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Die Erfindung betrifft Lichtleitfaserkreisel, im Folgenden als Faserkreisel oder
in der üblichen Abkürzung als FOG (fiber optic gyroscope) bezeichnet.
Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf die Auslegung der Sensorspule
beispielsweise im Hinblick auf hohe Vibrationsbelastungen und rasche Wechsel
der Umgebungstemperatur.
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Ein interferometrischer Faserkreisel enthält folgende Hauptkomponenten:
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(1) eine Lichtquelle,
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(2) zwei Strahlteiler, also beispielsweise faseroptische Richtkoppler und/-
oder Y-Verbinder, also Strahlteiler/Strahlvereiniger in integrierter Optik,
um den Minimalanforderungen an einen reziproken Aufbau zu genügen
(vgl. S. Ezekfel und M. J. Arditti, Fiber Optic Rotation Sensors, New
York, Springer-Verlag, Seiten 2-26 (1982),
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(3) eine faseroptische Sensorspule, die entweder aus
polarisationserhaltender (PM) (polarization maintaining) Faser oder aus gering
doppelbrechender also Standard-Telekommunikations-Faser hergestellt sein kann,
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(4) einen Polarisator (und gelegentlich einen oder mehrere Depolarisatoren)
und
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(5) einen Detektor.
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Von der Lichtquelle ausgehendes Licht wird durch den der Spule zugeordneten
Strahlteiler in gegenläufig die Sensorspule durchsetzende Wellen aufgeteilt.
Die zugehörige Elektronik misst die Phasenbeziehung zwischen den beiden
gegenläufigen und interferierenden Lichtstrahlen, die an den
gegenüberliegenden Enden der Spule austreten. Die Differenz zwischen den die beiden
Strahlen beaufschlagenden Phasenverschiebungen ist als Folge des gut bekannten
Sagnac-Effekts proportional zur Drehrate der Plattform auf der das Instrument
fixiert ist.
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Umweltfaktoren können die gemessene Phasenverschiebungsdifferenz zwischen
den gegenläufigen Strahlen beeinflussen, so dass ein Bias-Fehler auftritt.
Solche Umweltfaktoren sind insbesondere variable Größen wie Temperatur,
akustische und mechanische Vibrationen und Magnetfelder. Im Allgemeinen
sind solche Faktoren sowohl zeitvariabel und ungleichmäßig über die Spule
verteilt. Diese Umweltfaktoren induzieren Veränderungen im optischen
Lichtweg, denen jede der gegenläufigen Wellen beim Durchlaufen der Spule
unterliegt. Die die beiden Wellen beaufschlagenden Phasenverschiebungen sind
ungleich, so dass sich insgesamt eine unerwünschte Phasenverschiebung
ergibt, die sich von dem durch eine Drehung induzierten Signal nicht
unterscheiden lässt.
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Ein Vorschlag, der eine Verminderung der Empfindlichkeiten gegen solche
Umweltfaktoren zum Ziel hat, sieht vor, verschiedene symmetrische Wickelmuster
für die Spule vorzusehen. In Spulen dieser Art sind die Windungen so
angeordnet, dass das geometrische Zentrum der Spule an der innersten Wickellage
liegt, während die beiden Enden der Spule an der äußersten Wickellage zu
finden sind.
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N. Frigo hat ein besonderes Wickelmuster vorgeschlagen, um
Nicht-Reziprozitäten zu kompensieren; vgl. "Compensation of Linear Sources of
Non-Reciprocity in Sagnac Interferometers", Fiber Optics and Laser Sensors I, Proc. SPIE
Band 412, Seite 268 (1983). Weiterhin offenbart US 4,793,708 (Bednarz) mit
dem Titel "Fiber Optic Sensing Coil" eine symmetrische faseroptische
Sensorspule mit Dualpol- oder Quadropol-Wicklung. Die in dieser Patentschrift
beschriebenen Spulen zeigen deutliche Verbesserungen gegenüber
herkömmlicher Helix-Wickeltechnik.
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US 4,856.900 (Ivancevic) mit dem Titel "Quadrupole-Wound Fiber Optic
Sensing Coil and Method of Manufacture Thereof" beschreibt eine verbesserte
Spule mit Quadropol-Wicklung, bei der ein Quetschen und geringfügiges
Verbiegen der Faser aufgrund von nach oben schiebenden Fasersegmenten im
Bereich der Begrenzungsflansche des Spulenkörpers dadurch vermieden
werden, dass die nach oben geschobenen Segmente durch konzentrisch gewickelte
Wände von Wicklungen ersetzt werden, um den Anstieg zwischen einander
verbindenden Lagen zu vermeiden. Inhaberin der genannten US-Patente ist die
Anmelderin des vorliegenden Schutzrechts.
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Obgleich geeignete Spulenwickeltechniken einige der im Ausgangssignals eines
Faserkreisels auftretende Bias-Fehler minimieren, lassen sich dadurch jedoch
nicht alle auftretenden Bias-Fehler beseitigen. Insbesondere kann die
Auslegung der FOG-Sensorspule einen Einfluss auf den Random Walk, die Bias-
Stabilität, die Bias-Temperaturempfindlichkeit, die Empfindlichkeit der Bias-
Temperaturrampe, die Empfindlichkeit des Bias gegen Erschütterungen, die
magnetische Empfindlichkeit des Bias, die Temperaturempfindlichkeit des
Skalenfaktors, der Skalenfaktor Linearität und die Temperaturempfindlichkeit
der Eingangsachse haben.
