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Die Erfindung betrifft ein Gyrometer mit einer
dielektrischen Wellenführung in Ringfarm, mit einer
elektromagnetischen Wellenquelle, welche mit einem Separator zum Senden
von zwei entgegengesetzt rotierenden, aus der Quelle
stammenden Wellen in den Ring versehen ist, mit einem
Interferenzdetektor, der die entgegengesetzt rotierenden Wellen
empfängt, mit ersten elektrooptischen Mitteln, die derart
gesteuert sind, daß sie den Wellen eine periodische,
wechselnde und phasensymmetrische Modulation mit einer Periode
geben, die etwa doppelt so lang wie die Zeit der Bahn des
Ringes ist, wobei diese Mittel stromaufwärts des Ringes für
eine Welle und stromabwärts für die andere Welle angeordnet
sind, mit zweiten Mitteln, welche von einem Rampengenerator
mit Phasenverschiebung mit regulierbarer Neigung
beaufschlagt und stromaufwärts des Ringes für eine Welle und
stromabwärts für die andere Welle angeordnet sind, und mit
elektronischen Mitteln zur Schleifenschaltung und zur
Messung, welche die Richtung und den Wert der Neigung der
Rampe zur Annulierung der Phasenverschiebung der von dem
Interferenzdetektor empfangenen Wellen steuern.
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Es gibt eine große Vielzahl von Dokumenten, welche
Gyrometer der vorgenannten Art beschreiben, deren dielektrische
Führung im allgemeinen eine optische Faser ist, welche eine
Spule aus einigen 100 Windungen bildet (z.B. DE-A-3 123
163). Diese Gyrometer basieren auf dem Sagnac-Effekt: Wenn
zwei polarisierte geradlinige und entgegegengesetzt
rotierende, aus derselben Quelle stammende Wellen in eine
Faserspule eingelassen werden und dann im Niveau eines Detektors
kombiniert werden, sind die optischen Wege gleich, wenn das
Gyrometer fest ist. Die vom Detektor empfangene Leistung
ist dann maximal. Wenn sich die Spule jedoch mit einer
Geschwindigkeit X um ihre Achse dreht, laufen die Wellen auf
zwei verschiedenen optischen Wegen, was in einer
Phasenverschiebung Φs resultiert:
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Φs = (4π LR) X / λ&sub0; c&sub0;,
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wobei L die Gesamtlänge der Faser, R der Radius der Spule,
λ&sub0; die Länge der Welle in Vakuum und c&sub0; die
Lichtgeschwindigkeit in Vakuum ist.
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Die gegenwärtige, vom Detektor empfangene Leistung P ist
dann: P = P&sub0;/2 (1 + cos Φs);
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wobei P&sub0; die empfangene Leistung ohne Rotationsbewegung
ist.
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Ein Gyrometer, das derart realisiert ist, daß es durch
einfaches Messen von P/P&sub0; den Wert Φs liefert, wird in der
Praxis unbrauchbar sein. Die vorbeschriebenen
gattungsgemäßen Gyrometer beseitigen zwei wesentliche Fehler des
Montageprinzips.
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Ein erster Fehler besteht darin, daß P/P&sub0; sich gering und
nicht linear verändert, da cos Φs sich gering verändert,
wenn Φs nahe Null ist. Die ersten elektrooptischen Mittel
des gattungsgemäßen Gyrometers ziehen den Messpunkt in
einer Zone heran, wo der Maßstabsfaktor vergrößert ist und
die Variation des Signals in Funktion der Geschwindigkeit
genau linear ist. Diese Modulationsmittel empfangen ein
Modulationssignal, häufig qualifiziert als "dither", welches
eine Periode, die etwa doppelt so lang wie die Zeit τ der
Bahn des Ringes ist (d.h. die Zeit der Ausbreitung in der
optischen Faser), und eine Amplitude hat, die annähernd
einer Phasenvariation von π/2 entspricht. Diese
Phasenverschiebung wird aufgrund der Ausbreitung in der Faser als
erstes auf eine der Wellen, als zweites auf die andere
Welle angewendet, da die Modulationsmittel stromaufwärts
der Faser für eine Welle und stromabwärts für die andere
Welle angeordnet sind. Das Gyrometer ist so abwechselnd
nahe am Punkt der Halbintensität jeder Seite des Maximums des
Interferenzstreifens polarisiert.
