phasenbeziehung zwischen den zwei den zwei interferierenden, sich gegenläufig ausbreitenden Strahlen des Lichts, das aus den entgegengesetzten Enden der Spule austritt. Die Differenz zwischen den Phasenverschiebungen, wie sie die zwei Strahlen erfahren haben, bildet ein Maß für die Drehrate der Platte, auf der das Instrument befestigt ist.
Eines der Probleme in Zusammenhang mit derzeit bekannten Aufnehmerspulen für Lichtleitfaserkreisel ist ihre Temperaturempfindlichkeit. Daher ist es übliche Vorgehensweise, eine Faser dergestalt zu einer Spule zu wickeln, dass die Faser in abwechselnden Schichten liegt, die von abwechselnden Wicklungen der Faser versorgt werden. Eine derartige Anordnung ist in Fig. 1 veranschaulicht, und sie trägt dazu bei, den Effekt irgendwelcher radialer Temperaturdifferenzen zu verringern, wie sie Lichtstrahlen in Uhrzeigerrichtung und Gegenuhrzeigerrichtung erfahren. Jede erfahrene Änderung der Pfadlänge ändert die Zeit, die das Licht dazu benötigt, um die Spule zu laufen, und dies hat einen nachteiligen Effekt auf das Funktionsvermögen eines Kreisels. Die oben genannte Anordnung verringert zwar die Temperaturempfindlichkeit, kann jedoch keine Temperatureffekte auf Faserstücken ausmitteln, die kürzer als die doppelte Schicht sind, da diese Faser nur von einer der zwei Spulen herkommt. Zusätzlich zum Obigen hat auch jede axiale Temperaturschwankung dT/dx entlang der Achse X der Aufnehmerspule einen deutlichen Effekt auf das Funktionsvermögen des Kreisels, da derartige Temperaturschwankungen nicht kompensiert werden können.
Aus Fig. 1 ist es ersichtlich, dass die Faser am Ende jeder Schicht einen Doppelschichtsprung in die nächste Schicht erfahren muss, bevor sie erneut um die Spule gewickelt wird. Ein derartiger Sprung kann zu einer Mikrobiegung führen, mit der zugehörigen, und unerwünschten, Folge einer polarisierenden Wechselwirkungskopplung. Eine derartige Wechselwirkungskopplung ist als eine der Hauptfehlerquellen eines Kreisels bekannt.
Das Dokument US 4,856,900 offenbart eine als Quadrupol gewickelte Aufnehmerspule für einen Lichtleitfaserkreisel, bei der abwechselnde Faserdoppelschichten auf eine Spule gewickelt sind und Mikrobiegungen dadurch verringert sind, dass die Faser über drei konzentrische Windungen angrenzend an verschiedene Ausgangsflansche gewickelt wird, während die abwechselnde Doppelschicht gewickelt wird. Eine neue abwechselnde Doppelschicht wird dann leicht begonnen, ohne die Faser zu verbiegen, wodurch die unerwünschten Effekte von Mikrobiegungen vermieden sind.
Die oben genannte Vorgehensweise verringert zwar Probleme in Zusammenhang mit Mikrobiegungen, unternimmt jedoch wenig zum Verringern der Probleme in Zusammenhang mit axialer und radialer Temperaturempfindlichkeit. Tatsächlich würde die Verwendung derartiger Faserdoppelschichten das Problem mit der radialen Temperaturempfindlichkeit verstärken.
Gemäß dem Dokument EP-A-0488255 wird der Spulenhalter in zwei Hälften unterteilt, nämlich eine Hälfte für Wicklungen in Uhrzeigerrichtung und eine andere Hälfte für Wicklungen in Gegenuhrzeigerrichtung; in keinem Teil auf dem Spulenhalter überlappen Wicklungen in Uhrzeigerrichtung und solche in Gegenuhrzeigerrichtung.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Aufnehmerspule für einen Lichtleitfaserkreisel und ein Verfahren zum Herstellen derselben zu schaffen, die die oben genannten Probleme verringern und möglicherweise beseitigen.