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Andere Probleme ergeben sich aus der Lagerung und dem Transport von
optischen Faserspulen zu Orten, an denen die Faser weiterverarbeitet wird. Solche
Schwierigkeiten - insbesondere im Zusammenhang mit dem Ablauf einer Faser
von einer Vorratsspule - sind in EP-A-0 391 557 erläutert, worin vorgeschlagen
wird, die einzelnen Umläufe der optischen Faser mit einem Klebemittel zu
versehen, das eine Silikon-Kleberkomponente mit einem Modulverhalten enthält,
das über einen weiten Temperaturbereich relativ stabil ist, auch bei
Anwendung von hohen Faserablaufgeschwindigkeiten. Aus diesem Grund soll die
Glasübergangs- oder Glasumwandlungstemperatur des verwendeten Silikons
über einer bestimmten oberen Temperaturgrenze liegen.
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In der zeitgleich hinterlegten Europäischen Patentanmeldung,
Veröffentlichungs-Nr. EP-A-0 694 761, wird für Sensorspulen von FOGs vorgeschlagen,
die Wicklungen der Sensorspule in eine Matrix eines Klebstoffs einzulagern
bzw. einzutopfen, wodurch sich die Genauigkeit bei der Spulenwicklung
erleichtern lässt. In dieser Patentanmeldung wird auch erläutert, dass das
Vergussmaterial einen erheblichen Einfluss auf die Vibrationsempfindlichkeit
des Bias des Faserkreisels haben kann aufgrund einer nicht-reziproken
Phasenverschiebung zwischen den in der Spule gegenläufig umlaufenden
Lichtwellen als Folge von Änderungen der Faserlänge und des Brechungsindex
verursacht durch die dynamischen Vibrationsbeanspruchungen.
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Die letztgenannte EP-Veröffentlichung beschreibt eine Sensorspule, die eine
Anzahl von Merkmalen aufweist, um die Einflüsse der erwähnten
Umweltfaktoren zu minimieren. Angesprochen ist dort insbesondere das Verhältnis
zwischen dem Elastizitätsmodul des Vergussmaterials für eine derart
gekapselte Sensorspule und dem durch Erschütterungen induzierten Bias.
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Ganz allgemein ist in dieser EP-Patentanmeldung beschrieben, dass sich die
Güte eines FOGs hinsichtlich des vibrationsinduzierten Bias signifikant
verbessern lässt durch Verwendung eines Vergussmaterials mit hohem
Elastizi
tätsmodul oder Young-Modul. obgleich nicht so hoch, um nicht andere
Probleme zu verursachen beim Betrieb des FOGs bei Temperaturen, die von der
Aushärttemperatur des Vergussmaterials entfernt sind, wie temperaturbedingtes
Brechen der Spule, h-Parameter-Verschlechterung
(Polarisations-Kreuzkopplung), wenn die Spule aus PM-Faser besteht sowie große
Temperaturemfindlichkeit des Bias. Polymere sind "attraktive Kandidaten" für das klebefähige
Einlagerungsmaterial aufgrund gemeinsamer Eigenschaften wie weitgehende
Feuchtigkeitsresistenz und dergleichen. Es wurden bereits Sensorspulen unter
Verwendung von Polymeren nach der Lehre der erwähnten
EP-Patentanmeldung hergestellt. Beispielsweise ergaben sich für in UV-härtbare Acrylat-
Kleberverbindungen, vertrieben unter der Marke "NORDLAND 65", eingelagerte
Spulen sehr brauchbare Bias-Vibrationskenndaten. Beim Durchlaufen eines
den vorgegebenen Temperaturnutzungsbereich des FOGs einschließenden
Temperaturbereichs zeigen solche Spulen gleichwohl einige störende
temperaturabhängige Anomalien. Zu diesen gehört das sogenannte "Bias-Spiking" und
"Bias-Crossing". Beide Phänomene beeinträchtigen das Betriebsverhalten des
FOGs zumindest für einige Anwendungsfälle. Ein Bias-Spike kann eine solche
Größe erreichen, dass ein FOG eine bestimmte Spezifikation nicht mehr erfüllt,
während Bias-Crossing (ein Bias-Phasenwechsel) dazu führen kann, dass sich
der Bias-Fehler nicht mehr ausreichend beseitigen, z. B. kompensieren, lässt.
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Mit der Erfindung wird ein Faserkreisel vorgestellt für einen bestimmten
Betriebstemperaturbereich mit einer Faserspule, deren optische Faser in einer
Mehrzahl von konzentrischen zylindrisch angeordneten Lagen angeordnet ist,
wobei jede Lage eine Mehrzahl von Faserumläufen aufweist, wobei der
Faserkreisel für einen solchen Betriebstemperaturbereich ausgelegt ist, der sich
nach unten bis zu einer Temperatur gleich oder unter 0ºC erstreckt und bei
dem jede Windung in ein Vergussmaterial eingelagert ist, dessen
Glasübergangstemperatur unter dem bestimmten Betriebstemperaturbereich liegt.