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Ein zweiter Fehler ist, daß aufgrund seiner
Basiskonstitution das Gyrometer keine Nullvorrichtung ist. Bei den
Gyrometern
der eingangs beschriebenen Art wird dieser Fehler
dadurch vermieden, daß eine nicht reziproke Phasendifferenz
eingeführt wird, d.h. die keinen Effekt auf die beiden
entgegengesetzt rotierenden Wellen Φr zwischen den beiden
Wellen hat, derart, daß Φs + Φr = 0 ist. Die
Phasenverschiebung Φr, oder Regelphase, wird mittels eines
Rampengenerators mit linearer Phasenverschiebung erzeugt, welcher auf
Rampenphasenverschiebungsmittel in integrierter Optik
angewendet wird, welche stromaufwärts des Ringes für eine Welle
und stromabwärts für die andere Welle angeordnet sind. Die
Rampe ist zur Annulierung von Φs + Dr regelbar. Die Phase
der einen Welle wird so verschoben, bevor sie die Spule
durchläuft, während die andere Welle verschoben wird,
nachdem sie die Spule durchlaufen hat, was sich in eine
Phasenverschiebung zwischen den Wellen gleich der Differenz
zwischen zwei identischen Rampen überträgt, welche zeitweise
während der Dauer des Durchlaufs des Ringes verschoben
sind.
Die Phasenverschiebung Φr zwischen den beiden Wellen,
welche durch während der Ausbreitungszeit τ in der Faser
verschobene lineare Rampen hervorgerufen wird, ist konstant
und proportional der Steigung der Rampe, deren Richtung vom
Vorzeichen der Eintrittsgeschwindigkeit X abhängt.
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Bei den bekannten Gyrometern der vorbeschriebenen Art wird
die Rampe bis Null mit Ablauf jedes Zeitintervalls
entsprechend einer Variation der Regelphase von 2π übergeben, was
das Maß der Winkelgeschwindigkeit X auf ein Maß der
Frequenz f der Rückkehr bis Null zurückführt. Die Neigung der
Rampe wird justiert, um Φs + Φr = 0 zu erhalten, dann ist
Φs = 2πτ/T. Die Frequenz der Übergaben bis Null ist dann
2RX / nλ&sub0;. Es genügt, daß der Rampengenerator bei jeder
Rückkehr bis Null ein Signal an einem Ausgang für eine
Rotationsrichtung und ein Signal am anderen Ausgang für die
andere Rotationsrichtung liefert. Man verfügt so über die
Geschwindigkeit durch Messung der Frequenz oder Zählung der
Anzahl der Impulse, die an dem einen oder anderen Ausgang
pro Zeiteinheit erscheinen.
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Diese Funktionsweise ist in Fig. 1 dargestellt, welche die
Variation der Phasenverschiebung in Abhängigkeit von der
Geschwindigkeit X im Falle der Funktion mit einer offenen
Schleife zeigt. Das Modulationssignal entspricht,
transponiert in die Geschwindigkeit, der Oszillation 10, die
gestrichelt dargestellt ist. Die elektronischen
Schleifenmittel bilden eine Steuerung, die den Funktionspunkt bei Null
in Abwesenheit von "dither" hält.
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Diese Lösung ist für relativ geringe Geschwindigkeiten
ausreichend. Aber sie führt zu Umkehrfrequenzen bis Null, die
proportional zur Geschwindigkeit sind. Der Erfindung liegt
deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Gyrometer zu schaffen,
welches ohne Beschädigung der winkelförmigen Lösung die
Umkehrfrequenz bis Null der Rampe bei erhöhten
Geschwindigkeiten begrenzt.
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Diese Aufgabe wird mit einem Gyrometer der eingangs
bezeichneten Art erfindungsgemäß durch Mittel zur Umkehrung
der Neigung der Rampe mit Phasenverschiebung, d.h. Wechseln
des Zeichens der Regelphase Φr gelöst, während die
Phasenverschiebung Φr + π/2 oder - π/2 passiert, und durch
Mittel zum algebraischen Zählen der Wechsel des (Vor-)
Zeichens der Phase.
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Aufgrund dieser Ausbildung weist die Rampe niemals eine
Umkehrfrequenz bis Null oberhalb von 1/4τ auf, was günstig
ist, aufgrund der Tatsache, daB die Umschaltungen der
Übergabe bis Null der Rampe geeignet sind, die Detektion zu
stören.
