DE69426074T2 - Sensorspule für einen faserkreisel - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft Lichtleitfaserkreisel, fortan auch Faserkreisel oder FOG (engl. fiber optic gyroscope) genannt.
• Die Erfindung betrifft insbesondere die Konstruktion der Sensorspule.
• Faserkreisel enthalten im Wesentlichen folgende Komponenten: (1) eine Lichtquelle, (2) einen Strahlteiler, entweder als faseroptischer Richtkoppler oder Y-Verzweigung, (3) eine Faserspule, (4) einen Polarisator sowie manchmal ein oder mehrere Depolarisatoren, und (5) einen Detektor. Das Licht der Lichtquelle wird vom Strahlteiler in zueinander gegenläufige, die Sensorspule durchsetzende Wellen aufgeteilt. Eine zugeordnete Elektronik misst die Phasenbeziehung zweier gegenläufiger interferierender Lichtstrahlen, welche aus den gegenüberliegenden Spulenenden austreten. Die Differenz der Phasenverschiebungen der beiden Strahlen liefert ein Maß für die Drehgeschwindigkeit der Plattform, auf der das Messinstrument fixiert ist.
• Die gemessene Phasenverschiebungsdifferenz zwischen den gegenläufigen Strahlen ist abhängig von Umwelteinflüssen, welchen zu einem Bias oder Fehler führen. Zu den Umwelteinflüssen gehören Variablen wie die Temperatur, die akustische und mechanische Vibration sowie Magnetfelder. Diese Einflüsse erfolgen zeitvariabel als auch ungleichmäßig über die Spule. Die Umwelteinflüsse induzieren Änderungen des optischen Lichtwegs, den die jeweilige gegenläufige Welle beim Durchlaufen der Spule nimmt. Die in die beiden Wellen induzierten Phasenverschiebungen sind ungleich und führen im Ergebnis zu einer unerwünschten Phasenverschiebung, welche von einem rotationsinduzierten Signal ununterscheidbar ist.
• Ein Weg, die Empfindlichkeit gegenüber äußere Einflüsse zu reduzieren, geht dahin, verschiedene symmetrische Wickelsformen für die Sensorspule vorzusehen. In solchen Spulen sind die Wicklungen so angeordnet, dass sich das geometrische Zentrum der Spule an der innersten Lage befindet, während die beiden Spulenenden an den äußersten Lagen liegen.
• N. Frigo schlägt spezielle Wickelmuster vor, um solche Nicht-Reziprozitätenzu kompensieren; vgl. "Compensation of Linear Sources of Non-Reciprocity in Sagnac Interferometers", Fiber Optics and Laser Sensors I, Proc. SPIE, Band 412, Seite 268 (1989) In US-4,793,708 (Bednarz) mit dem Titel "Fiber Optic Sensing Coil" findet sich auch der Vorschlag, durch eine dualpolige oder quadropole Wicklung eine symmetrische faseroptische Sensorspule herzustellen. Die in dieser Patentschrift beschriebenen Spulen zeigen ein besseres Betriebsverhalten im Vergleich zu herkömmlichen Spulen mit Helix-Typ-Wicklung.
• US-4,856,900 (Ivancevic) mit dem Titel "Quadrupole-Wound Fiber Optic Sensing Coil and Method of Manufacture Thereof" offenbart eine verbesserte Spule mit Quadropol-Wicklung, bei der ein Quetschen und Verbiegen der Faser aufgrund von nach oben gedrückten Fasersegmenten angrenzend an die Endflansche (eines Wickelkörpers) dadurch verhindert werden, dass die nach oben gedrückten Segmente durch konzentrisch gewickelte Wände von Windungen ersetzt werden, um den Anstieg zwischen miteinander verbundenen Wickellagen zu überwinden. Die Inhaberin des vorliegenden Schutzrechts ist auch Inhaberin der beiden genannten US-Patente.
• Wenngleich durch geeignete Spulenwickelverfahren die am Ausgang eines Faserkreisels auftretenden Bias-Fehler kleinstmöglich gehalten werden können, lassen sich dadurch aber nicht alle derartigen Bias-Fehler beheben. Insbesondere kann die Auslegung und der Aufbau der FOG-Sensorspule den Random-Walk, die Bias-Stabilität, die Temperaturempfindlichkeit, die Bias-Empfindlichkeit beisteigenden bzw. fallenden Temperaturen, die Bias-Vibrationsempfindlichkeit, die magnetische Empfindlichkeit des Bias, die Temperaturempfindlichkeit des Skalenfaktors, die Skalenfaktorlinearität und die Temperaturempfindlichkeit der Eingangsachse eines FOGs beeinflussen.