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Soweit der Betriebsbereich des FOGs nicht angegeben oder bekannt ist, so
lässt sich in einem Fall für das Vergussmaterial eine Glasübergangstemperatur
angeben, die deutlich unter 0ºC liegt, insbesondere unter -10ºC, unter
-15ºC oder unter -20ºC, da für viele Faserkreisel Betriebstemperaturen bei
oder unter 0ºC gefordert werden. Für ideale kommerzielle Anwendungen lässt
sich zusätzlich eine Temperatur unter -40ºC, das heißt außerhalb eines
Bereichs von -40ºC bis +60ºC angeben, dem Temperaturbereich, der für
solche Anwendungen üblicherweise vorgegeben wird, während für militärische
Anwendungen ein Temperaturbereich von unter -55ºC gefordert wird, das
heißt für die Glasübergangstemperatur ein Bereich außerhalb von -55ºC bis
+105ºC, dem Betriebsbereich, der üblicherweise für solche Anwendungen
spezifiziert wird.
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Zum besseren Verständnis der Erfindung und deren Realisierung wird diese
nachfolgend anhand von Beispielen mit Bezug auf die Zeichnungen näher
erläutert. Es zeigen:
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Fig. 1 die Perspektivdarstellung der Sensorspule eines
Faserkreisels gemäß einer Ausführungsform der Erfindung:
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Fig. 2 eine vergrößerte Schnittdarstellung eines Teils einer in
Lagen aufgebrachten Wicklung der Sensorspule gemäß
Fig. 1;
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Fig. 3 und 4 graphische Wiedergaben des Bias eines FOGs, dessen
Sensorspule gemäß Fig. 1 und 2 und mit härtbarem NORD-
LAND-56W-Acrylatkleber vergossen war, in Abhängigkeit
von der Temperatur;
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Fig. 5 den Verlauf des Young-Moduls von ausgehärtetem NORD-
LAND-65-Acrylatkleber als Funktion der Temperatur;
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Fig. 6(A) und 6(B) eine graphische Wiedergabe des Young-Moduls einer
Silikonverbindung einerseits ohne und andererseits mit Ruß-
Füllmaterial als Funktion der Temperatur;
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Fig. 7 den Verlauf des Bias-Fehlers als Funktion der Temperatur
für einen FOG mit einer Sensorspule, die in eine mit Ruß-
Füller versehene Silikonzusammensetzung eingebettet ist:
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und
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Figur B die graphische Wiedergabe des AC-Bias aufgrund von
Vibrationen aufgetragen über der Vibrationsfrequenz für
eine in einer mit Ruß angereicherten Silikonmasse
eingebettete Spule.
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Zunächst veranschaulicht Fig. 1 die Perspektivansicht einer Sensorspule 10
gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Wie bereits erwähnt ist die
Sensorspule 10 ein für ein Faserkreiselsystem kritisches Element. Dieses FOG-
System ist starr auf einer Plattform fixiert, deren Drehrate zu messen ist.
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Die Sensorspule 10 enthält eine optische Faser 12, die auf einen tragenden
Spulenkörper 14 gewickelt ist und als Lichtleiter zur Führung eines
gegenläufigen Strahlenpaars dient, das von einer (nicht gezeigten) gemeinsamen
Lichtquelle ausgeht. Der tragende Spulenkörper 14 weist, wie in Fig. 1 dargestellt,
Endflansche auf, die jedoch auch nicht vorhanden sein können.
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Der Spulenkörper 14 besteht vorzugsweise aus einem
Kohlenstoffverbundmaterial oder einem anderen Material mit ähnlichen thermomechanischen
Eigenschaften, fnsbesondere aus einem steifen Material mit niedrigem
Temperaturausdehnungskoeffizienten einschließlich verwebter oder gewirkter
Kohlenstofffasern, wie sie beispielsweise durch die Amoco Corporation unter der
Handelsbezeichnung "P-25". "P-55" oder "P-105" vertrieben werden. Der Spulenkörper
besteht aus Fasern, die bei der Herstellung eines mehrlagigen Faserrohrs
oder eines Bahnmaterials unter Verwendung einer Verbund- oder
Verbindungsmatrix, beispielsweise eines phenolhaltigen Materials, eingesetzt wurden.
Der Spulenkörper 14 kann aus solchen Rohren oder Bahnenmaterialien durch
eine Anzahl von bekannten Herstellungsverfahren hergestellt worden sein,
beispielsweise durch Abtrennen von Teilabschnitten. Alternativ kann die gewebte
oder gewirkte Faser in vorgegebenen Orientierungen und Formen in einer
Matrize mit dem Verbundmaterial als Vergussmasse angeordnet worden sein.
Ein anderer Herstellungsprozess ist das Umformen, bei dem die zerhackte
Faser mit dem Umformmaterial gemischt und dann in eine Form eingebracht
oder unter Druck eingespritzt wird. Die Fasern werden vorzugsweise im
Matrix-Verbundmaterial rechtwinklig orientiert und hinsichtlich der Drehachse
22 des Spulenkörpers sowohl in Längs- als auch in Umfangsrichtung
ausgerichtet. Aufgrund dieser Faserausrichtung dehnt sich der Spulenkörper 14
sowohl in Längs- als auch in Radialrichtung symmetrisch mit der Temperatur
aus.
