NO842455L - Ringlasergyro - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelse angår en ringlasergyro, og

mer spesielt en meget nøyaktig og kompakt ringlasergyro for bruk i et borehull såsom en oljebrønn.

På grunn av de små diametere av oljebrønn-borehull, er størrelsen av instrumenter som kan brukes i hullene kritisk. Kjente ringlasergyro-enheter er i alminnelighet ikke egnet for bruk i borehull, alene eller i instrumentgruppe, enten fordi gyroenhetene er for omfangsrike eller fordi gyroen ikke er tilstrekkelig nøyaktig.

Typiske ringlasergyroer omfatter en kavitet som utformer

en lukket sløyfe-bane gjennom hvilken to kontraroterende laserstråler beveger seg. I kjente forsøk på å redusere total-størrelsen av gyroen, er banelengden i kaviteten redusert til så lite som 6 cm. Man har imidlertid funnet, at jo større område som omfattes av kaviteten, og derfor jo lengre banelengden er, jo større er gyroens nøyaktighet. Å minimalisere banelengden for å minimalisere totalstørrelsen av gyroen, resulterer i en gyro, såsom 6 cm-gyroen, som ikke er tilstrekkelig nøyaktig for de fleste anvendelser, deriblant i borehull.

Et av problemene som påvirker nøyaktigheten av en ringlaser-gyro er fenomenet med sammenlåsning av de to kontraroterende laserstrålene. For å hindre innlåsning, har man benyttet forskjellige skjelve-teknikker ved bruk av eksterne forspenningsapparater. Selv om kjente forspenningsapparater nok forbedrer gyroens nøyaktighet, medfører slike apparater en betydelig økning av gyroens totale dimensjoner. Gyroenheter som bruker slike apparater er derfor i alminnelighet for omfangsrike til å bli benyttet nede i borehull.

Ifølge den foreliggende oppfinnelse har man overvunnet u-lempene med de tidligere ringlasergyroer som nevnt ovenfor. Ringlasergyro-enheten ifølge den foreliggende oppfinnelse er både meget nøyaktig og meget kompakt, for å kunne brukes i et borehull, f.eks. i en oljebrønn.

Borehull-ringlasergyroen har en hoveddel inneholdende en flersidet kavitet som utformer en lukket sløyfe-bane gjennom hvilken et par kontraroterende stråler beveger seg, og et speil anbragt i hvert hjørne av kaviteten for å reflektere strålene rundt banen. Hoveddelen har en flersidet form med to motsatte sider som er betydelig lengre enn de øvrige sider, som er korte, slik at man utformer en lang, smal kropp for bruk i et borehull. Hvert av speilene er anbragt på en forskjellig en av de kortere sidene i gyrohuset, og antallet av kortere sider i gyrohuset er lik antallet av speil for å minimalisere bredden av hoveddelen. Kaviteten er anbragt inne i hoveddelen, med et slikt forhold til speilene at lengden av den lukkede bane som utformes av kaviteten blir maksimalisert for den smale gyro-hoveddelen.

En teknikk som blir brukt for å hindre innlåsning av de to kontraroterende laserstråler er en speil-skjelving i hvilken to av speilene blir vibrert 180° ut av fase i forhold til hverandre. De to skjelvende speilene kan være anbragt på tilstøtende kortere sider av hoveddelen, og kaviteten er slik anbragt inne i hoveddelen i forhold til speilene at den lengre siden av kaviteten er parallell med den lengre siden av hoveddelen. De to skjelvende speilene kan også være anbragt på motsatte kortere sider av gyroens hoveddel, og kaviteten avsatt i forhold til hoveddelen slik at kavitetens banelengde blir maksimalisert og bredden av gyro-hoveddelen minimalisert.