Demgemäß schafft die Erfindung eine faseroptische Spule, die von einem Paar Versorgungen gewickelt wird und folgendes aufweist: eine Faserwicklung auf einer Spule, wobei sich die Faser ausgehend vom Mittelpunkt der Spule in entgegengesetzten Richtungen erstreckt, wobei die eine in Uhrzeigerrichtung und die andere in Gegenuhrzeigerrichtung zu den Enden der Spule und zurück zum Zentrum derselben läuft, wobei die Fasern im Zentrum der Spule einander überkreuzen und zumindest noch einmal in entgegengesetzten Richtungen gewickelt sind, von denen die eine in Uhrzeigerrichtung und die andere in Gegenuhrzeigerrichtung zu den Enden der Spule und zurück zum Zentrum derselben verlaufen.
Es ist zu beachten, dass durch Wickeln der Faser auf die oben genannte Weise jeder Punkt auf jeder Hälfte derselben dieselbe Temperatur erfährt, wenn derselbe Abstand vom Zentrum der Spule vorliegt. Eine derartige Anordnung verringert, und beseitigt möglicherweise, hierdurch sowohl die axiale als auch radiale Temperaturempfindlichkeit einer Aufnehmerspule für einen Lichtleitfaserkreisel.
Zusätzlich zum oben genannten Vorteil vermeidet die vorliegende Anordnung unerwünschte Mikrobiegung durch Überkreuzen der Fasern im Zentrum der Spule, wo eine allmähliche Änderung der Faserposition möglich ist.
Gemäß einer anderen Erscheinungsform der Erfindung ist ein Verfahren zum Wickeln einer optischen Faser von einer ersten und einer zweiten Versorgung auf eine Sensorspule geschaffen, das die folgenden Schritte umfasst:
(a) Lokalisieren eines Punkts auf der Faser zwischen den Enden derselben; anschließend
(b) Positionieren des Punkts auf der Faser an einem Mittelpunkt auf der Spule; anschließend
(c) Wickeln der Faser auf die Spule durch Wickeln der Faser von jeder Versorgung in entgegengesetzten Richtungen, von denen die eine in Uhrzeigerrichtung und die andere in Gegenuhrzeigerrichtung geht, zu den Enden der Spule und zurück zum Zentrum derselben, um dadurch eine erste Doppelschicht auszubilden; anschließend
(d) Überkreuzen der Versorgungen; anschließend
(e) Wiederholen der obigen Schritte c und d, damit sich eine gleichmäßige Anzahl von Doppelschichten ergibt, um dadurch eine Sensorspule für einen Lichtleitfaserkreisel zu erzeugen.
Vorzugsweise ist der Punkt auf der Faser zwischen den Enden derselben der Mittelpunkt derselben.
Geschickterweise ist jede Versorgung eine Faserhaspel.
Die Erfindung wird nun nur beispielhaft unter Bezugnahme auf die beigefügten zeichnungen spezieller beschrieben.
Fig. 1 ist ein Teilschnitt einer ersten, wohlbekannten Spulenwicklung;
Fig. 2 ist ein Teilschnitt einer zweiten Spulenwicklung, wie im Dokument US 4,856,900 genannt;
Fig. 3 ist eine schematische Wiedergabe eines Lichtleitfaserkreisels mit einer gemäß der Erfindung gewickelten Faserspule;
Fig. 4 ist ein Kurvenbild, das eine mögliche Temperaturvariation in einer Aufnehmerspule zeigt, die gemäß Fig. 1 oder 2 gewickelt ist;
Fig. 5 bis 8 sind Teilschnitte einer Aufnehmerspule, die gemäß der Erfindung gewickelt ist, und sie veranschaulichen die verschiedenen Herstellstadien derselben; und
Fig. 9 ist eine Draufsicht auf die Spule, gesehen in der Richtung des Pfeils P in Fig. 8; und
Fig. 10 ist eine vollständige Schnittansicht einer fertiggestellten Aufnehmerspule, die gemäß der Erfindung gewickelt ist.
Es wird zunächst auf Fig. 3 Bezug genommen, gemäß der ein Lichtleitfaserkreisel 10 eine Lichtquelle 12 umfasst, die Licht über eine Y-Verzweigung 14 an einen Polarisator 16 liefert. Das polarisierte Licht wird an eine weitere Y-Verzweigung 18 geliefert, wo es in zwei Komponenten (in Uhrzeigerrichtung und in Gegenuhrzeigerrichtung) aufgeteilt wird, die, nach Modulation durch einen Modulator 20, um eine Spule der optischen Faser 24 mit vielen Windungen laufen. Nachdem die UZR- und GUZR-Komponenten durch die Y- Verzweigung 18 wieder kombiniert sind, werden sie über den Polarisator 16 und die Y-Verzweigung 14 zu einem Detektor 26 geleitet. Ein Mikroprozessor (nicht dargestellt) steuert die verschiedenen Aufbauteile des Kreisels 10 und verarbeitet das Ausgangssignals des Detektors auf bekannte Weise und gibt Daten aus, die die auf die Spule wirkende Drehrate repräsentieren.