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Wie in der oben erwähnten EP-Patentanmeldung beschrieben haben die
Erfinder ein theoretisches Modell für die Bias-Nichtreziprozität eines Faserkreisels
entwickelt, das die Bias-Fehler aufgrund von Temperaturspannungen in
temperaturveränderlicher Umgebung beschreibt. Der Effekt ist ähnlich dem
Standard-Shupe-Temperatureffekt, über den in "Thermally lnduced
Non-Reciprocity in the Fiber Optic Interferometer". D. M. Shupe, Applied Optics,
Band 19. Seite 654 (1980), berichtet wird. Mit der Verwendung eines
Spulenkörpers 14 auf der Basis einer Kohlenstoffverbindung wird die eine Quelle
solcher Bias-Fehler, nämlich die thermische Fehlanpassung, die bisher zwischen
einer Lichtleitfaser aus Glas und einem herkömmlichen metallischen
Spulenkörper gegeben ist, angegangen. Eine weitere Ursache für durch
Wärmespannungen induzierte Bias-Fehler ergibt sich aus den Wärmespannungen
durch Ausdehnung/Kontraktion des Spulenvergussmaterials (wird weiter
unten erläutert). Die Unterschiede zwischen dem bekannten Standard-Shupe-
Temperatureffekt und dem durch Wärmespannungen induzierten Shupe-Effekt
lassen sich deutlich wahrnehmen, wenn eine Spule in betriebsbereitem
Zustand Temperaturwechseln unterworfen wird. Während der Bias-Fehler
aufgrund des Standard-Shupe-Effekts verschwindet, sobald die
Temperaturgradienten mit der Zeit konstant werden, ist der Bias-Fehler aufgrund von
Wärmespannungseffekten nicht Null, solange sich die Temperatur der Spule ändert,
und dieser Effekt verbleibt auch dann, wenn die Temperaturgradienten Steady-
State erreicht haben. Betrachtet man diese Effekte gegeneinander, so ist der
Standard-Shupe-Effekt hauptsächlich eine Funktion der
Änderungsgeschwindigkeit der Temperaturgradienten in der oder über die Spule, während der
durch Wärmespannungen induzierte Shupe-Effekt hauptsächlich eine
Funktion der Änderungsgeschwindigkeit der Spulendurchschnittstemperatur ist.
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Fig. 2 gibt eine vergrößerte Schnittdarstellung eines repräsentativen
Abschnitts der Windungslagen der optischen Faser 12 wieder. Es ist
erkennbar, dass die Lagen der optischen Faser 12 in einer Matrix eines
Klebermaterials 16 eingebettet sind. Im Allgemeinen hat die Verwendung eines solchen
Klebermaterials 16 eine Anzahl von nützlichen Vorteilen für den FOG.
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Dazu gehören die Erleichterung für eine präzise Spulenwicklung. Dies ergibt
sich daraus, dass die klebrige Vergussmasse 16 Lage für Lage aufgebracht und
vernetzt, also zumindest vorgehärtet werden kann, so dass sich glatte
Oberflächen für das Aufbringen nachfolgender Wickellagen ergeben. Diese
Wickeltechnik verbessert die Einhaltung der sich ergebenden Spulengeometrie
einschließlich solcher wesentlicher Faktoren wie der Faserzwischenabstand,
der Anzahl von Umläufen pro Lage sowie der Wickellagen pro Spule. Außerdem
werden Wickelfehler wie "fehlende Windungen" minimal.
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Zur Herstellung einer Spule lassen sich unterschiedliche
Herstellungsverfahren anwenden, bei denen die Faserumläufe in eine Matrix einer
Klebervergussmasse eingebettet werden. Solche Verfahren schließen beispielsweise das
Aufbringen des Klebers mittels eines spritzenartigen Dispensers gefolgt durch
einen Aushärtvorgang ein. Diese Verfahren stellen sicher, dass sich für das
Aufbringen nachfolgender Wickellagen glatte Oberflächen ergeben. Am besten
eignen sich UV-härtbare Kleber, die ein rasches Aushärten ermöglichen.
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Andere Herstellungsverfahren umfassen trockene Spulenwicklungen mit nach-
folgender Vakuum-Imprägnierung durch ein Klebemittel mit sehr niedriger
Viskosität. Eine alternative nasse Wickeltechnik sieht die Verwendung eines
wärmehärtbaren Klebers vor, der beim Wickeln der Spule aufgebracht wird.
Der Kleber bleibt während des Wickelvorgang unvernetzt (in flüssiger Form).
Die fertig gewickelte Spule wird dann zum Aushärten des Klebers einer
Wärmebehandlung unterzogen.
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Obgleich das Vergießen der Spule eine Anzahl von Vorteilen erbringt, kann die
Auswahl des Vergussmaterials und das Verfahren bei seiner Anwendung selbst
die Qualität des FOG signifikant beeinflussen. Insbesondere durch sorgfältige
Auswahl des Klebervergussmaterials 16 kann die Empfindlichkeit der
Sensorspule 10 gegen vibrationsinduzierte Bias-Fehler und Temperatureffekte
deutlich vermindert werden.
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Die Bias-Vibrationsempfindlichkeit einer Sensorspule resultiert aus Vorgängen
innerhalb der Spule, die einen nicht-reziproken Phasenfehler in das
Ausgangssignal induzieren, der sich nicht vom Drehratensignal unterscheiden lässt.