Ringlasergyroenheten for borehull omfatter videre et for-spenningsapparat for å overføre en skjelving til gyroens hoveddel for å hindre innlåsning av de to kontraroterende laserstrålene. Forspenningsapparatet omfatter første og andre fleks-enheter anbragt nær motsatte sider av gyro-hoveddelen, og hver enhet er koblet mellom hoveddelen og en støtte. Det er en anordning for å drive hver av fleks-enhetene 180° ut av fase i forhold til hverandre, for å skjelve gyroens hoveddel rundt en inngangsakse. Hver av fleks-enhetene er meget smal, for å gi en minimal økning av ringlasergyroens totalstørrelse. Disse og andre formål og fordeler med oppfinnelsen, såvel som detaljer av en illustrerende utførelse, vil bli bedre forstått fra den følgende forklaring, under henvisning til tegningene, hvor: Figur 1 er et perspektivriss av borehulls-ringlasergyro-enheten ifølge den foreliggende oppfinnelse; Figur 2 er et tverrsnitt av hoveddelen av ringlasergyroen på figur 1; Figur 3 er et tverrsnitt av en annen utførelse av ringlasergyroens hoveddel; Figur 4 er ringlasergyro-enheten på figur 1 sett ovenfra, og illustrerer forspenningsapparatet for å overføre en skjelving til gyroens hoveddel; Figur 5 er et perspektivriss av et fleks-blad av forspenningsapparatet på figur 4; Figur 6 er et tverrgående snitt gjennom ringlasergyro-enheten i et hus; Figur 7 er et delvis enderiss av ringlasergyroen i huset.

Borehulls-ringlasergyroen, som vist på figurene 1 og 2, omfatter en hoveddel 10 som kan være laget av kvarts, inneholdende en flersidet kavitet 12 som utformer en lukket sløyfe-bane. Kaviteten inneholder en gass eller gasser som passer for lageroperasjon, såsom en 90% helium og 10% neon ved et trykk på 3 torr. En gassutladning blir etablert mellom en katode 14 og et par anoder 16 og 18, hver av hvilke er i for-bindelse med kaviteten 12, for å generere to kontraroterende laserstråler. Strålene blir reflektert rundt den lukkede banen av speilene 20, 22, 24 og 26 plassert ved hjørnene av kaviteten. Når gyroen blir rotert rundt enhver inngangsakse parallell med Z-aksen, blir den effektive banelengde for én stråle øket, mens den effektive banelengde for den andre strålen blir minket på grunn av Doppler-skiftingen. En svevefrekvens som er propor-sjonal med rotasjonshastigheten blir generert som følge av hetrodyn-effekten av de to strålene, såsom ved hjelp av en prisme forbundet med speilet 24. Svevefrekvensen genererer et kant-mønster som blir detektert av en dobbelt fotodiode 28 og frem-bringer gyroens utgangssignal.

Ringlasergyroens hoveddel 10 er laget meget smal og kompakt for å brukes i et oljebrønn-borehull, enten alene eller i en instrumentgruppe. Bredden av hoveddelen, tatt langs X-aksen,

er ca. 25 mm. Hoveddelen er imidlertid betydelig lengre enn den er bred. Lengden, tatt langs Y-aksen, er omtrent 125 mm, slik at den gir plass for en kavitet med en banelengde på 25 cm. Selv om kaviteter med mindre banelengder er kjent, har man funnet at jo større område som dekkes av kaviteten, og derfor jo lengre banelengden er, jo mere nøyaktig er gyroen. For å minimalisere bredden av gyro-hoveddelen, men å maksimalisere lengden av den lukkede sløyfe-banen som utformes av kaviteten,

er hoveddelen 10 av gyroen utformet med en flersidet form, hvor to ikke-tilstøtende eller motsatte sider 30 og 32 er vesentlig lengre enn de øvrige sider 34-40, på hvilke hver av speilene er

montert. De øvrige sidene er korte for å utforme en lang,

smal hoveddel. Videre er antallet av korte sider 34-40 i hoveddelen 10 lik antallet av speil som er nødvendige for å minimalisere den totale bredde av gyroen.

Kaviteten 12 er utformet med en lang, smal flersidet

form med to kanaler eller forsterkningsrør 42 og 44 som er lengre enn de øvrige forsterkningsrør 46 og 48. De lengre forsterkningsrør er anbragt nær de lengre sidene 30 og 32 av hoveddelen, og de kortere forsterkningsrør 46 og 48 krysser de lengre rørene 42, 44 ved speilene. Kaviteten 12 er plassert inne i hoveddelen av gyroen i forhold til speilene, slik at lengden av den lukkede sløyfe-bane utformet av kaviteten blir maksimalisert. Skjønt kaviteten, som vist, er rektangulær inne i en uregelmessig sekskantet hoveddel, kunne kaviteten ha vært forskjellige andre flersidede former. En kavitet som utformer en lang, smal trekant kunne f.eks. ha vært anbragt inne i en uregelmessig, femkantet hoveddel ifølge den foreliggende oppfinnelse.

