NO844141L - Lasersensor - Google Patents

Abstract

Lasersensor for vinkelhastighet med fire speil (18-21) anordnet ved hjørnene til en firkant for å reflektere to motsatt rettede laserstråler rundt en lukket bane (17). Vibratorer er forbundet med to tilliggende speil for å bevirke en oscillasjon perpendikulært på speilhovedoverflaten ved 180° fase-forskyvning. Vibratordrivkretsen blir styrt ved den aktuelle speilforskyvningen for å avstemme og opprettholde rystelsesamplituden ved en forutbestemt verdi som fortrinnsvis er 0,271 av laserstrålens bølgelengde, som korresponderer med modulasjonsin-deksen til en null av nulte ordens Bessel-funksjon,. (). Vibratordrivkretsen innbefatter muligheten for å vibrere når vinkelhastigheten til inngangen av gyroen er tett opptil null, men bryter for andre. verdier.

Description

Foreliggende oppfinnelse angår generelt en lasersensor for vinkelhastighet og nærmere bestemt en forbedret mekanisk speiloscillasjonsteknikk ved hvilke en slik sensor for vinkelhastighet overvinner innlåsningsfeil som forekommer i løpet av avføling av lave vinkelhastigheter.

En lasersensor eller en ringlasergyro har to motsatt rote-rende monokromatiske laserstråler som beveger seg rundt en lukket bane ved suksessiv refleksjon fra tre eller fire speil. Ved rotasjon av sensoren om dens avfølingsakse, blir den effektive banelengden for de to strålene endret som medfører en frekvensforskjell mellom strålene som er proporsjonal med vinkelrotasjonshastigheten. Ved lave rotasjonshastigheter hvor frekvensforskjellen mellom to laserstråler vil være ventet å være liten er det funnet at strålen har en tendens til å låse seg eller oscillere ved samme frekvens slik at en f rekvensf orsk jell ikke blir de-tektert .

En generell måte som tidligere ble anvendt for å eliminere innlåsingen har vært å vibrere lasersensoren mekanisk for å heve lave sensorrotasjonshastigheter ut av innlåsingsområdet. Selv om dette er nyttig for å redusere innlåsingene vil denne såkalte vibrasjonen eller skjelvingen ikke fullstendig fjerne innlåsingen og det er generelt uønskelig å underkaste hele sensoren udempede vibrasjoner.

Et alternativt skjelveskjerna er beskrevet i US-patent nr. 3.533.014 som består av at hvert speil til en tre-speil-innretning blir sinusmessig vibrert i en retning parallelt med den reflekterende overflaten. Dette er vanskelig å tilveiebringe i praksis siden relativt store skjærekrefter er nødvendig for å bevege speilene på en slik måte.

En annen løsning er beskrevet i US-patent nr. 4.281.930 som innbefatter vibrering av alle tre speilene til en lasergyro ortogonalt i forhold til den reflekterende over flaten. Selv om vibreringen av speilene på denne måten er relativt enkel å tilveiebringe, vil imidlertid en endring i skjelvesyklusen oppstå som er uønskelig dersom ikke et riktig faseforhold blir nøyaktig opprettholdt i hulromslengden til strålene.

En lasersensor av vinkelhastighetstypen har fire speil anordnet ved hjørnene til en firkant for å reflektere to motsatt rettede laserstråler rundt en lukket bane som lig-ger langs den optiske aksen til hulrommet. Skjelveinnret-ningene er forbundet med to tilliggende speil for å bevirke langsgående svingning av disse speilene (dvs. perpendikulært på speilhovedflaten), idet den relative fasen for de to speilene blir opprettholdt ved 180° slik at hulromslengden vil være uendret. Drivkretsen for skjelveinnretningen blir styrt ved overvåkning av virkelig speilfor-skyvning for å avstemme og opprettholde skjelveamplituden ved en forutbestemt verdi som fortrinnsvis er 0,271 for laserstrålingsbølgelengden som korresponderer med modula-sjonsindeksen av den nulte orden av Bessel-funksjonen Jq.

Drivkretsen for skjelveinnretningen gjør det mulig å til-føre en vibrasjon eller skjelving når vinkelhastigheten til inngangen for gyroen er tett oppmot null (dvs. innlåsingsområdet), men avbrytes for verdier utenfor skjelveom-rådet.

Oppfinnelsen skal nå beskrives nærmere med henvisning til tegningene, hvor: Fig. 1 viser skjematisk en lasersensor i samsvar med

foreliggende oppfinnelse.