Diese Empfindlichkeit entsteht aufgrund einer nicht-reziproken
Phasenverschiebung der gegenläufigen Lichtwellen, die ihrerseits die Folge sind von
Änderungen der Faserlänge und des Brechungsindex, verursacht durch
dynamische Vibrationsbeanspruchungen. Seiner Natur nach ist dieser Bias-Fehler
ähnlich dem zuvor erwähnten Shupe-Bias-Fehler mit dem Hauptunterschied,
dass die umgebungsbedingte Störung Vibrationsspannungen sind anstelle von
Temperaturänderungen.
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In Experimenten wurde durch die Erfinder beobachtet, dass dann, wenn
Resonanzfrequenzen von der Betriebsbandbreite des Instruments ferngehalten
werden (und der Rauschfaktor vernachlässigbar ist), die Open-Loop-Antwort des
FOGs gegen eine sinusförmige Vibrationserregung eine lineare Funktion der
Erreger- oder Vibrationsfrequenz ist. Dies gilt sowohl, wenn die Richtung der
Vibrationsanregung parallel zur Spuleneingangsachse (axiale Vibration) als
auch senkrecht zu dieser (guervibration) liegt. Dies bedeutet, dass die FOG-
Bias-Empfindlichkeit eine lineare Funktion der Vibrationsfrequenz ist - ein
Ergebnis, das aufgrund des von den Erfindern entwickelten
Bias-Empfindlichkeit-Vibrationsmodells vorhergesagt worden war. Bei guervibration zeigt das
FOG-Ausgangssignal eine azimuthale Abhängigkeit, die annähernd sinusförmig
ist, das heißt sich mit dem Sinus des Azimuth-Winkels ändert.
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Die Folgen dieser Vibrationsempfindlichkeit sind signifikant. Obgleich ein
unmittelbarer DC-Bias-Effekt - auch als "DC-Gleichrichtung" bezeichnet - nicht
beobachtet wurde, kann eine vibrationsinduzierte Sättigung der elektronischen
Baugruppen dazu führen, dass die Closed-Loop-Elektronik bei bestimmten
Vibrationsfrequenzen nicht mehr in der Lage ist, eine Drehrate festzustellen.
Dies zeigt sich als die erwähnte DC-Gleichrichtung. Sowohl
Drehratenrauschen als auch Pseudo-Coning auf Systemebene können ebenfalls die Folge
von Vibrationen sein.
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Die soweit beschriebenen mit Vibrationen zusammenhängenden Probleme
lassen sich dadurch minimieren oder beseitigen, dass die die Vergussmasse
und Faserwicklungen enthaltende Matrix so ausgelegt wird, dass die auf die
Faserwindungen wirkenden dynamischen Vibrationsbeanspruchungen auf ein
Minimum gebracht werden. Hohe Beanspruchungen und Spannungen im
Faserkern entstehen durch dynamische Verstärkung. Dieser schädliche
dynamische Verstärkungseffekt kann auf die Verwendung eines Vergussklebers mit
unzureichender elastischer Steifheit zurückgeführt werden. Jedoch wird der
Einsatz eines Vergussmaterials mit sehr hohem Young'schem Modul zu einem
gewissen Grad durch bestimmte temperaturabhängige Effekte begrenzt, die als
Begleiterscheinung bei zu hoher Versteifung des Vergussmaterials auftreten.
Zu diesen Effekten gehört das Springen oder Brechen der Spule, die
h-Parameter-Verschlechterung (Polarisations-Kreuzkopplung), falls die Faser eine
PM-Faser-Zusammensetzung aufweist sowie große Bias-Empfindlichkeit bei
ansteigenden und abfallenden Temperaturzyklen (Temperaturrampen).
Angemessene Lösungen für das Problem des vibrationsinduzierten Bias ergeben
sich, wenn die Sensorspulen mit unterschiedlichen Polymeren vergossen
werden, die hinsichtlich ihrer Klebe- und Vergusseigenschaften besonders zu
bevorzugen sind. Es wurde jedoch festgestellt, dass FOGs andere signifikante
Bias-Fehler zeigen, die offenbar nicht auf Vibrationen zurückzuführen sind,
wenn die Spulen mit besonderen Polymeren vergossen werden. Am
Bedeutendsten ist hierbei die Feststellung der Erfinder, dass das störende Phänomen des
Bias-Spiking und/oder des Bias-Crossing regelmäßig in FOGs auftritt, bei
denen als Spulenvergussmaterial Polymere verwendet werden wie der unter dem
Handelsnamen NORDLAND 65 vertriebene UV-härtbare Acrylatkleber. Diese
Anomalien treten insbesondere auf, wenn die Sensorspule wiederholt
Temperaturänderungen über dem Bereich der Betriebstemperaturen ausgesetzt wird.
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Die graphische Darstellung der Fig. 3 zeigt den Zusammenhang des Bias-
Fehlers (Grad pro Stunde) in Abhängigkeit der Temperatur (über einen Bereich
von etwa -10ºC bis 70ºC) für einen FOG mit einer durch NORDLAND-65-
Acrylatkleber vergossenen Sensorspule. Die untersuchte Spule enthielt
200 Meter einer 165-Micron-Faser, hergestellt durch Corning Corporation. Die
Faser war auf einen Kern eines Kohlenstoffverbundmaterials in einer
Anordnung von zwanzig (20) Lagen aufgebracht.