For å hindre innlåsning av de to kontraroterende laserstrålene, benytter ringlasergyroen både en hoveddel-skjelving som beskrevet i detalj nedenfor, og en speil-skjelving i hvilken hver av speilene 20 og 22 blir vibrert periodisk i en retning i rett vinkel med frontoverflaten. Speilene 20 og 22 er membran-speil drevet 180° ut av fase, slik at man holder kavitetens banelengde konstant. Hver av speilene 20 og 22 har en kavitetslengde-kontrolldriver 45 og 47, som er følsomme for utgangen av en enkelt fotodiode 49 forbundet med speilet 26. Fotodioden 49 overvåker intensiteten av laserstrålene, og frem-bringer en likestrømsutgang til de skjelvende speilene slik at strålene blir holdt i modus-sentrum. Detaljer av de to skjelvende speilene og styringskretsen for å opprettholde 180° fase-forhold er beskrevet i en samtidig patentsøknad, serie nr. 462.548.

I en utførelse av borehull-ringlasergyroen, som vist på figur 2, er membran-speilene 20 og 22 plassert på tilstøtende kortere sider 34 og 36 i gyro-hoveddelen 10. Kaviteten 12 er plassert inne i gyro-hoveddelen slik at de lengre rørene 42 og 44 er parallelle med de lengre sidene 30, 32 av hoveddelen. Denne utformingen resulterer i en gyroenhet som er tilstrekkelig

smal for de fleste anvendelser.

For videre å redusere bredden av gyroen mens man samtidig gir plass for membran-speilene 20 og 22, som er større enn de øvrige speilene, kan imidlertid ringlasergyroen modifiseres som vist på figur 3. I denne utformingen er membranspeiléne 20' og 22' plassert på motsatte kortere sider 34' og 38' av hoveddelen 10', og kaviteten 12' er satt av inne i hoveddelen slik at strålene krysser den sentrale del av speilene. Sidene 34' og 38' er lange nok til å gi plass for de store membran-speilene 20' og 22', og sidene 36' og 40' er kortere enn sidene 34' og 38" for å minimalisere bredden av gyroen. De mindre speilene, 24' og 26', er plassert på sidene 36' og 40', nærmere de respektive lengre sidene 32' og 30' av hoveddelen,

for å maksimalisere banelengden i kaviteten 12'. Den relative plassering av speilene og den avsatte kavitet er et videre trekk som gjør det mulig å minimalisere den totale bredde av ringlasergyroenheten mens man maksimaliserer lengden av den lukkede sløyfe-bane som utformes av kaviteten.

I tillegg til speil-vibreringen, blir hoveddelen 10 av ringlasergyroen også vibrert av forspenningsapparatet. Forspenningsapparatet vibrerer hoveddelen av gyroen på en roterende måte rundt en inngangsakse av hoveddelen, for å hindre innlåsning av laserstrålen. Forspenningsapparatet er vist i detalj i forhold til figurene 1 og 4-7. Forspennings-apparatet er meget smalt, og legger meget lite til totalbredden av gyro-enheten. Forspenningsapparatet omfatter et par fleks-enheter 50 og 52 plassert nær de lengre sider av gyro-hoveddelen, hen-holdsvis 30 og 32. De fleksible enhetene 50 og 52 er koblet til gyroens hoveddel gjennom et par monteringsblokker 62 og 64. Monteringsblokkene 62 og 64 er laget av kvarts og festet med epoxy til hoveddelen 10 på motsatte sider av en sentral inngangs-akse 65 til gyroen. Utformingen av katoden 14, anoden 16 og 18, gétter 19 og monteringsblokkene 62 og 64 på den samme overflaten 67 gjør det mulig å minimalisere ringlasergyroens høyde såvel som dens bredde, noe som resulterer i en meget kompakt struktur.

