DE1523271C - Einrichtung zum Messen einer Dreh bewegung - Google Patents

Description

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In einer Laser-Winkelgeschwindigkeitsmeßeinrich- spannungsgesteuerter Modulator angeordnet ist, mit

tung werden zwei monochromatische Lichtstrahlen dem die Resonanzfrequenz der beiden Strahlungsmodi

erzeugt und in entgegengesetzter Richtung durch verschoben wird.

einen in sich geschlossenen Strahlenpfad geschickt, Bei der Einrichtung nach dem älteren Vorschlag

der die Rotationsachse des Systems umschließt. Eine 5 wurde zwar ein durch einen Wechselstrom erregtes

Rotation des Systems bewirkt, daß sich die effektive Faraday-Element verwendet, dieses diente aber nicht

Pfadlänge für die beiden Strahlen verändert, wodurch zur Modulation des Lichtstrahls, sondern zur körper-

zwischen den beiden Strahlenbündeln ein Frequenz- liehen Verschiebung, was durch die Erfindung gerade

unterschied entsteht, denn die Oszillationsfrequenz der vermieden werden soll.

Laserstrahlen hängt von der Länge des Laserpfades ab. io Spezielle Lösungsformen, d. h. Ausführungsformen

Der Frequenzunterschied zwischen den beiden des Erfindungsgedankens, sind in den Unteran-Strahlen ruft eine Phasenverschiebung zwischen diesen Sprüchen gekennzeichnet und in der folgenden, ins Strahlen hervor, die sich proportional zum Frequenz- einzelne gehende Beschreibung an Hand der Zeichunterschied verändert; die Phasenverschiebung zwi- nung näher erläutert; es zeigt

sehen den beiden Strahlen ist also proportional zum 15 F i g. 1 eine schematische Darstellung einer Aus-Integral des Frequenzunterschiedes oder, mit anderen führungsform der Erfindung und
Worten, das Ausgangssignal stellt das Integral der F i g. 2, 3 und 4 schematisch weitere Ausführungs-Rotationsgeschwindigkeit dar. formen der Erfindung.

Bei niedrigen Winkelgeschwindigkeiten ist der Gemäß F i g. 1 weist die Einrichtung nach der Frequenzunterschied zwischen den beiden Strahlen 20 Erfindung ein aktives Material 10 auf, beispielsweise gering, und es tritt häufig ein Mitziehen der Schwin- einen kontinuierlich arbeitenden Gaslaser, der von gungen der beiden Strahlen auf, so daß kein Frequenz- beiden, voneinander weg weisenden Enden kohärente unterschied zwischen den Strahlen meßbar ist. Es ist Strahlung ausstrahlt. Die Strahlung wird von Eckdann unmöglich, niedrige Winkelgeschwindigkeiten zu spiegeln 12a bis 12d reflektiert, die unter 45° zur aufmessen, weil bei diesen niedrigen Geschwindigkeiten 25 treffenden Strahlung liegen, und dadurch wird eine kein der Winkelgeschwindigkeit proportionaler Fre- geschlossene Schleife gebildet, in der das Licht im quenzunterschied existiert. wesentlichen den gleichen Weg verfolgt, jedoch in

Aus der französischen Patentschrift 1 388 732 ist ein entgegengesetzten Richtungen. Die polygonale Laser-Laser-Winkelgeschwindigkeitsmesser mit Nullpunkt- anordnung wirkt als Resonator mit zwei laufenden verschiebung bekannt, bei dem mit Hilfe einer doppelt 30 Schwingungsmodi, wobei die Schwingungen in entbrechenden Platte der Weg für Strahlen bestimmter gegengesetzten Richtungen zirkulieren. Wenn das Polarisation verlängert und mittels dem Detektor System ruht, zirkulieren die beiden einander entgegenvorgeschalteter Polarisationsfilter aus dem in der einen gerichteten Schwingungen mit im wesentlichen der Richtung umlaufenden Strahlenbündel die Strahlung gleichen Frequenz co₀. Wenn sich das System jedoch der einen Polarisationsrichtung und aus dem in Gegen- 35 dreht, verschieben sich die Frequenzen der beiden richtung umlaufenden Strahlenbündel die Strahlung Modi, die Frequenz des einen Modus steigt an, mit hierzu orthogonaler Polarisationsrichtung aus- während die des anderen fällt, weil die äquivalente gefiltert wird. Man erreicht hierdurch, daß bei still- Weglänge um den Resonator herum für beide Modi stehender Meßeinrichtung ein vorgegebener Frequenz- nicht gleich ist. Wenn also die Anordnung nach F i g. 1 unterschied zwischen den beiden Strahlenbündeln vor- 40 im Uhrzeigersinn rotiert oder eine gerichtete Bewehanden ist, der bei Drehung der Meßeinrichtung in der gungskomponente im Uhrzeigersinn hat, schwingt die einen Richtung zunimmt und bei Drehung in der ent- im Uhrzeigersinn rotierende Schwingung auf einer gegengesetzten Richtung geringer wird. Damit ist der Frequenz, die kleiner ist als eo_o, und die gegen den Nullpunkt des Differenzfrequenzsignals gegenüber Uhrzeigersinn umlaufende Schwingung schwingt mit dem Stillstand der Meßeinrichtung verschoben. Die 45 einer Frequenz, die größer ist als ω₀.
Gefahr des Mitziehens tritt hier nicht mehr bei fehlen- Gemäß der Erfindung ist in der von den Spiegeln der oder sehr geringer Drehbewegung der Meßein- 12a bis 12d gebildeten Schleife ein Modulator 14 anrichtung, sondern bei einer bestimmten Drehbewegung geordnet, so daß das Licht gebeugt und die Schwinin der einen Richtung auf. ' gungsfrequenz jedes Modus verschoben wird. Der Mo-