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Die Spulentemperatur wurde sowohl auf- als auch abwärts über einen
vorgegebenen Bereich verändert. Die aufgetragenen Daten wurden sowohl hinsichtlich
ihrer Linearabhängigkeit zwischen dem FOG-Ausgangssignal und der
Temperatur als auch hinsichtlich der Temperaturratenabhängigkeit korrigiert. Der
verbleibende Rest-Bias ist gekennzeichnet durch eine Standardabweichung von
0,62 Grad pro Stunde bei einer zyklischen Veränderung der Spulentemperatur
zwischen -10ºC und 70ºC. Ersichtlicherweise tritt eine abrupte und extreme
Abweichung der Daten (ein Bias-Spike) bei etwa 50ºC auf. Der wiedergegebene
Bias-Spike übersteigt 5 Grad pro Stunde.
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Fig. 4 zeigt eine ähnliche graphische Darstellung von Daten für eine andere
Sensorspule, die mit NORDLAND 65 vergossen und Temperaturzyklen zwischen
etwa -25ºC und 70ºC unterworfen war. Die Daten dieser Spule zeigen das
Phänomen des Bias-Crossings (Bias-Phasenwelchsels). Die
Standardabweichung lag bei 0,61 mit Spitze-zu Spitze-Bias-Abweichungen von über 4 Grad
pro Stunde. Die Datenplots für unterschiedliche Richtungen von
Temperaturänderungen überkreuzen sich an zwei Punkten, die ungefähr bei 5ºC und
50ºC liegen. Diese Überkreuzungen zeigen an, dass die Bias-Abhängigkeit von
der Temperaturänderungsgeschwindigkeit (oder dem Shupe-Koeffizienten)
ebenfalls temperaturabhängig ist. Solche Abhängigkeiten führen zu extremen
Schwierigkeiten bei der Untersuchung des Bias, so dass andererseits eine
Modellierung bzw. die modellierte Kompensation von Bias-Fehler im
FOG-Ausgangssignal als unpraktikabel erscheinen muss.
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Die Erfinder haben jedoch herausgefunden, dass die dargestellten Phänomene
zu tun haben mit dem physikalischen Verhalten des als Vergussmaterial
verwendeten Polymers. Jedes Polymer ist unter anderem durch seinen
sogenannten Glasübergangsbereich gekennzeichnet, einem Temperaturbereich über den
eine signifikante Änderung des Young'schen Moduls des Materials zu
beobachten ist. Dieser Bereich ist bei ansteigender Temperatur gekennzeichnet durch
den Übergang von einem Glas- oder glasähnlichen Zustand, zu einem
gummiartigen Zustand. Ein Polymer kann eine Änderung seiner Steifheit von größer
als 1032 · 10&sup6; Pascal (150.000 p. s. i.) auf weniger als 2.78 · 10&sup6; Pascal
(400 p. s. i.) beim Durchlaufen seines Glasübergangsbereichs erfahren.
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Der Graph der Fig. 5 veranschaulicht den Zusammenhang zwischen der
Temperatur und dem Young'schen Modul für ausgehärtetes NORDLAND 65, dessen
Temperatur von -100ºC bis 100ºC ansteigt. Ersichtlicherweise beginnt ein
abrupter Abfall des Young'schen Moduls des Materials, wenn dieser Acrylatkleber
auf etwa 0ºC abgekühlt ist, wobei dieser Übergang bei etwa 50ºC
abgeschlossen ist. Dies entspricht dem physikalischen Übergang des Polymeren vom
glasähnlichen Zustand zu einem gummiähnlichen Zustand. Die Mitte des
Übergangsbereichs fällt ungefähr mit dem Peak 18 des Graphs für den Imaginärteil
des Moduls zusammen, der bei 28ºC liegt. Der Young'sche Modul von NORD-
LAND 65 ändert sich von etwa 1517. 106 Pascal (220.000 p. s. i.) auf etwa
2,78. 106 Pascal (400 p. s. i.), was einer Verminderung der Steifheit um einen
Faktor 500 über den Übergangsbereich entspricht.
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Die Erfinder haben festgestellt, dass das schädliche Phänomen des Bias-
Spiking und des Bias-Crossing bei Temperaturen auftritt, die innerhalb oder
nahe des Glasübergangsbereichs des Vergussmaterials liegen. Genauer gesagt
wurde festgestellt, dass sowohl das "Bias-Spiking" als auch das "Bias-
Crossing" in der Nähe der beiden "Kanten" oder Endbereiche des
Übergangsbereichs, nämlich etwa bei 0ºC und etwa 50ºC auftreten. Daraus ließ sich eine
Korrelation zwischen der Temperaturabhängigkeit des Bias-Phänomens und
des Glasübergangsbereichsverhaltens des Polymervergussmaterials ableiten,
um Untersuchungen über neue Vergussmaterialien anzustellen.
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Die Erfinder sind zu der Erkenntnis gelangt, dass sie idealerweise
Vergussmaterialien für Sensorspulen auf der Grundlage von Polymeren benötigen, die
sich auszeichnen durch
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(1) eine Glasübergangstemperatur, die unterhalb des
Betriebsnutzungsbereichs eines FOGs liegt, der sich seinerseits nach unten bis zu einer
Temperatur von gleich oder unter 0ºC erstreckt und
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(2) einen ausreichend großen Elastizitätsmodul (unter Berücksichtigung des
Spulen-Formfaktors und vorhersagbarer Resonanzvibrationen), um die
Vibrationsempfindlichkeit des Bias auf akzeptable Pegel zu reduzieren.