Fig. 2 viser et snitt gjennom et speil og speilskjelve-innretningen . Fig. 3 viser et funksjonsblokkdiagram for skjelvedriv-innretningen og styreinnretningen. Fig. 4 viser en alternativ krets for skjelvedrivinnret-ningen og styreinnretningen.

På fig. 1 er vist en lasersensor 10 av vinkelhastighetstypen som innbefatter en instrumentblokk 11 i et stykke med et hulrom 12 som strekker seg langs en kvadratbane. En blanding av neon og helium er typisk inneholdt i hulrommet ved et svært lavt trykk (f. eks. 3 torr). Ved eta-blering av en forøket potensialforskjell mellom katoden 13 og anoden 14 så vel som mellom katoden 15 og anoden 16, blir to monokromatiske laserstråler generert som passerer i motsatte retninger langs hulromsaksen angitt generelt med linjen 17.

Speil 18-21 er anordnet ved hvert hjørne til kvadrathul-rommet og tjener fremfor alt til å dirigere to laserstråler langs hulromsbanen angitt generelt med henvisnings-tallet 17. De to tilliggende speilene 18 og 19 innbefatter mekaniske piezoelektriske oscillatorer 22 og 23 hhv. som når aktivert vibrerer eller skjelver speilene i en retning perpendikulært på den flate reflekterende overflaten til speilet. Når speilene har en buet refleksjonsoverflate så blir speilskjelvingen langs den optiske aksen.

Fig. 2 viser piezoelektriske vibratorer eller isolatorer 22, 23 tilfredsstillende for foreliggende formål innbefattende et material som ekspanderer og trekker seg sammen når elektriske potensialforskjeller blir tilført og fjer-net fra motsatte flater. Tilførselen av et syklisk seg endrende spenningspotensial til det piezoelektriske materialet bevirker således en avvekslende forlengelse og for-kortelse av materialet som igjen via vibratorhuset 25 bevirker at speilet skjelver eller vibrerer. En utmerket innretning for å frembringe denne skjelvingen er piezo- elektrisk, keramisk drift som en bimorf beskrevet i US-patent nr. 4.383.763.

I det påfølgende skal det gjøres henvisninger til fig. 3 for nærmere å beskrive speilstillingsinnretningen og driv-kretsinnretningen. Ved en lasergyro er et speil 20 delvis transmissivt for laserstråler som tillater dem å støte på konvensjonell optik og fotodetektorinnretningen 26 for å frembringe signaler som reagerer på laserstøtfrekvensbøl-gen representativ for inngangshastigheten til gyroen. Sig-nalene fra detektorinnretningen 26 ble tilført konvensjon-nell tellebehandlingskrets for frembringelse av utgangs-informas jon med hensyn til både størrelse og fortegn for inngangsrotasjonen. Inngangshastighetsinformasjonen blir også tilført en mikroprosessor 28, hvis formål er å avgjø-re om gyroen er utenfor innlåsingsområdet.

En sinusbølgegenerator 29 tilveiebringer et vekselstrøm-signal som tilføres en variabel forsterkningsforsterker 30 som igjen er forbundet med en driver 31 for den piezoelektriske vibratoren 22 til speilet 18. Sinusbølgesignalet for generatoren 29 blir likeledes tilført en andre for-sterket) 22, hvis utgang blir tilført en faseskifter 33 hvor fasen ble endret med 180° før tilførselen til drive-ren 34 for speilets 19 piezoelektriske vibrator 23. Med hensyn til driften av skjelvedrivkretsen blir de to speil-vibratorne 22 og 23 syklisk drevet ved samme frekvens og amplitude, men 180° ute av fase. Denne faseforskjellen sikrer at hulromslengden for de to laserstrålene blir opprettholdt konstant, som er ønskelig.

Den absolutte verdien for telleverdien fra den optiske og fotodetektoren 26 for et helt antall speilsvingninger blir akkumulert i en teller 35. En synkronisasjonspuls blir sendt fra sinusbølgegeneratoren til telleren for å tilveiebringe dette. Pulstelleverdien for telleren 35 blir omformet til en analog ekvivalent i digital/analogomforme- ren 36 som blir tilført begge forsterkningsstyringene til forsterkeren 30 og 32 for å bevirke en tilsvarende endring i utgangsstørrelsen for driverne 31, 34.