• Der erste Aspekt der Erfindung betrifft die Bereitstellung eines optischen Faserkreisels mit einer Sensorspule, welche einen Lichtleiter aufweist, der in konzentrischen, zylindrischer Lagen angeordnet ist, wobei die Lagen jeweils eine Anzahl Windungen der Faser umfassen und eine jede Windung ummantelt ist von einem Vergussmaterial, dadurch gekennzeichnet, dass der Elastizitätsmodul der Vergusszusammensetzung bei Temperaturen oberhalb der Glasübergangstemperatur ein Elastizitätsmodul in einem Bereich zwischen 6,9 · 10&sup6; Pascal und 138 · 10&sup6; Pascal liegt.
• Das Vergussmaterial ist hinsichtlich des Elastizitätsmoduls so zu wählen, d. h., dass er so groß ist, dass der von den Vibrationen induzierte Bias-Fehler innerhalb eines vorgegebenen Bereichs bleibt, bspw. unterhalb 1,5 Grad pro Sekunde bei 1 kHz am FOG-Ausgang. Die Wahl kann ferner so erfolgen, dass sich durch Röntgen keine Spulensprünge feststellen lassen und/oder die h-Parameter-Verschlechterung weniger als 10&supmin;&sup4; pro Meter ist und/oder der Temperaturanstiegsempfindlichkeits-Bias kleiner ist als 0,1 Grad pro Stunde bei einer Temperaturanstiegsgeschwindigkeit von einem Grad Celsius pro Stunde.
• Die Erfindung und deren Ausführung werden nun an Beispielen und mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt:
• Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer Sensorspule für einen FOG gemäß der Erfindung;
• Fig. 2 eine Schnittdarstellung der Sensorspule nach Fig. 1 in der Schnittlinie 2-2 von Fig. 1;
• Fig. 3 eine FOG-Bias-Kurve zur Temperatur-Änderungsgeschwindigkeit (oder zur zeitlichen Ableitung der Temperatur) für eine Spule nach dem Stand der Technik - das heißt, für eine Trockenwicklung auf einen Aluminium-Spulenkörper. Die Steigung der Kurve wird als "Shupe-Koeffizient" bezeichnet und besitzt als Einheit die Bias-Änderung in Grad pro Stunde geteilt durch die Geschwindigkeit der Temperaturänderung in Grad Celsius pro Stunde;
• Fig. 4 die FOG-Bias-Kurve zur Geschwindigkeit der Temperaturänderung für die Spule entsprechend Fig. 1 und 2, also mit einer vergossenen Spule auf einem Spulenkörper aus einem Kohlenstoffkomposit;
• Fig. 5 die Kurven des FOG-Ausgangs-Bias zur Zeit und der FOG-Temperatur zur Zeit für eine Spule nach dem Stand der Technik (Aluminium-Spulenkörper);
• Fig. 6 die vergrößerte Schnittdarstellung eines Beispielausschnitts der Windungslagen einer Sensorspule gemäß Fig. 1 und 2;
• Fig. 7 die Kurve mit der Beziehung zwischen der Frequenz der Axialvibrationen und dem AC-Bias von zwei vergossenen Sensorspulen; und
• Fig. 8 eine Wertetabelle für die Bewertung, inwieweit sich die Sensorspulen-Vergussmaterialien für die Erfindung eignen.
• Siehe Zeichnungen. Fig. 1 zeigt eine perspektivische Darstellung des Aufbaus einer Sensorspule 10 für den Kreisel gemäß der Erfindung. Die Sensorspule 10 ist wie erwähnt ein kritisches Teil des Faserkreiselsystems. Bei Gebrauch ist sie auf einer Plattform, deren Drehgeschwindigkeit zu messen ist, fest fixiert.
• Die Sensorspule 10 umfasst, gewickelt auf einen Spulenkörper 14, eine optische Faser 12, die als Lichtleiter dient zur Führung eines gegenläufigen Strahlenpaars, das von einer gemeinsamen Lichtquelle (nicht gezeigt) ausgeht. Der Spulenkörper 14 in Fig. 1 besitzt Flansche. Es ist aber nicht wesentlich, dass Flansche vorhanden sind.
• Fig. 2 ist eine Teilschnittdarstellung der Spule 10 längs der Linie 2-2 von Fig. 1. Wie dargestellt ist eine scheibenartige Stütze 16 mit Presssitz in den Spulenkörper 14 eingepasst. Die Stütze 16 weist eine mittige Öffnung 18 als Aufnahme für eine Befestigungsvorrichtung auf, um die Sensorspule 10 mit der Plattform fest zu verbinden. Eine Ringschulter 20 an der Innenfläche des Spulenkörpers 14 dient als Anschlagfläche für die Stütze 16.
