DE9422287U1 - Faserkreisel mit vergossener Sensorspule - Google Patents

Description

MÜLLER & HOFFMANN - PATENTANWÄLTE

European Patent Attorneys - European Trademark Attorneys

Innere Wiener Strasse 17 D-81667 München

Anwaltsakte: 51.853 Mü/cg

Anmelderzeichen: GCD92-13 29.06.1999

LITTON SYSTEMS, INC.

5500 Canoga Avenue

M/S 30 USA - Woodland Hills, California 91367-6698

Faserkreisel mit vergossener Sensorspule

Diese deutsche Übersetzung ist eine Übersetzung der erteilten Fassung der europäischen Patentanmeldung Nr. 94 305 591.3

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LITTON SYSTEMS. INC. Akte: 51.853 29.06.1999

Faserkreisel mit vergossener Sensorspule

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.

Ein interferometrischer Faserkreisel enthält folgende Hauptkomponenten:

(1) eine Lichtquelle,

(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. Ezekiel und M. J. Arditti, Fiber Optic Rotation Sensors, New York, Springer-Verlag, Seiten 2 - 26 (1982),

(3) eine faseroptische Sensorspule, die entweder aus polarisationserhaltender (PM) (polarization maintaining) Faser oder aus gering doppelbrechender also Standard-Telekommunikations-Faser hergestellt sein kann, (4) einen Polarisator (und gelegentlich einen oder mehrere Depolarisatoren) und

(5) einen Detektor.

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.

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

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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.

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.

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.

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.

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-

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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.

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-O 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.

In der zeitgleich hinterlegten Europäischen Patentanmeldung, Veröffent-Iichungs-Nr. EP-A-O 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.

Die letztgenannte EP-Veröffentlichung beschreibt eine Sensor spule, 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.

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-

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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.

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 O ⁰C erstreckt und bei dem jede Windung in ein Vergussmaterial eingelagert ist, dessen Glasübergangstemperatur unter dem bestimmten Betriebstemperaturbereich liegt.

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 O ⁰C liegt, insbesondere unter -10 ⁰C, unter -15 ⁰C oder unter -20 ⁰C, da für viele Faserkreisel Betriebstemperaturen bei oder unter O ⁰C gefordert werden. Für ideale kommerzielle Anwendungen lässt sich zusätzlich eine Temperatur unter -40 °C, das heißt außerhalb eines Bereichs von -40 ⁰C bis +60 ⁰C angeben, dem Temperaturbereich, der für

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solche Anwendungen üblicherweise vorgegeben wird, während für militärische Anwendungen ein Temperaturbereich von unter -55 ⁰C gefordert wird, das heißt für die Glasübergangstemperatur ein Bereich außerhalb von -55 ⁰C bis + 105 ⁰C, dem Betriebsbereich, der üblicherweise für solche Anwendungen spezifiziert wird.

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 Faser

kreisels gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 2 eine vergrößerte Schnittdarstellung eines Teils einer in

Lagen aufgebrachten Wicklung der Sensorspule gemäß

Fig. 1;

Fig. 3 und 4 graphische Wiedergaben des Bias eines FOGs, dessen

Sensorspule gemäß Fig. 1 und 2 und mit härtbarem NORD-LAND-öeW-Acrylatkleber vergossen war, in Abhängigkeit

von der Temperatur;

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;

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; und

Fig. 8 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.
5

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.

Der Spulenkörper 14 besteht vorzugsweise aus einem Kohlenstoffverbundmaterial oder einem anderen Material mit ähnlichen thermomechanischen Eigenschaften, insbesondere 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 14 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.

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

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temperaturveränderlicher Umgebung beschreibt. Der Effekt ist ähnlich dem Standard-Shupe-Temperatureffekt, über den in "Thermally Induced 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.

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.

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 schliejSen 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.

Andere Herstellungsverfahren umfassen trockene Spulenwicklungen mit nachfolgender 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.

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.

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.

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

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FOGs gegen eine sinusförmige Vibrations erregung 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 (Quervibration) 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 Quervibration zeigt das FOG-Ausgangssignal eine azimuthale Abhängigkeit, die annähernd sinusförmig ist, das heißt sich mit dem Sinus des Azimuth-Winkels ändert.

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.

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 Steilheit 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

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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.

Die graphische Darstellung der Fig. 3 zeigt den Zusammenhang des Bias-Fehlers (Grad pro Stunde) in Abhängigkeit der Temperatur (über einen Bereich von etwa -10 ⁰C bis 70 ⁰C) 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.

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 -10 ⁰C und 70 ⁰C. Ersichtlicherweise tritt eine abrupte und extreme Abweichung der Daten (ein Bias-Spike) bei etwa 50 ⁰C auf. Der wiedergegebene Bias-Spike übersteigt 5 Grad pro Stunde.