Fleks-enheten 50 omfatter et par fleks-blader 54 og 56,

som kan være laget av INVAR eller beryllium-kobber; materialer som er meget sterke, og tilstrekkelig stive til at den eneste

bevegelse som blir tilført gyroen er den ønskede skjelve-bevegelse. Fleks-bladene 54 og 56 er festet ved sine respektive ytre ender 58 og 60 til en støttedel 61, som vist på figurene 6 og 7 for gyroen, og er koblet ved sine indre ender til gyroens hoveddel gjennom de respektive monteringsblokker 62 og 64. På lignende måte omfatter fleks-enheten 52 et par fleksblader 66 og 68, laget av INVAR eller lignende. Bladene 66 og 68 er festet ved sine respektive ytre ender 70 og 72 til støtten 61, og koblet ved sine indre ender til de respektive monteringsblokker 62 og 64. Som forklart i detalj nedenfor, blir bladene 54 og 56 drevet 180° ut av fase i forhold til hverandre, og det samme blir bladene 66 og 68. Videre blir bladene 54 og 66 drevet 180° ut av fase i forhold til hverandre, ^og det saimme blir bladene 56 og 58. Dette drev resulterer i en mottakts-kraft (push-pull) tilført monteringsblokken 62, som er 180° ute av fase med den resulterende mottakts-kraft som påtrykkes monteringsblokken 64. De 180° fase-skiftede mottakts-krefter på monteringsblokkene 62 og 64 bringer hoveddelen av gyroen til å vibrere på en roterende måte rundt senter-inngangsaksen 65.

Fleksbladene 54, 56, 66 og 68 er av den samme konstruksjon, og derfor vil bare fleksbladet 56 bli beskrevet i detalj under henvisning til figur 5. Fleksbladet 56 omfatter en utadgående flens 74 ved sin ytre ende 60. Flensen har to hull 75 for skruer, såsom skruene 76 vist på figur 7, for å feste fleksbladet til støtten 61. En del 78 av fleksbladet, ved dets ytre kant, strekker seg innover mot gyro-hoveddelen, og begrenser den distansen gyro-hoveddelen kan bevege seg når den vibreres. En gummipute 80 er festet til delen 78 for å absorbere støt eller å utløse påkjenninger mellom gyro-hoveddelen og fleksbladet ved dets ytre ende, som kan forekomme når hoveddelen 10 blir vibrert.

Fleksbladet 56 omfatter ved sin indre ende 84 en flens 90 som strekker seg innover mot gyroens hoveddel, og gir kontakt med monteringsblokken 64. Den indre ende av fleksbladet 56 er festet til monteringsblokken 64 med tre skruer 96 som strekker seg gjennom de respektive hull 98 i flensen 90, og inn i respektive, gjengede hull 102 i monteringsblokken 64. Flens-bladet 68 har også en flens 104 ved sin indre ende, og flensen har den samme konstruksjon som flensen 90 på fleksbladet 56. Flensen 104 er festet til monteringsblokken 64 ved tre skruer 106 som strekker seg gjennom respektive hull 108 i flensen 104 og inn i gjengede hull 102 i monteringsblokken 64. Skruene 106 går inn i hullene 102 fra den motsatte ende av den hvor skruene 96 går inn. Det bemerkes at tre skruer som strekker seg gjennom de respektive hullene i flensen og monteringsblokken 64 og inn i respektive, gjengede hull i den andre flensen, og kan brukes til å erstatte de seks skruene 96 og 106. Slike enkelte skruer ville tillate at monterings-blokkene ble presset sammen for å opprettholde inngangsaksens stabilitet.

Monteringsblokkene 62 og 64 er laget av kvarts, og begge har sekskantet tverrsnitt. Hver av de to flensene på fleks-bladene, såsom flensen 90, har en V-formet utsparing for å passe sammen med den respektive utadgående V-formede side av monteringsblokken. På grunn av den V-formede utforming av monteringsblokkenes sider, som går sammen med flensene på fleksenhetene, minimaliserer blokkene 62, 64 alle krefter, forårsaket ved montering av fleks-enhetene, som kan overføres til gyroens hoveddel 10. Kvarts-blokkene 62 og 64 tillater derfor at fleks-enhetene blir montert til gyroens hoveddel, uten å deformere gyroen eller å forårsake påkjenninger for denne.