Es wird nun erneut auf die Fig. 1 und 2 Bezug genommen, aus denen ersichtlich ist, dass verschiedene Teile der aufgewickelten Faser abhängig von ihrer Position verschiedene Temperaturen erfahren. Die Faserstücke an den Enden der Spule erfahren höhere Temperaturen als innerhalb der Spule eingebettete Faserstücke. Die in den Fig. 1 und 2 veranschaulichte Technik mit abwechselnden Schichten führt zu einer Temperatur-Fehlanpassung, die die UZR- und GUZR-Komponenten zu einem jeweiligen Zeitpunkt erfahren. Offensichtlich variiert die erfahrene Temperatur mit der Zeit, und dies verursacht eine Variation der optischen Pfadlängen, die die zwei Komponenten erfahren. Schwankungen der Pfadlänge führen dazu, dass eine Komponente länger dazu braucht, um die Spule zu laufen, als die andere, was zu einer falschen Anzeige der Drehung führt und demgemäß deutliche Kreiselfehler hervorruft.
Fig. 4 veranschaulicht eine typische Temperatur/Zeit-Schwankung für UZR- und GUZR-Komponenten in einer faseroptischen Aufnehmerspule.
Die Erfindung überwindet das oben genannte Problem und verringert das Problem in Zusammenhang mit Mikrobiegungen durch Aufwickeln des faseroptischen Kabels in spezieller Weise auf die Spule, wie es am besten aus den Fig. 5 bis 8 erkennbar ist.
Während der Herstellung wird die Faser 50 in zwei Teile 50a, 50b unterteilt, von denen jedes auf eine andere Zuführhaspel (nicht dargestellt) gewickelt ist, und das Aufwickeln wird ausgehend von der Mitte 52 der Faser gestartet. Um die Faser zu wickeln, werden beide Zuführhaspeln um das Zentrum der Spule 24 gedreht, jedoch in entgegengesetzten Richtungen A B, von denen die eine in Uhrzeigerrichtung und die andere in Gegenuhrzeigerrichtung zu den Enden 54, 56 (Fig. 5) und zurück zum Zentrum (Fig. 6) führt. Die Zuführhaspeln (nicht dargestellt) werden dann an einer geeignet großen Übergangsstelle in der Trägerwand 51 (Fig. 9) überkreuzt (Fig. 7), und der Wicklungsvorgang wird neu begonnen, um eine andere Doppelschicht durch Abwickeln zu den Enden 54, 56 und erneut zurück zum Zentrum 50 zu erzeugen. Wenn die Fasern 50a, 50b das Zentrum erreichen, werden sie erneut überkreuzt, und der Wicklungsschritt wird wiederholt, bis die Spule 24 vollständig aufgewickelt ist, wie es in Fig. 9 dargestellt ist.
Es ist ersichtlich, dass durch Wickeln der Faser in entgegengesetzten Richtungen, weg vom Zentrum der Spule und dann zurück zum Zentrum, entsprechende Abschnitte in Uhrzeiger-und in Gegenuhrzeigerrichtung immer denselben Abstand vom Zentrum der Spule einhalten und daher immer dieselbe Temperatur erfahren. Axiale Temperaturschwankungen dT/dx sind daher beseitigt, was die Genauigkeit des Sensors erhöht. Die Effekte einer radialen Temperaturschwankung sind durch Überkreuzen der Fasern in Uhrzeigerrichtung und in Gegenuhrzeigerrichtung in der Mitte der Spule beseitigt, was gewährleistet, dass entsprechende Faserabschnitte in Uhrzeigerrichtung und in Gegenuhrzeigerrichtung immer an derselben radialen Position liegen.
Zusätzlich zum Obigen ist es aus den Fig. 5 bis 9 ersichtlich, dass das Überkreuzen der Fasern 50 in der Mitte der Spule erfolgt und dass ein allmählicher Übergang zwischen Schichten möglich ist. Daher ist es weniger wahrscheinlich, dass Mikrobiegung, mit den zugehörigen Problemen einer polarisierenden Wechselwirkungskopplung, auftritt. Eine derartige Wechselwirkungskopplung ist, wie oben erörtert, als eine der Hauptfehlerquellen eines derartigen Kreisels bekannt.