Fig. 4 zeigt eine ähnliche graphische Darstellung von Daten für eine andere Sensorspule, die mit NORD LAND 65 vergossen und Temperaturzyklen zwischen etwa -25 ⁰C und 70 ⁰C 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 5 °C und 50 ⁰C liegen. Diese Überkreuzungen zeigen an, dass die Bias-Abhängigkeit von der Temperaturänderungsgeschwindigkeit (oder dem Shupe-Koeffizienten)

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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 · 10⁶ Pascal (150.000 p. s. i.) auf weniger als 2,78 ■ 10⁶ Pascal (400 p. s. i.) beim Durchlaufen seines Glasübergangsbereichs erfahren.

Der Graph der Fig. 5 veranschaulicht den Zusammenhang zwischen der Temperatur und dem Young'schen Modul für ausgehärtetes NORDLAND 65, dessen Temperatur von -100 ⁰C bis 100 ⁰C ansteigt. Ersichtlicherweise beginnt ein abrupter Abfall des Young'schen Moduls des Materials, wenn dieser Acrylatkleber auf etwa 0 ⁰C abgekühlt ist, wobei dieser Übergang bei etwa 50 ⁰C 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 28 ⁰C liegt. Der Young'sche Modul von NORDLAND 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.

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 0 ⁰C und etwa 50 ⁰C 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

(1) eine Glasübergangstemperatur, die unterhalb des Betriebsnutzungsbereichs eines FOGs liegt, der sich seinerseits nach unten bis zu einer Temperatur von gleich oder unter O ⁰C erstreckt und

(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 -40 ⁰C bis 60 ⁰C angegeben, während für militärische Anforderungen ein Bereich von -55 ⁰C bis 105 ⁰C 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.

Als Ergebnis der Erfindung werden polymerbasierte Vergussmaterialien bereitgestellt, welche 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.

Die Erfinder haben insbesondere erkannt, dass sich unter den Silikonen gute Materialkandidaten finden lassen. Deren Glasübergangstemperaturen liegen unter -55 ⁰C 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

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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 Übergangsbereichs. Dies trifft natürlich für alle PoIymere 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 · 10⁶ Pascal (370 p. s. i.) liegt und daher nicht ausreichend steif für FOGs ist, für die strenge Anforderungen hinsichtlich einer vibrationsbelasteten Umgebung bestehen.

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 Füllermaterials hat den Effekt, dass die Steifheit des Silikons im gummiartigen Bereich erhöht wird, so dass die FOG-Vibrationsempfindlichkeit auf den gewünschten Pegel reduziert wird.

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

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auf 75 ⁰C 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. 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 -66 °C, wobei die Steifheit des Materials abrupt abfällt, wenn die Temperatur über den Glasübergangsbereich ansteigt, und zwar auf ungefähr 2,55 · 10⁶ 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 -72 ⁰C 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 Silikonmaterial 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.

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

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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 -50 ⁰C und 95 ⁰C 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.

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.

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.

Claims (7)

1. Faserkreisel für einen bestimmten Temperaturbereich mit einer Sensorspule, die eine in einer Mehrzahl von konzentrischen zylindrischen Lagen angeordnete optische Faser enthält, wobei jede der Lagen eine Mehrzahl von Faserwindungen (12) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Faserkreisel für einen bestimmten Betriebsbereich bestimmt ist, der sich nach unten bis zu einer Temperatur von 0°C oder darunter erstreckt, und dass jede der Windungen (12) in ein Vergussmaterial (16) eingegossen ist, das eine Glasübergangstemperatur aufweist, die unter dem bestimmten Betriebstemperaturbereich liegt.

2. Faserkreisel nach Anspruch 1, bei dem die Vergusszusammensetzung eine Glasübergangstemperatur unter -10°C hat.

3. Faserkreisel nach Anspruch 2, bei dem das Vergussmaterial (16) eine Glasübergangstemperatur hat, die unter -40°C liegt.

4. Faserkreisel nach Anspruch 3, bei dem das Vergussmaterial eine Glasübergangstemperatur unter -55°C hat.

5. Faserkreisel nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, bei dem das Vergussmaterial eine makromolekulare siliziumorganische Verbindung (Silikon) enthält.

6. Faserkreisel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Vergussmaterial eine Füllstoffkomponente enthält.

7. Faserkreisel nach Anspruch 6, bei dem die Füllstoffkomponente ausgewählt ist aus einer Gruppe, die Ruß, Glaspartikel, Quarz, Siliziumcarbid, Graphit und Aluminiumoxidpulver umfasst.