Für kommerzielle Anwendungen wird im Allgemeinen ein Nutzbereich von
-40ºC bis 60ºC angegeben, während für militärische Anforderungen ein
Bereich von -55ºC bis 105ºC gefordert wird. Hierbei ist natürlich zu
beachten, dass der Glasübergangsbereich und dementsprechend auch die
schädlichen Bias-Spikes und das Bias-Crossing für in NORDLAND 65 eingebettete
Sensorspulen unglücklicherweise sowohl für militärische als auch für
kommerzielle Anwendungen in die Betriebstemperaturspezifikationen fallen.
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Als Ergebnis der Erfindung werden polymerbasierte Vergussmaterialien
bereitgestellt, weiche die eingelagerte Spule und damit den FOG nicht mit Fehlern
behaften, wie sie sich bei NORDLAND 65 oder ähnlichen Polymeren zeigen.
Dieses Ergebnis wurde in zweierlei Hinsicht erreicht. zunächst ist die Spule in
einen Polymerkleber einzubringen bzw. mit diesem zu ummanteln, dessen
Glasübergangsbereich unterhalb des Betriebstemperaturbereichs der FOG-
Sensorspule liegt. Zweitens sind unter Berücksichtigung der Abhängigkeit des
vibrationsinduzierten Bias von der Steifheit des Materials dem Polymer
geeignete "Füller" zuzusetzen, um diese in ihrem gummiartigen Bereich zu
versteifen, so dass ein erforderlicher und erwünschter Young'scher Modul erreicht
wird.
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Die Erfinder haben insbesondere erkannt, dass sich unter den Silikonen gute
Materialkandidaten finden lassen. Deren Glasübergangstemperaturen liegen
unter -55ºC und damit außerhalb sowohl der kommerziellen als auch
militärischen Spezifikationen. Obgleich solche Materialien daher befriedigend sind,
um eine signifikante Änderung des Young'schen Moduls sicherzustellen, bei
der während eines normalen FOG-Betriebs Bias-Spiking oder Bias-Crossing
nicht auftreten, liegt der Young'sche Modul solcher Materialien in einem
Temperaturbereich oberhalb des Glasübergangsbereichs, signifikant niedriger als
unterhalb des genannten Clbergangsbereichs. Dies trifft natürlich für alle
Polymere zu. So lässt sich beispielsweise aus Fig. 5 ablesen, dass der Young'sche
Modul sehr stabil ist, wenn die Übergangstemperatur überschritten wird,
Jedoch eine signifikant verminderte Steifheit zeigt, die nicht ausreichen kann,
um die erwünschte Widerstandsfähigkeit gegen vibrationsinduzierten Bias zu
gewährleisten. Ähnlich lässt Fig. 6(A) erkennen, dass der Young'sche Modul
eines Silikonmaterials nur bei etwa 2,55 · 10&sup6; Pascal (370 p. s. i.) liegt und
daher nicht ausreichend steif für FOGs ist, für die strenge Anforderungen
hinsichtlich einer vibrationsbelasteten Umgebung bestehen.
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Die Erfinder haben nun weiterhin herausgefunden, dass sich die
Materialeigenschaften hinsichtlich vibrationsinduziertem Bias dann deutlich
verbessern lassen, wenn bestimmte "Füller" unterschiedlicher
Materialzusammensetzung dem Silikon zugesetzt werden. Der Zusatz solcher Füller ermöglicht es,
die gewünschte Vibrationsfestigkeit zu erzielen trotz des relativ niedrigen
Young'schen Moduls des "reinen" Silikonmaterials, wenn dessen
Glasübergangstemperatur überschritten wird. Der Zusatz des Füllermaterlals hat den
Effekt, dass die Steifheit des Silikons im gummiartigen Bereich erhöht wird, so
dass die FOG-Vibrationsempfindlichkeit auf den gewünschten Pegel reduziert
wird.
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Zu den Füllermaterialien, die für vergossene Sensorspulen zu ausgezeichneten
Bias-Kennwerten führen, gehört Ruß. Es ist bekannt, dass dieses Material mit
Gummi bzw. Kautschuk chemisch so reagiert, dass die Zugfestigkeit und der
Modul des Materials größer wird. Dementsprechend ist Ruß als verstärkendes
Füllmaterial für Gummi/Kautschuk bekannt. Die Erfinder haben
herausgefunden, dass sich die verstärkenden Eigenschaften von Ruß auch hinsichtlich der
verschiedenen oben erläuterten Probleme auswirken. Ruß erhöht die
Verbundfestigkeit von Silikonverbindungen, so dass eine mit Silikon - angereichert mit
Rußfüller - ummantelte Spule widerstandsfähiger ist gegen wärmeinduziertes
Zerspringen und Schichtauflösung aufgrund von fehlender Verbindungskraft.
Sofern unterschiedliche Füller dem reinen Silikon zugesetzt werden, musste
hier auf eine mögliche Verschlechterung der Klebe- oder Vernetzungsstärke
geachtet werden. Es wurde weiterhin festgestellt, dass ein Aufheizen der Faser
auf 75ºC oder darüber die Verhaftung zwischen der Faser und dem
Vergussmaterial verbessert. Andere durch die Erfinder als geeignet ermittelte Füller
für Silikonvergussmassen umfassen Glaspartikel, Quarz, Siliziumcarbid,
Graphit und Aluminiumoxidpulver.