• Im Gegensatz zu herkömmlicher Weise für Spulenkörper von Drehratensensoren verwendetem Aluminium oder dergleichen besteht der Spulenkörper 14 einschließlich der Stütze 16 aus einer Kohlenstoffverbindung oder einem anderen Materialien mit ähnlichen thermomechanischen Eigenschaften. Zu solchen Materialien gehören gewebte oder gewirkte Kohlenstofffasern, wie sie beispielsweise im Handel erhältlich sind, etwa von der AMOCO CORP. unter der Handelsbezeichnung "P-25", "P-55", "P-105", oder ähnliche Materialien. Der Spulenkörper 14 ist aus einem mehrlagigen rohr- oder bahnartigen Fasermaterial unter Verwendung einer Verbund- oder Verbindungsmatrix hergestellt, beispielsweise einem phenolharzhaltigen Material. Der Spulenkörper 14 lässt sich aus solchem Rohr- oder Bahnmaterial nach einer Reihe von bekannten Prozessen herstellen, einschließlich und beispielshalber durch Abtrennen von Einzelabschnitten. Dazu alternativ können die gewebten oder gewirkten Fasern in bestimmten Orientierungen und Formen in einer Matrize angeordnet und mit dem Verbundmaterial umgossen worden sein.
• Ein anderes Herstellungsverfahren sieht die Umformung vor, bei der die zerhackte Faser in ein Umformmaterial eingemischt wird, das dann in eine Form eingetragen oder unter Druck eingespritzt wird. Die Fasern sind vorzugsweise innerhalb des Materials der Verbindungsmatrix rechtwinklig zueinander orientiert und sowohl in Längs- als auch in Umfangsrichtung in Bezug auf die Drehachse 22 der Spule ausgerichtet. Aufgrund dieser Faseranordnung dehnt sich der Spulenkörper 14 in Abhängigkeit von der Temperatur symmetrisch sowohl in Längs- als auch in Radialrichtung aus.
• Die Erfinder haben ein theoretisches Modell für Bias-Nicht- Reziprozitäten eines Faserkreisels entwickelt. Insbesondere wurde gefunden, dass FOG-Bias-Fehler in einer thermischdynamischen Umgebung aufgrund von Wärmespannungen entstehen können. Dieser Effekt ist ähnlich dem Standard-Shupe- Temperatureffekt, der in dem Fachaufsatz "Thermally Induced Non-Reciprocity in the Fiber Optic Interferometer", D. M. Shupe, Applied Optics, Band 19, Seite 654 (1980), beschrieben wurde. Eine der Quellen für diesen durch Wärmespannung induzierten Bias-Fehler ist die thermische Fehlanpassung zwischen der im Wesentlichen aus Glas bestehenden optischen Faser und dem metallischen Spulenkörper. Das heißt, der Bias-Fehler ist zum Teil Folge der auf die Spulenwicklung wirkenden thermischen Spannung aufgrund nicht angepasster thermischer Ausdehnung des metallischen Spulenkörpers (größere Ausdehnung) einerseits und der Glasfaser (geringere Ausdehnung) andererseits. Eine andere Ursache ist die aufgrund der Expansions/Kontraktion des Vergussmaterials auftretende thermische Spannung, was weiter unten näher erläutert wird. Die Unterschiede zwischen dem Standard-Shupe- Temperatureffekt und dem durch thermische Spannung induzierten Shupe-Effekt lassen sich deutlich bemerken, wenn die Spule im Steady-State- oder Bereitschaftszustand einer Temperaturrampe, also einer auf- und absteigenden Temperaturbelastung unterworfen wird. Während der auf dem Standard-Shupe-Effekt beruhende Bias-Fehler verschwindet, sobald die Temperaturgradienten über die Zeit konstant werden, zeigt sich, dass der durch thermische Spannungseffekte verursachte Bias-Fehler nicht zu Null wird, solange sich die Temperatur der Spule ändert; und dieser Effekt bleibt auch selbst dann, wenn die Temperaturgradienten den Steady-State-Zustand erreicht haben. Stellt man die Effekte gegenüber, so lässt sich sagen, dass der Standard-Shupe-Effekt im Wesentlichen eine Funktion der Änderungsrate oder Änderungsgeschwindigkeit der Temperaturgradienten über die Spule ist, während der durch thermische Spannung induzierte Shupe-Effekt im Wesentlichen auf der Änderungsrate der Durchschnittstemperatur der Spule beruht.