Fleksbladene er ved sine indre ender 84 forsynt med hakk i en generelt U-formet del 114 som vist for bladet 56 på figur 5. Den U-formede delen 114 av fleksbladene 54 og 56 går mellom et par gummi-skiver 116 og 118 og inn i spor formet i motsatte sider av en demperinnretning 120. Demperinnretningen 120 er sentralt plassert nær siden 30 av gyro-hoveddelen 10. På lignende måte går de U-formede delene 114 av fleksbladene 66

og 68 mellom et par gummi-skiver 122 og 124 inn i spor på motsatte sider av en demperinnretning 126. Demperinnretningen 126 er sentralt plassert nær side 32 av gyro-hoveddelen, direkte motsatt demperinnretningen 120. En gummipute 128 er plassert mellom demperinnretningen 120 og gyroens kvarts-hoveddel 10 for å utløse eventuell påkjenning mellom disse. En gummipute 130 er på lignende måte anbragt mellom demperinnretningen 126 og gyro-hoveddelen 10. En belastning er påtrykt gummiputene 128, 130 og gyro-hoveddelen 10, ved skruene 134 og 135 som går gjennom sentralt plasserte, gjengede hull i demperinnretningene 120 og

126. Demperinnretningene 120 og 126 eliminerer vesentlig bevegelse i X-retningen, forårsaket ved sjokk som kan være i størrelsesorden 1000 g.

Demperinnretningene 120, 126 er festet til støtten 61 for ringlasergyroen som vist på figur 6. Demperinnretningene 120

og 126 omfatter respektive utadvendte flenser 140 og 142 med et par gjengede hull 146 og 148 gjennom hvilke går respektive par skruer 147, 149. Skruene går videre inn i gjengede hull plassert i støttedelen 61. Selv om demperinnretningene er fast montert på støtteinnretningen 61, vil de indre ender 84

av bladene, når bladene blir drevet, bragt til å bevege seg i dempersporene mot og bort fra gyroens hoveddel, og vil dermed overføre vibrasjonsbevegelsen til denne.

For å drive fleksbladene, er et piezoelektrisk transduserelement montert på motsatte sider av hvert blad. Elementene er følsomme for en driverspenning som kan ta form av en sinusbølge eller lignende, for å overføre den ønskede skjelve-bevegelse til gyro-hoveddelen. Hvor alle de piezo-elektriske transduserelementene skal drives med en spenning av samme polaritet, er elementene montert på blad med forskjellig krystallografisk orientering. Transduserelementet 150, montert på den ytre overflate av fleksbladet 54, kan f.eks. ha en første orientering slik at elementet utvider seg ved påtrykking av en positiv spenning. Transduserelementet 152, montert på den indre overflate av fleksbladet 54 har en annen orientering slik at transduserelementet 152 også vil utvide seg ved påtrykking av positiv spenning. En slik orientering vil resultere i at fleksbladet 54 presser mot monteringsblokken 62 ved påtrykking av en positiv spenning, og at bladet trekkes bort fra blokken ved påtrykking av en negativ spenning.

Med den ovennevnte orientering av de piezoelektriske transduserelementene forbundet med fleksbladet 54, vil de øvrige transduserelementene ha de følgende orienteringer. De ytre transduserelementene 154 og 156 forbundet med de respektive fleksbladene 56 og 66 har den andre orienteringen, mens transduserelementene 158 og 160 montert på den indre overflate av de respektive fleksbladene 56 og 66 har den første orienteringen. Det ytre transduserelement 162 på fleksbladet 68 har den første orientering, mens transduserelementet 164 montert på den indre overflate av fleksbladet 68 har den andre orienteringen. I alminnelighet vil de indre og ytre piezoelektriske transduserelementer forbundet med et fleksblad av den samme orienteringen som de respektive indre og ytre transduserelementer forbundet med det fleksblad som er diagonalt overfor det første fleksblad, og ha den motsatte orientering av det indre og det ytre element forbundet med fleksblad som er direkte overfor gyroen fra det første fleksblad. Det bemerkes, at istedenfor å veksle orienteringen av transduserelementene på hver side av fleksbladet, kan transduserelementene ha den samme orientering men kan være drevet av spenninger av motsatt polaritet for å overføre den ønskede skjelve-bevegelse.