Mikroprosessoren 28 tilveiebringer et klargjøringssignal til sinusbølgegeneratoren 29 på ledningen 37 så lenge som gyroinngangen er innenfor det forutbestemte innlåsingsområdet. Når gyroinngangen er vel over den ikke-skjelvende innlåsingsgrensen, men før første ordenslåsebåndet dannet av skjelvingen til den første harmoniske til skjelvefrek-vensen er nådd, blir sinusbølgegeneratoren sperret slik at speilskjelvingen blir fullstendig avsluttet ved det tids-øyeblikket.

Fig. 4 viser en ytterligere versjon av skjelvedriv- og styrekretsen. Som ved den første beskrevne utførelsesfor-men er sinusbølgegeneratoren 38 forbundet med en forsterker 39 og driver 40 for syklisk å riste speilet 18. Som før tilføres sinusbølgegeneratoren en vekselspenning gjennom en forsterker 41, faseskifter 42 og driver 43 til skjelvespeilet 19 ved samme frekvens og amplitude som speilet 18, men 180° ute av fase.

Et delvis transparent speil 21 slipper gjennom en enkel laserstråle til fotodioden 44 som danner et signal som korresponderer med en enkel stråleintensitet. Dette signalet vil inneholde en vekselstrømkomponent som det nor-male heterodyne utgangen på grunn av bakspredning innenfor hulrommet primært fra speilene. Utgangen til fotodioden 44 er dannet i topp-til-topp detektoren 45 og et feilsignal er dannet ved 46. Signalet blir anvendt for å styre for-sterkningen til forsterkeren 39 og 41 slik at speilene blir styrt for å blir drevet med en amplitude som minima-liserer vekselstrømkomponenten (ved gyroutgangsstøtfrek-vensen) ved signalet fra fotodioden 44.

Ved bruk av den beskrevne oppfinnelsen blir to umiddelbart tilliggende (dvs. etter hverandre følgende) speil i en lasergyro vibrert ved samme frekvens og amplitude, men 180° faseforhold langs en bane perpendikulært på speilpla-net. Begge versjonene avslutter automatisk speilvibrerin-gen når gyroinngangshastigheten overskrider innlåsingsområdet.

Claims (5)

1. Lasersensor for vinkelhastighet hvor første og andre motsatt rettede laserstråler blir reflektert fra fire speil for således å utbrede seg i en lukket bane om en inngangs-hastighetsavfølingsakse, karakterisert ved første vibreringsinnretning for å bevege en første av nevnte speil perpendikulært på den reflekterende overflaten til det første speilet, andre vibreringsinnretning for å bevege et andre speil umiddelbart tilliggende det første speilet perpendikulært på den reflekterende overflaten til det andre speilet, og drivkretsinnretning for å aktivere den første og andre vibreringsinnretningen i et 180° faseforhold og i forhold til samme forutbestemte amplitude.

2. Sensor ifølge krav 1, karakterisert ved at drivkretsen innbefatter innretning for å avbryte akti-veringen av den første og andre vibreringsinnretningen når sensoren mottar en vinkelinngangshastighet over en forutbestemt innlåsingshastighet.

3. Sensor ifølge krav 1, karakterisert ved at den første og andre vibreringsinnretningen aktiveres for å tilveiebringe en vibrasjonsamplitude lik 0,271 av laserstrålens bølgelengde.

4. Ringlasergyro, karakterisert ved at den innbefatter en ringlasergyro med to seg motsatt utbredende laserstråler og innbefattende fire speil, innretning for å bevege to av speilene i en oscille- rende modus ved samme frekvens hovedsakelig kun verti-kalt i forhold til den reflekterende overflaten til speilene, og innretning for fasing av bevegelsen til begge vibrasjonsspeilene for å opprettholde konstant primærlaser-strålebanelengde når de vibrerende speilene blir for-skjøvet .

5. Ringlasergyro, karakterisert ved at den innbefatter innretning som danner et optisk lukket sløyfehulrom som inneholder et aktivt lasermedium for å generere seg motsatt utbredende laserstråler, idet frekvensforskjellen mellom lysstrålene er et mål for rotasjonshastig-heten utøvd av ringlasergyroen, idet hulrommet som danner innretningen innbefatter fire speil for reflek-tering av lysstrålen, og innretning for å vibrere to av speilene i en transla-sjon ved samme frekvens i en retning perpendikulært på overflaten til speilet, idet vibrasjonsspeilene ikke har noen null-amplituder for vibrasjon og faser av vibrasjonen for å bevirke at den totale avstanden rundt den lukkede sløyfen forblir hovedsakelig konstant.