• Im vorliegenden Beispiel kann als Ergebnis einer sorgfältigen Auswahl der Kohlenstoffverbindung als Material für den Spulenkörper 14 ein thermischer Ausdehnungskoeffizient erreicht werden, der weitgehend auf den Ausdehnungskoeffizienten der Windungen der optischen Glasfaser 12 angepasst ist, so dass die Wärmespannung auf die optische Faser weitgehend beseitigt ist. Dies steht im Gegensatz zu Sensorspulen nach dem Stand der Technik, bei dem die optische Faser üblicherweise auf einen Aluminium-Spulenkörper gewickelt ist. Wie weiter unten näher erläutert, lassen sich durch sorgfältige Auswahl des Spulenvergussmaterials auch thermische Spannungen in der optischen Faser reduzieren.
• Der Graph der Fig. 3 verdeutlicht den Verlauf des FOG-Bias- Fehlers, aufgetragen über der Temperatur-Änderungsgeschwindigkeit für eine dem Stand der Technik entsprechende Spule. Die Daten stammen von einer Sensorspule mit einem Aluminiumspulenkörper, um den eine optische Faser gewickelt war, deren äußerer Durchmesser ein Inch (2,54 cm) betrug. Etwa 200 m einer optischen Faser mit einem Durchmesser von 185 Mikrometer waren als symmetrisches Muster gewickelt. Wie aufgrund des von den Erfindern entwickelten Modells vorhersehbar, ist der Shupe-Effekt überwiegend linear zur zeitlichen Temperaturableitung. Die Neigung der Kurve wird durch die Erfinder als "Shupe- Koeffizient" bezeichnet. Aus ihr lässt sich direkt die Bias-Empfindlichkeit der Spule und des FOGs gegen Temperaturrampen ablesen. Für eine dem Stand der Technik entsprechende Spule ist der Shupe-Koeffizient groß, etwa 0,22 [º/h]/[ºC/h] gemäß Fig. 3. Durch Messungen ergab sich, dass viele auf Aluminium-Spulenkörper gewickelte Spulen einen Shupe-Koeffizienten zwischen 0,1 und 0,4 zeigen. Im Gegensatz dazu lässt sich bei vergossenen, auf Spulenkörper aus Kohlenstoffverbindungen gewickelte Spulen eine signifikante Reduzierung des Shupe-Koeffizienten beobachten. Der Graph gemäß Fig. 4 verdeutlicht den FOG-Bias-Fehler in Abhängigkeit von der Änderung der Temperaturrate für eine nach diesem Beispiel gefertigte Spule. Die dargestellten Daten stammen von einer Sensorspule mit einer Länge von etwa 200 m bestehend aus einer 165-um-Faser, gewickelt auf einen Spulenkörper aus einer Kohlenstoffverbindung, die mit einem UV-härtbaren Kleber vergossen war. Der Shupe-Koeffizient dieser Spule liegt etwa um eine Größenordnung unter dem von bekannten Spulen.
• Zusätzlich zu der nach dem Modell der Erfinder vorhergesagten linearen Abhängigkeit des Bias von der Temperatur- Änderungsgeschwindigkeit zeigten sich bei Versuchen mit bekannten Spulen signifikante Effekte zweiter Ordnung, die ebenfalls eine Funktion der Temperaturänderung sind. Fig. 5 zeigt in graphischer Wiedergabe den Ausgangs-Bias eines Faserkreisels, aufgetragen über der Zeit sowie die FOG-Temperatur über der Zeit. Die beiden graphischen Wiedergaben verdeutlichen den Zusammenhang zwischen dem FOG-Ausgangs-Bias und der Temperatur. Die Daten stammen von einer Sensorspule mit einem aus etwa 0,024 cm (0,06 Inch) starkem Aluminiumblech hergestellten Spulenkörper gemäß dem Stand der Technik. Etwa 1000 m einer 185-um-Faser waren in einem symmetrischen Muster gewickelt. Die Änderung der Spulentemperatur (oder das Temperaturprofil) ist durch die Kurve 24 veranschaulicht. Die in ausgezogener Linie wiedergegebene Kurve 24 ist ein Plot der zeitlichen Ableitung des Temperaturprofils. Ersichtlicherweise wurden in den Bereichen 26 und 28 der graphischen Wiedergabe signifikante Abweichungen von der linearen Abhängigkeit des Bias von der Temperatur-Änderungsgeschwindigkeit gemessen. Es wird angenommen, dass diese signifikanten Abweichungen auf einem durch thermische Spannung induzierten Shupe-Effekt zweiter Ordnung beruhen. Solche signifikanten temperatur-/zeitabhängigen Effekte ließen sich bei in Übereinstimmung mit der Erfindung hergestellten Spulen nicht beobachten.