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Die Fig. 6(A) zeigt den Young'schen Modul, aufgetragen über der Temperatur
für eine Silikonverbindung, die von Master Bond, Inc.. Hackensack, New
Jersey, unter der Handelsbezeichnung "Mastersyl 151" vertrieben wird.
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Fig. 6(B) zeigt den Verlauf des Young'schen Moduls über der Temperatur für
das gleiche Silikonmaterial angereichert mit Ruß. Das verwendete
Ruß-Füllermaterial war das durch Cancarb Limited, Medicine Hat, Alberta, Canada, unter
der Bezeichnung THERMAX Medium Thermal Black N-991 vertriebene
Material. Wie sich aus Fig. 6(A) ersehen lässt, liegt der Glasübergang des
Silikonmaterials bei etwa -66ºC, wobei die Steifheit des Materials abrupt abfällt,
wenn die Temperatur über den Glasübergangsbereich ansteigt, und zwar auf
ungefähr 2.55. · 10&sup6; Pascal (370 p. s. i.). Dieses Verhalten ist mit einem durch
Ruß angereicherten Silikonmaterial zu vergleichen, dessen
Glasübergangsbereich, wie sich aus Fig. 6(B) ersehen lässt, um einen Wert von -72ºC liegt,
also wiederum unterhalb des FOG-Betriebsbereichs. Ein mehr allmählicher
Abfall des Young'schen Moduls des Materials wird beobachtet, wenn das mit
Füller angereicherte Material über den Glasübergangsbereich erwärmt wird. Im
Gegensatz zu Silikonmaterlal ohne Füller erreicht das in Fig. 6(B)
veranschaulichte Beispiel eine Young'sche Modul-Stabilität bei einem Wert von etwa
10,34. 106 Pascal (1500 p. s. i.) innerhalb des gummiartigen Bereichs. Die
experimentellen Daten bestätigen also die Nützlichkeit des betreffenden
Füllers, nämlich Ruß, als Versteifungsmittel für das Silikonmaterial, wenn
dieses bis über die Glasübergangstemperatur erwärmt wird.
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Wendet man die so ermittelten erwünschten Eigenschaften von Silikon- und
angereicherten Silikonvergussmaterialien auf die Herstellung von
FOG-Sensorspulen an, so lassen sich hinsichtlich der Güte überraschend gute Ergebnisse
beobachten. Fig. 7 veranschaulicht den Bias-Fehler als Funktion der
Temperatur für einen FOG mit einer Sensorspule, die in eine rußversteifte
Silikonzusammensetzung gemäß Fig. 6(B) eingebettet war. Die dargestellten Bias-
Daten wurden mit einer vierzig- (40) lagigen Sensorspule mit einer Länge von
200 Metern und einer 165-Micron-Lichtleitfaser der Corning Corporation
erhalten. Wie im Falle der graphischen Darstellung der Daten gemäß Fig. 3
und 4 waren auch die in Fig. 7 dargestellten Ergebnisse wohl hinsichtlich des
linearen Zusammenhangs zwischen dem FOG-Ausgang und der Temperatur als
auch hinsichtlich der Abhängigkeit von der
Temperaturänderungsgeschwindigkeit korrigiert. Der verbleibende Rest-Bias kann als vernachlässigbar gelten; er
zeigt eine Standardabweichung von 0,19 Grad pro Stunde, wenn ein
Temperaturbereich für die Sensorspule zwischen -50ºC und 95ºC durchfahren wird.
Aus der Fig. 7 ist ersichtlich, dass keine Bias-Spikes oder Bias-Crossings
auftreten. Der Kontrast zwischen den in Fig. 7 geplotteten Daten und denen der
Fig. 3 und 4 ist dramatisch und bestätigt die der Erfindung zugrunde
liegenden Erkenntnisse und Annahmen bzw. Voraussetzungen hinsichtlich der Natur
der mit dem Vergießen von Sensorspulen in Polymeren verbundenen Probleme.
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Fig. 8 veranschaulicht den Verlauf des AC-Bias bei sinusförmiger
Vibrationserregung, aufgetragen über der Schüttelfrequenz für eine in rußangereichertem
Silikon eingebettete Spule. Auch diese Bias-Daten wurden mit einer 40-lagigen
Spule mit einer Länge von 200 Metern und 165 Micron Lichtleitfaser,
hergestellt von Corning Corporation, gemessen. Der Graph zeigt. dass der
AC-Ausgangs-Bias bei dieser Messung im Wesentlichen vernachlässigbar ist. Der Pegel
der Beschleunigung wurde konstant bei ein g gehalten.
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Aufgrund der mit der Erfindung vermittelten Lehre wird es möglich,
Sensorspulen herzustellen, die hinsichtlich einer Verminderung der
Bias-Empfindlichkeiten aufgrund von sich dynamisch ändernden Temperatur- und
Vibrationsverhältnissen wesentlich verbessert sind. Darüber hinaus lassen sich
aufgrund der Erfindung Faserkreisel herstellen, die wesentlich weniger anfällig
sind gegen umgebungsbedingte Bias-Fehler, die bisher unerkannt oder im
Stand der Technik jedenfalls nicht artikuliert worden sind.