Ringlaser-gyro-enheten er innkapslet i et hus, omfattende et deksel 170 og støtte-delen 61 som utformer basen av dette. Dekselet 170 er festet til støttedelen ved hjelp av boltene 172 eller skruer. Støttedelen 61 har en flat bunn 174 som letter montering av gyro-enheten i en instrumentgruppe e.l.

Claims (11)

1. Anordning ved ringlasergyro for å måle rotasjon rundt en inngangsakse, hvor gyroen har en hoveddel inneholdende en flersidet kavitet som utformer en lukket sløyfe-bane gjennom hvilken et par kontraroterende stråler beveger seg, og har et speil anbragt ved hvert hjørne av kaviteten for å reflektere strålene rundt banen, karakterisert ved at gyro-hoveddelen har en flersidet utforming hvor to motsatte sider er vesentlig lengre enn de øvrige sider, som er korte, for å utforme en lang, smal hoveddel, at hvert av speilene er anbragt på en forskjellig kortere side av hoveddelen, og at kaviteten er anbragt inne i hoveddelen i forhold til speilene, slik at lengden av den lukkede sløyfe-banen utformet ved kaviteten blir maksimalisert for den smale gyro-hoveddelen.

2. Anordning ifølge krav 1, karakterisert ved at antallet av kortere sider på hoveddelen er lik antallet speil.

3. Anordning ifølge krav 1, karakterisert ved at bredden av gyroen er mindre enn 5 cm, og at lengden av den lukkede sløyfebanen er minst 25 cm.

4. Anordning ifølge krav 1, karakterisert ved en innretning for å vibrere to av de nevnte speilene 180° ut av fase i forhold til hverandre.

5. Anordning ifølge krav 1, karakterisert ved en innretning anbragt nær hver av de lengre sidene av gyro-hoveddelen for å overføre en skjelve-bevegelse rundt gyroens inngangs-akse.

6. Anordning ved ringlasergyro for å måle rotasjonshastigheten rundt en inngangsakse, hvor gyroen har en flersidet hoveddel inneholdende en kavitet som utformer en lukket sløyfe-bane gjennom hvilken et par kontraroterende stråler beveger seg, og hvor anordningen omfatter en innretning for å understøtte gyroens hoveddel, karakterisert ved et apparat for å hindre innlåsning av strålene, omfattende: første og andre fleksenheter anbragt nær motsatte sider av gyro-hoveddelen, hvor hver fleksenhet omfatter et par fleksblåder, hvert med en ytre ende festet til gyro-støttedelen, og en indre ende koblet til gyro-hoveddelen; og en innretning for å drive fleksbladene i den første og den andre anheten med den samme frekvens, med fleksbladene i hvert par drevet 180° ut av fase i forhold til hverandre, og fleksblad-paret i den første enhet blir drevet 180° ut av fase i forhold til fleksblad-paret i den andre enheten for å overføre en skjelving til gyro-hoveddelen.

7. Anordning ifølge krav 6, karakterisert ved en første og en annen monteringsblokk festet til overflaten av gyro-hoveddelen på motsatte sider av en inngangsakse for gyroen, for å koble de indre ender av fleksbladene til gyro-hoveddelen.

8. Anordning ifølge krav 7, karakterisert ved at fleksbladene i den første og den andre fleksenhet påtrykker en mottakts-kraft på hver av monteringsblokkene, og at den kraften som påtrykkes den første blokken er 180° ut av fase i forhold til den kraften som påtrykkes den andre blokken, for å vibrere gyroens hoveddel på en roterende måte rundt den nevnte inngangsakse for gyroen.

9. Anordning ifølge krav 7, karakterisert ved at fleksbladene i hver av den nevnte første og andre fleksenhet er i kontakt med motsatte sider av den nevnte første monteringsblokk, og de øvrige fleksblåder i den nevnte første og andre fleksenhet er i kontakt med motsatte sider av den andre monteringsblokken .

10. Anordning ifølge krav 9, karakterisert ved at monteringsblokken er utformet for å bli under sammenpresning når de er i kontakt med fleksbladene, slik at de opprettholder inngangsaksens stabilitet.

11. Anordning ifølge krav 9, karakterisert ved at sidene av monteringsblokkene som er i kontakt med fleksbladene er utformet i form av en utadgående V, og at fleksbladene ved sine indre ender omfatter en del med en V-formet utsparing for å passe sammen med de V-formede sidene av monteringsblokkene.