• Andere dieses Beispiel betreffende Merkmale beziehen sich auf weitere Quellen von Bias-Fehlern. Fig. 6 veranschaulicht eine vergrößerte Schnittdarstellung eines repräsentativen Abschnitts von Wickellagen optischer Faser 12, die den optischen Lichtleiter des FOGs bildet.
• Wie sich aus Fig. 6 ersehen lässt, sind die Wicklungen der optischen Faser 12 in eine Matrix eines Klebermaterials 30 eingebettet. Im Allgemeinen führt die Anwesenheit eines solchen Klebermaterials 30 zu mehreren nützlichen Vorteilen für den FOG. Dazu gehört die Erleichterung der genauen Herstellung der Spulenwicklung. Das Klebervergussmaterial 30 lässt sich nämlich Lage für Lage aufbringen und Härten oder Vorhärten, so dass sich für die nachfolgenden Lagen glatte Wickeloberflächen für das Aufwickeln ergeben. Durch eine solche Wickelvorlage lässt sich die sich ergebende Spulengeometrie besser überwachen und einhalten einschließlich solcher wesentlicher Faktoren wie der gegenseitige Faserzwischenabstand, die Anzahl der Umläufe pro Lage und Lagen pro Spule, so dass Wickeldefekte wie "fehlende Windungen" minimal gehalten werden können.
• Es lassen sich unterschiedliche Herstellungsverfahren für eine Spule anwenden, bei der die Umläufe oder Windungen in eine Matrix eines Klebervergussmaterials eingebettet sind. Zu diesen Verfahren gehören beispielsweise das Aufbringen des Klebers mittels eines spritzenartigen Dispensers gefolgt von einem Aushärtschritt. Solche Verfahren gewährleisten glatte Oberflächen für das Wickeln nachfolgender Lagen. Ein UV-härtbarer Kleber, der rasches Härten ermöglicht, ist für solche Verfahren am geeignetsten.
• Zu anderen Herstellungsverfahren zählen das sogenannte trockene Spülenwickeln gefolgt von Vakuumimprägnierung mit einem Kleber sehr geringer Viskosität. Bei einer alternativen sogenannten nassen Wickeltechnik wird ein thermisch härtbarer Kleber verwendet, der beim Wickeln der Spule appliziert wird. Der Kleber bleibt während des Wickelns ungehärtet (in flüssiger Form). Anschließend wird die komplette (gewickelte) Spule thermisch ausgehärtet.
• Obwohl sich durch das Vergießen der Spule die oben erläuterten Vorteile ergeben, haben die Erfinder herausgefunden, dass die Auslegung der Vergussmaterial- Matrix einschließlich des Typs des verwendeten Kleber vergussmaterials manipuliert werden kann, um die Güte des FOGs signifikant zu verbessern. Wie sich aus der nachfolgenden Beschreibung ersehen lässt, kann mit einer sorgfältigen Auswahl des Klebervergussmaterials 30 für die Einbettung der Spule die Empfindlichkeit der Sensorspule 10 gegen vibrationsinduzierte Bias-Fehler deutlich verringert werden.
• Die Erfinder haben erkannt, dass die FOG-Vibrations- Empfindlichkeit durch sorgfältige Auswahl des Vergussklebers für eine eingelagerte Sensorspule minimiert werden kann. Die Vibrationsempfindlichkeit einer vergossenen Sensorspule ist die Folge von Vorgängen in der Spule, die einen nicht-reziproken Phasenfehler in den Ausgang bzw. das Ausgangssignal induzieren, der vom Drehratensignal nicht unterscheidbar ist. Die Bias-Vibrationsempfindlichkeit entsteht durch eine nicht-reziproke Phasenverschiebung in den gegenläufigen Lichtwellen, die ihrerseits die Folge ist von Änderungen der Faserlänge und des Brechungsindex, verursacht durch dynamische Vibrationsspannungen über den photoelastischen Effekt. Dieser Bias-Fehler ist hinsichtlich seiner Natur ähnlich dem oben erwähnten Shupe- Bias-Fehler, jedoch mit dem Hauptunterschied, dass die umgebungsbedingten Störungen Vibrationsspannungen sind im Gegensatz zu Temperaturänderungen. Durch Versuche wurde beobachtet, dass dann, wenn Resonanzfrequenzen von der für das Instrument maßgeblichen Bandbreite weitgehend ferngehalten werden (und der Rauschfaktor vernachlässigbar ist) die Open-Loop-Antwort des FOG-Ausgange gegen sinusförmige Vibrationsbelastung eine lineare Funktion der Vibrationsfrequenz ist.