Claims

1. Faseroptische Spule, die von einem Paar Versorgungen gewickelt wird, gekennzeichnet durch:

- eine Faserwicklung (50) auf einer Spule, wobei sich die Faser (50) ausgehend von einem Mittelpunkt (52) in entgegengesetzten Richtungen auf der Spule erstreckt, von denen die eine in Uhrzeigerrichtung und die andere in Gegenuhrzeigerrichtung zu den Enden der Spule und zurück zum Zentrum derselben zum Erzeugen einer Doppelschicht führt, wobei die Fasern im Zentrum (52) der Spule überkreuzt sind und zumindest einmal in den zueinander entgegengesetzten Richtungen gewickelt sind, von denen die eine in Uhrzeigerrichtung und die andere in Gegenuhrzeigerrichtung (50a, 50b) zu den Enden und zurück zum Zentrum der Spule führt, um mindestens eine weitere Doppelschicht zu bilden.

2. Faseroptische Spule nach Anspruch 1, mit einer weiteren Einzelschicht (50c) einer Faser, die die äußerste Schicht der Spule (24) bildet.

3. Verfahren zum Wickeln einer optischen Faser von einer ersten und einer zweiten Versorgung auf eine Sensorspule, gekennzeichnet durch die folgende Schritte:

(a) Lokalisieren eines Punkts (52) auf der Faser (50) zwischen den Enden derselben; anschließend

(b) Positionieren des Punkts (52) auf der Faser an einem Mittelpunkt auf der Spule; anschließend

(c) Wickeln der Faser (50) auf die Spule durch Wickeln der Faser von jeder Versorgung in entgegengesetzten Richtungen, von denen die eine in Uhrzeigerrichtung und die andere in Gegenuhrzeigerrichtung geht, zu den Enden der Spule und zurück zum Zentrum derselben, um dadurch eine erste Doppelschicht (50a, 50b) auszubilden; anschließend

(d) Überkreuzen der Versorgungen; anschließend

(e) Wiederholen der obigen Schritte c und d, damit sich eine gleichmäßige Anzahl von Doppelschichten ergibt, um dadurch eine Sensorspule (24) für einen Lichtleitfaserkreisel zu erzeugen.

4. Wickelverfahren nach Anspruch 3, bei dem der Punkt (52) auf der Faser zwischen den Enden derselben der Mittelpunkt derselben ist.

5. Wickelverfahren nach Anspruch 3 oder Anspruch 4, bei dem jede Versorgung eine Haspel mit der Faser (50) ist.

6. Wickelverfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, mit dem Schritt des Wickelns einer einzelnen Schicht (50c) der Faser als äußere Schicht der Spule (24).