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Die Mittel zum algebraischen Zählen können von einem
einfachen Zähler-Abzieher gebildet sein. Die Mittel zum Wechseln
des Zeichens der Regelphase sind vorteilhaft vorgesehen, um
den Wechsel zu bewirken, d.h. die Umkehrung der Neigung der
Rampe während der Perioden der Übergabe bis Null, d.h.
während
der kurzen Zeiträume, die notwendig zur Detektion
sind.
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Die Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung
beispielsweise näher erläutert. Diese zeigt in
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Fig. 1, bereits erwähnt, ein Diagramm, welches die
Phasenvariation in Funktion der Drehgeschwindigkeit im
Falle eines nicht gesteuerten Gyrometers zeigt,
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Fig. 2 ein Prinzipscheina eines Gyrometers mit optischer
Faser mit im allgemein bekanntem Aufbau aber
modifiziert zur Durchführung der Erfindung,
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Fig. 3 eine Synoptik, welche einen möglichen Aufbau eines
Rampengenerators in Übereinstimmung mit einer
besonderen Ausführungsform der Erfindung zeigt,
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Fig. 4 und 5 den Verlauf der Signale, die an den
verschiedenen Punkten der Synoptiken gemäß Figuren 3 und 4
erscheinen und
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Fig. 6 eine Funktionsgraphik.
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Das Gyrometer gemäß Fig. 2 hat einen allgemeinen Aufbau,
der bekannt ist und folglich nicht im einzelnen beschrieben
wird. Es weist eine dieelektrische Führung 10 in Ringform
auf, welche im allgemeinen von einer Spule aus
gleichförmiger optischer Faser gebildet ist und eine Länge von 100 bis
1000 m mit einem Durchmesser in einer Größenordnung von cm
haben kann. Eine kohärente Lichtquelle 12 mit linearer
Polarisation, wie ein Diodenlaser, speist die beiden Enden
der Faser unter Zwischenschaltung einer Anordnung in
integrierter Optik 16. Ein Abzweiger 14, der zwischen der
Quelle 12 und der integrierten Optik angeordnet ist, erlaubt
es, die von den Wellen gelieferte Leistung
zurückzugewinnen, welche in umgekehrter Richtung die Führung 10 in
Ringform durchlaufen haben.
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Die Anordnung in integrierter Optik weist einen Separator
auf, welcher zwei gleiche Leistungen zu den zwei Enden der
Faser schickt. Diese weist gleichfalls Mittel zur
Modulation der elektrooptischen Phase auf, welche von einer
Modulatorschaltung 17 ein periodisches elektrisches Signal
empfangen, alternativ zu einer Periode, die etwa doppelt so
lang wie die Zeit τ der Bahn des Ringes ist (Zeit, deren
Variationen mit der Rotationsgeschwindigkeit X
vernachlässigbar sind), deren Amplitude so ist, daß sie eine Umschaltung
der optischen Phase von π/2 hervorruft, wie gestrichelt in
Fig. 1 dargestellt ist.
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Dieses Signal liefert die Meßpunkte in den Zonen, wo die
Sensibilität und Linearität maximal sind. Bei einem
Gyrometer der bekannten Art ist der Funktionspunkt dann
alternativ in 1 und 2.
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Das periodische Signal kann insbesondere getragen und
synchronisiert werden durch ein Signal MOD, das aus einer
Zeitbasis 18 stammt, welches ein Signal mit einer festen
Frequenz einer Uhr 20 empfängt.
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Das Interferenzprodukt der entgegengesetzt rotierenden
Wellen, die die Spule durchquert haben, wird vom Abzweiger 14
zu einer Meß- und Schleifenkette geschickt. Die
dargestellte Kette weist ein Detektionsmodul 22 zur
Vorverstärkung und Adaption der Impedanz gemäß eines analogen
Kommutators 24 und eines Demodulators 26 auf. Diese Module
empfangen Signale zur Regelung und Referenz E1 und DEM,
welche von der Zeitbasis 18 geliefert werden.