• Dies gilt sowohl, wenn die Richtung der Vibration entweder parallel zur Spuleneingangsachse (axiale Vibration) oder senkrecht zu dieser Achse ist (Quervibration). Die Erfinder haben also festgestellt, dass die Vibrationsempfindlichkeit des FOG-Bias eine lineare Funktion der Vibrationsfrequenz ist. Sie haben weiterhin herausgefunden, dass der FOG- Ausgang bei Quervibration eine azimutale Abhängigkeit zeigt, die annähernd sinusförmig ist, das heißt sich mit dem Sinus des Azimutwinkels ändert.
• Die Konsequenzen dieser Vibrationsabhängigkeit sind signifikant. Obgleich ein direkter DC-Bias-Effekt, der als "DC-Gleichrichtung" bezeichnet wird, nicht beobachtet wurde, kann die Sättigung der elektronischen Komponenten der Closed-Loop-Elektronik dazu führen, dass bei bestimmten Vibrationsfrequenzen keine Drehrate gemessen werden kann. Dies kann sich als ein scheinbarer oder offensichtlicher DC-Gleichrichtungseffekt zeigen. Winkelratenrauschen kann ebenso die Folge von Vibration sein wie Pseudo-Coning auf Systemebene.
• Die Erfinder haben herausgefunden, dass sich die oben beschriebenen vibrationsverursachten Probleme minimieren oder beseitigen lassen, wenn die den Vergusskleber und die Faserwicklungen umfassende Matrix so ausgelegt wird, dass die durch Vibration in den Faserwicklungen verursachten dynamischen Spannungen minimiert werden. Hohe Belastungen und Spannungen entstehen im Faserkern durch dynamische Verstärkung. Die Erfinder haben weiterhin herausgefunden, dass dieser störende dynamische Verstärkungseffekt zurückgeführt werden kann auf die Verwendung eines Klebervergussmaterials ungenügender elastischer Steifheit.
• Dementsprechend beschäftigt sich die hier beschriebene Ausführungsform der Erfindung mit dem Problem des vibrationsinduzierten Bias-Fehlers, der zum einen dadurch, dass das dynamische System, welches den Spulenkörper, die Wicklung, das Klebervergussmedium um die Spulenhalterung umfasst, eine natürliche Resonanzfrequenz aufweist, die außerhalb der Betriebsbandbreite des FOGs liegt.
• Zum anderen werden die Effekte des vibrationsinduzierten Bias-Fehlers durch die Verwendung eines Vergussmaterials reduziert, das in der Lage ist, die dynamische Belastung der Faser zu einem sinnvollen Anteil zu übernehmen, um Vibrationsspannungen und -belastungen in der Faser zu reduzieren.
• Die Erfinder haben gefunden, dass vibrationsinduzierte Bias-Fehler sich reduzieren lassen, wenn ein Klebervergussmaterial mit einem relativ hohen Young'schen Modul (das heißt ein "steifes" Material) verwendet wird. Die graphischen Darstellungen der Fig. 7 verdeutlichen den Zusammenhang zwischen der vibrationsinduzierten AC-Bias- Amplitude für zwei vergossene Sensorspulen und der Frequenz der Axialvibration. In dem Diagramm stellt die Kurve 32 dar den Zusammenhang zwischen dem Bias-Fehler und dem Datenausgang von einem FOG mit einer Sensorspule, deren Faserwicklungen in einem Kleber eingebettet sind, und die dadurch gekennzeichnet sind, dass der Young'scher Modul bei Temperaturen oberhalb des Glasübergangstemperatur weniger als 2,07 · 10&sup6; Pascal (300 psi) betrug. Alle Werte für den Young'schen Modul betreffen nachstehend Bestimmungen oberhalb der Glasübergangstemperatur des betreffenden Materials. Ersichtlicherweise ist der Zusammenhang zwischen der axialen Vibrationsfrequenz und dem AC-Bias-Effekt im Wesentlichen linear und erreicht 10,0º/sec, wenn die Schüttelfrequenz einen Bereich von 0 bis 1000 Hz durchläuft.
• Die Kurve 32 verdeutlicht den Zusammenhang zwischen dem Bias-Fehler und der axialen Schüttelfrequenz für einen FOG, dessen Sensorspule in ein Klebermatrixmaterial eingebettet war mit einem Young'schen Modul oberhalb von 689,5 · 10&sup6; Pascal (100000 psi). Wie sich aus dieser Kurve ersehen lässt, wird eine dramatische und deutliche Verbesserung in der Güte durch Erhöhung der Steifheit des Vergussmaterials erreicht. Verglichen zum Bias-Fehler eines Materials mit niederem Modul - siehe Kurve 30, bei der ein Vibratios-induzierter Bias erhalten wird, der bei etwa 0,01 Grad pro Windung liegt - ist der sich bei Axialvibrationen ergebende AC-Bias vergleichsweise vernachlassbar, wenn die Rüttelfrequenz ein Bereich von 0 bis nahezu 2000 Hz durchläuft. Ähnliche Ergebnisse hinsichtlich des AC-Bias wurden für Quervibrationen erhalten. Diese Daten bestätigen also, dass durch Erhöhen der Steifheit des Vergussmaterials die durch Vibration eingeprägten mechanischen Spannungen durch das Vergussmaterial zu einem größeren Teil übernommen, und damit zumindest zu einem Teil von der optischen Faser ferngehalten werden. Eine signifikant verminderte Empfindlichkeit des FOG-Ausgang gegen Vibration lässt sich beobachten, wenn ein Vergussmaterial mit großem Young'schem Modul verwendet wird.
• Obgleich der Vorteil der Einbettung der Faserspulenwicklungen in ein Material mit hohem Modul hinsichtlich der Minimierung von Bias-Effekten aufgrund von Vibration eindeutig ist, haben die Erfinder weiterhin festgestellt, dass die Steifheit des Vergussmaterials im Hinblick auf eine Anzahl von Faktoren getempert werden muss. Erhöht sich die Steifheit des Vergussmaterials, so unterliegt die Spule größerer Wärmespannung in Abhängigkeit von Temperaturänderungen, die deutlich oberhalb oder deutlich unterhalb der (Minimum-Spannungsbelastung) Aushärt- oder Vernetzungstemperatur Tc liegen. Derart starke Temperaturbelastung der Sensorspule kann zu Problemen führen wie Brechen der Spule, h-Parameter- (Polarisations-Kreuzkopplung) Verschlechterung und große Bias-Temperatur- Rampenempfindlichkeit. Das Brechen oder Springen der Spule und verschlechterte h-Parameter-Güte wurden bei einer vergossenen Spule von 200 m Länge beobachtet.
• Das Brechen der Spule, h-Parameter- und Temperatur-Rampenempfindlichkeitsprobleme werden alle durch die Wahl des Vergussmaterials beeinflusst, da - wie oben erläutert thermische Spannungen eine Funktion des Moduls des Vergussmaterials sind. Die thermische Spannung α ist proportional zu αE(T - Ta), wobei α die Differenz zwischen den thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Klebers und der optischen Faser, E den Elastizitätsmodul des Klebermaterials und T - Tc die Temperaturabweichung gegenüber der Kleberaushärttemperatur T~angeben. Hinsichtlich der Auslegung lässt sich sagen, dass ein optimaler Kleber zur Verwendung als Spulenvergussmaterial ein solcher sein sollte, für den die thermische Spannung u minimiert wird oder zumindest so klein wie möglich wird über die maximal vorhersehbare Temperaturabweichung T - Tc, während E so groß wie möglich beibehalten bleiben sollte, um vibrationsinduzierte Bias-Effekte zu minimieren.
• Die Tabelle der Fig. 8 verdeutlicht Daten zur Bewertung der Eignung verschiedener Kleber-Vergussmaterialien. Daraus lässt sich ersehen, dass der unter der Marke "NOA83H" durch NORLAND vertriebene Kleber, der einen relativ hohen Elastizitätsmodul E von 1379 · 106 Pascal (200000 psi) aufweist, sich (voraussagbar) durch ein ausgezeichnetes Vibrationsverhalten charakterisieren lässt, jedoch zeigten sich - entdeckt durch Röntgenstrahluntersuchungen - Sprünge bzw. Brüche bei Sensorspulen, für die ein solches Vergussmaterial verwendet wurde. Dieses Klebermaterial verursacht eine maximale Spannung u von 26,5 · 10&sup6; Pascal (3840 psi) über einen Bereich von 160ºC. Andererseits führt das Material "Scotchcast 235" von MINNESOTA MINING AND MANUFACTURING CORP., das einen Elastizitätsmodul von etwa 275,8 · 10&sup6; Pascal (40000 psi) besitzt, zu einer maximalen Spannungsbelastung von 8,27 · 10&sup6; Pascal (1200 psi), während "NOA65" (NORLAND 65), das einen Elastizitätsmodul von etwa 138 · 10&sup6; Pascal (20000 psi) aufweist, eine Maximalspannungsbelastung von 2,2 · 10&sup6; Pascal (320 psi) über einen Temperaturbereich von 80ºC verursacht. Die Erfinder haben herausgefunden, dass Klebermaterialien mit einem Young'schen Modul zwischen 6,9 · 10&sup6; Pascal (1000 psi) und 138 · 10&sup6; Pascal (20000 psi) gut geeignet sind, um sowohl die Bias-Vibrationsanforderungen als auch die Anforderungen hinsichtlich niedriger Temperaturspannung zu erfüllen.