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Das kontinuierliche demodulierte Signal, welches ein
Abweichungssignal ΔΦ = Φs + Φr bildet, wird auf einen
Integrator 28 angewendet, welcher den Eintritt der Steuerung der
Neigung eines analogen Rarnpengenerators 30 speist. Dieser
Generator 30 wirkt auf eine der elektrooptischen
Phasenverschiebungsmittel 31 ein, die an einem Ende des Ringes
angeordnet sind. In Fig. 2 sind die Phasenverschiebungsmittel
31 unterschiedlich von dem Modulationsphasenverschieber und
am gegenüberliegenden Ende des Ringes angeordnet. Aber sie
könnten auch am selben Ende und vermischt mit diesem
angeordnet sein.
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Bei bekannten Gyrometern ist der Generator 30 vorgesehen,
um an einem Ausgang P oder M gemäß der Richtung der Rampe
einen Impuls bei jeder Übergabe bis Null zu liefern (so daß
die Rampe eine Amplitude erreicht, welche der optischen
Phasenverschiebung von 2π in bekannten Gyrometern
entspricht).
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Die Frequenz der Impulse an den Ausgängen P oder M ist dann
representativ für die Winkelgeschwindigkeit, wobei jeder
Impuls einem Drehwinkel θ = nλ&sub0; /2 R entspricht, wobei X =
λ&sub0; nf/2R ist, und wobei f die Frequenz der Impulse in M
oder P (1) ist.
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Gemäß der Erfindung kehrt man die Neigung der folgenden
Rampe um, wenn der absolute Wert der Regelphase Φr den
Wert π/2 überschreitet. Diese Umkehrung kann insbesondere
einfach derart bewirkt werden, daß man die Verstärkung am
Ausgang des Integrators 28 umkehrt, wie dies in Fig. 2
dargestellt ist, wo ein Kommutator 32, der im allgemeinen von
einem Element in festem Zustand gebildet ist, es erlaubt,
den Integrator 28 mit dem Rampengenerator 30 entweder
direkt oder durch Zwischenschaltung eines Umkehrers 34 zu
verbinden. Die Steuerung führt dann die Oszillation in die
Zone 1 (Fig. 1) zurück, wobei das Modulationssignal den
Funktionspunkt in 1 und 3 alternativ passieren läßt.
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Die Umkehrung kann von einer Vergleichs- und Steuerlogik 36
gesteuert werden, welche auf einen Zähler-Abzieher 38
einwirkt, dessen Funktion weiter unten beschrieben wird.
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So lange, wie die Phase Φs zwischen + π/2 und + 3π/2
bleibt, wirkt sich die Oszillation des Funktionspunktes in
der Zone + 1 zwischen den Punkten 1 und 3 aus. Wenn Φs den
Wert 3π/2 überschreitet, gibt es eine neue Umkehrung der
Verstärkung, welche zu derjenigen zurückkommt, die in der
Zone 0 war. Der Funktionspunkt oszilliert dann in der Zone
+ 2.
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Die Modifikationen des Vorzeichens der Verstärkung
ausgehend von der Zone 0 werden registriert, jedes mal mit einer
Anzeige, wenn diese hervorgerufen werden durch ein
Übersteigen von π/2 oder ein Übersteigen von - π/2. Wenn man
mit N den Inhalt des Zähler-Abziehers 38, der die
Umkehrungen der Verstärkung zusammenzählt, bezeichnet, ergibt sich
die Geschwindigkeit X dann durch:
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X = N λ&sub0; c&sub0; / 4 (LR +) ( λ&sub0; nf / 2R),
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welche die obengenannte Formel (1) ersetzt.
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Man sieht, daß die Frequenz der Rampe so auf f = +/- 1/4τ
begrenzt wird, wobei die Winkellösung unverändert und
gleich n λ&sub0; / 2R bleibt.
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Die Fig. 4 zeigt beispielhaft eine mögliche Entwicklung des
Ausgangs des Integrators 28 in Funktion der Geschwindigkeit
am Eingang mit der erfindungsgemäßen Lösung für zwei
besondere Fälle, welche einer steigenden urd einer sinkenden
Geschwindigkeit entsprechen. Dieses Diagramm entspricht dem
Fall, vorzugsweise im Funktionssichtpunkt, wo die
Umkehrungen der Rampe während des Zurückgehens auf Null mit Hilfe
einer Schaltung der Art gemäß Fig. 3 bewirkt werden.