• Wie erläutert lassen sich bei Anwendung der Erfindung Sensorspulen herstellen, die sich durch sehr geringe Bias- Empfindlichkeit in einem Vibrationsumfeld bei dynamischen Temperaturverhältnissen auszeichnen. Bei Anwendung der Lehre der Erfindung lassen sich FOG-Leistungsmerkmale erreichen, die deutlich weniger anfällig sind gegen umweltbedingte Bias-Fehler, die zuvor nicht erkannt oder im Stand der Technik nicht angesprochen worden sind.
• Obgleich die Erfindung mit Bezug auf eine zur Zeit bevorzugte Ausführungsform beschrieben wurde, ist sie darauf in keiner Weise beschränkt.

Claims (12)

1. Faserkreisel, umfassend eine Sensorspule, die eine optische Faser (12) enthält, welche in einer Anzahl konzentrischer, zylinderischer Lagen angeordnet ist, wobei eine jede Lage eine Anzahl Windungen der Faser enthält und eine jede der Windung von einem Vergussmaterial (30) ummantelt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Elastizitätsmodul der Vergusszusammensetzung bei Temperaturen oberhalb ihrer Glasübertragungstemperatur im Bereich zwischen 6,9 · 10&sup6; Pascal und 138 · 10&sup6; Pascal liegt.

2. Faserkreisel nach Anspruch 1, wobei die Faserwindungen auf einen Spulenkörper (14) aufgewickelt sind, der aus einem Kohlenstoffverbundmaterial hergestellt ist.

3. Faserkreisel nach Anspruch 2, wobei der Spulenkörper einen im Wesentlichen hohlzylindrischen Körper umfasst, der eine Ringschulter (20) und einen scheibenartige Abstützung (16) aufweist, welche gegen die Schulter (20) anliegt, so dass die Spule auf einer Plattform befestigt werden kann.

4. Faserkreisel nach Anspruch 2 oder 3, wobei das Kohlenstoffverbundmaterial in eine Verbundmatrix eingelagerte Kohlenstofffasern aufweist.

5. Faserkreisel nach Anspruch 4, wobei die Fasern innerhalb der Verbundmatrix im Wesentlichen rechtwinklig zueinander orientiert sind.

6. Faserkreisel nach Anspruch 5, wobei die Fasern bezüglich der Drehachse der Spule im Wesentlichen in Längs- und Umfangsrichtung orientiert sind.

Faserkreisel nach Anspruch 4, 5 oder 6, wobei die Verbundmatrix phenolhaltiges Material umfasst.

8. Faserkreisel nach einem der Ansprüche 2 bis 7, wobei das Kohlenstoffverbundmaterial, aus dem der Spulenkörper der Sensorspule gefertigt ist, "P-25"-Fasern, "P-55"-Fasern oder "P-105"-Fasern enthält.

9. Faserkreisel nach einem der vorherstehenden Ansprüche, wobei sich das Vergussmaterial durch einen Elastizitätsmodul auszeichnet, dass der durch die Spule im Ausgangssignal des Faserkreisels durch Vibrationen induzierte Bias bei 1 kHz kleiner ist als 1,5 Grad pro Sekunde.

10. Faserkreisel nach einem der vorherstehenden Ansprüche, wobei das Vergussmaterial sich zudem durch einen Elastizitätsmodul auszeichnet, dass durch Röntgen im Wesentlichen keine Risse in der Spule feststellbar sind.

11. Faserkreisel nach Anspruch 10, wobei der Elastizitätsmodul des Vergussmaterials so ist, dass die h-Parameterverschlechterungsgrenze der Spule geringer ist als 10&supmin;&sup4; pro Meter.

12. Faserkreisel nach Anspruch 10 oder 11, wobei der Elastizitätsmodul des Vergussmaterials so ist, dass die Grenze der Bias-Temperaturanstiegsempfindlichkeit der Spule kleiner ist als 0,1 Grad pro Stunde bei einer Temperaturanstiegsgeschwindigkeit von 1ºC pro Stunde.