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Die Vergleichs- und Steuerlogik kann die schematisch in
Fig. 3 gezeigte Ausbildung haben. Diese Logik funktioniert
gemäß der Graphik nach Fig. 6 und die (Vor)-Zeichen haben
dann den in Fig. 5 gezeigten Verlauf, wo jede Linie das
Signal entsprechend dem Punkt angibt, welcher dasselbe
Bezugszeichen in Fig. 3 trägt.
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Die Vergleichs- und Steuerlogik der Fig. 3 weist zwei
Eingangskomparatoren 40 und 42 auf, die Referenzspannungen von
etwa der Größe VH und VB empfangen, jeweils an ihren
negativen
und positiven Eingängen. Die Schwellenwerte VH und VB
entsprechen den Phasenverschiebungen Φs aufgrund des
Sagnac-Effektes leicht oberhalb von π/2, um zu dem in Fig. 4
gezeigten Chronogramm zu führen. Wenn die Ausgangsspannung
VI des Integrators 28 den Wert VH übersteigt, was einer
Zunahme der Rotationsgeschwindigkeit entspricht, liefert der
Komparator 42 ein Signal. Umgekehrt, wenn VI ausreichend
negativ wird, um unterhalb von VB zu liegen, liefert der
Komparator 40 ein Ausgangssignal.
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Durch Annahme von Absolutwerten für VH und VB entsprechend
der Phasen Φs leicht oberhalb von π/2 vermeidet man das
Risiko von Oszillationen in der Umwandlung der Verstärkung,
wenn die Geschwindigkeit X nahe derjenigen ist, die den
Grenzen zwischen den Zonen entspricht. Diese Abweichung
überträgt sich nachher durch eine Verringerung des
absoluten Wertes der Ausgangsspannung des Integrators 28, jede
Umwandlung z.B. von A nach A' im Falle einer steigenden
Geschwindigkeit (Fig. 4).
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Die Phase Φr verändert sich sofort von der Seite Φ zu Φ'
in Fig. 4.
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Jeder der Komparatoren 40,42 ist mit einem
Verriegelungsmechanismus 44 oder 46 des Typs D bei der gezeigten
Ausführungsform verbunden. Beim ersten Schlag der Uhr R&sub1;, der von
der Zeitbasis 18 geliefert wird, welche dem Erscheinen
eines Signals folgt (vorgesehen zum leichten Vorhergehen des
Endes eines Wechsels des Modulationssignals), liefert der
Mechanismus 46 einen Impuls C+. Ein Impuls C- derselben Art
wird von dem Mechanismus 44 in Antwort auf ein eventuell
vom Komparator 40 stammendes Signal geliefert.
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Die Mechanismen werden durch ein Signal R2 auf Null
zurückgeführt, sofort am Ende jedes Wechsels des
Modulationssignals (Fig. 5). Im dargestellten Fall werden dann R&sub1; und R&sub2;
während der Perioden ausgesendet, wo das Signal H/T auf dem
Niveau ist, weiches den Fortgang untersagt und die letzte
Detektion speichert. Die Dauer dieses Niveaus soll
wenigstens gleich zweimal der maximalen Differenz zwischen τ und
der halben Periode der Modulation sein.
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Eine Logik 48 empfängt die Impulse C+ und C- und liefert
als Antwort an dem einen oder dem anderen der Ausgänge
Zählimpulse H+ und Abziehimpulse H- gemäß der folgenden
Formeln:
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H&spplus; = (C&spplus; . &sub0;) + (C&supmin; . B&sub0;)
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H&supmin; = (C&spplus; . B&sub0;) + (C&supmin; . &sub0;),
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wobei B&sub0;
das am wenigsten signifikante Bit eines Zählers 50
ist, der die Ausgangsimpulse zusammenzählt. Dieser Fall ist
derjenige, der einer Arithmetik in zwei Komplementen
entspricht.
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Die Funktionsgraphik ist dann diejenige gemäß Fig. 6, wo
die untere Linie den Gehalt des Zählers anzeigt, in dem
Fall, wo dieser eine maximale Kapazität von 111 hat und wo
die Operationen als zwei Komplemente ausgeführt werden.
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Die beschriebene Ausführungsform hat einen im wesentlichen
analogen Aufbau. Es ist jedoch auch möglich, diese in
numerischer Form ausgehend vom Ausgang des Demodulators 26 zu
verwirklichen.