Es ist deshalb bereits vorgeschlagen worden, das 5° dulator kann beispielsweise ein mechanisch-elek-

Mitziehen der beiden Frequenzen dadurch zu ver- trischer Wandler sein, etwa ein Quarzkristall oder

meiden, daß die Verschiebungen abwechselnd und Rutil, der mit einem Signalgenerator 16 mit einer

symmetrisch nach beiden Seiten erfolgen (deutsches Mikrowellenfrequenz co_s gespeist wird. Wie in F i g. 1

Patent 1 292 899). dargestellt ist, wird der gegen den Uhrzeigersinn

Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zu- 55 zirkulierende Modus mit der Frequenz ω im Modu-

grunde, das Mitziehen der Frequenzen zu vermeiden, lator 14 gebeugt, und ein Teil der Strahlung wird zu

ohne daß eine Verschiebung des Lichtstrahls selbst einem reflektierenden Spiegel 18« hin abgelenkt. Das

erfolgt. gebeugte Licht wird von einem Spiegel 18 a in einen

Die Erfindung betrifft demnach eine Einrichtung halbdurchlässigen Spiegel 18 b reflektiert. Ein Teil der

zum Messen einer Drehbewegung durch Vergleich der 60 Strahlung wird vom halbdurchlässigen Spiegel 18 δ zu

Frequenzen zweier gegenläufig rotierender elektro- einem reflektierenden Spiegel 18 c reflektiert und von

magnetischer Strahlen annähernd gleicher Frequenz, dort zu einem weiteren Spiegel 18 d und zurück zum

insbesondere Laserstrahlen in einem rotierenden Laser- Eckspiegel 18a, so daß eine zweite geschlossene

pfad, wobei die Strahlen im Umlaufpfad so beeinflußt Schleife gebildet wird. Die sich in der zweiten Schleife

werden, daß sich ihre Frequenzen stärker voneinander 65 gegen den Uhrzeigersinn bewegende Strahlung ist

unterscheiden, und erfindungsgemäß wird die gestellte durch die Modulationsfrequenz ω₃, etwa 1000 MHz,

Aufgabe bei einer solchen Einrichtung dadurch ge- frequenzmäßig verschoben, so daß die Schwingung

löst, daß in dem geschlossenen Weg ein wechsel- dieser Gegenuhrzeigersinnkomponente die Frequenz

ω -\- (o_s hat. Gleicherweise wird die im Uhrzeigersinn in der Hauptschleife umlaufende Schwingung mit der Frequenz co' vom Modulator 14 abgelenkt, so daß ein Modus geliefert wird, der die Sekundärschleife im Uhrzeigersinn durchläuft, aber mit einer Frequenz ω' — ft)_s. Die beiden einander entgegengerichteten Modi in der zweiten Schleife haben also merklich unterschiedliche Frequenzen, so daß die Wahrscheinlichkeit für ein frequenzmäßiges Mitziehen praktisch beseitigt ist.

Im Betrieb läuft die Strahlung ω -f- co_s durch den halbdurchlässigen Spiegel 18 b in einen Spiegel 20 und wird von dort in einen Photodetektor und Mischer 22 geschickt. Auf gleiche Weise wird die Strahlung ω' — co_s durch den Spiegel ISb auf einen Spiegel 24 gerichtet, und von dort zum Detektor 22. Vom Detektor 22 wird abgegeben 2 ω + (ω — ω').

Um das gewünschte Differenzsignal ω — co' zu erhalten, das proportional der Drehgeschwindigkeit der Anordnung ist, wird die Komponente 2eo_s vom Ausgangssignal getrennt. Das wird mittels eines Verviel-■x fachers 26 erreicht, der an den Modulator 14 ange-) koppelt ist, so daß eine Signalfrequenz 2co_s geliefert wird. Dieses Signal wird an einen Mischer 28 gegeben, in dem die Komponente 2co_s vom Meßfühler 22 ausgelöscht wird. Das übrigbleibende Differenzsignal ist ω — ω', und das wird einem Verbraucher zugeleitet, der dazu dient, die Drehgeschwindigkeit aus diesem Differenzsignal zu berechnen.

In F i g. 2 ist eine andere Ausführungsform der Erfindung dargestellt, bei der zwei Laser 30 und 32 verwendet worden sind, die einander entgegengerichtete Strahlungsmodi liefern. Von reflektierenden Eckspiegeln 34, 36 und 38 und einem halbdurchlässigen Spiegel 40 wird ein geschlossener Weg oder eine Schleife gebildet. Am halbdurchlässigen Spiegel 40 wird mittels eines Fühlers ein Ausgangssignal erhalten, das die Differenz der in einander entgegengesetztem Sinne rotierenden Frequenzen darstellt. Eine optische Sperre 42 ist im wesentlichen im gleichen Abstand zwischen den beiden Lasern 30 und 32 angeordnet und wird mittels eines Signalgenerators 44 mit einer Frequenz betrieben, die ein Vielfaches des Modusabstandes ist. Die Modiabstände liegen in den Frequenzintervallen Af — c/L, wobei c die Lichtgeschwindigkeit und L den Umfang der geschlossenen Schleife bedeuten. Die Frequenz irgendeines Modus η ist definiert als f_n = cß_n, wobei λ die Wellenlänge des Modus ist.

Wenn die Sperre 42 mit einer Frequenz pAf betrieben wird, wobei ρ eine ganze Zahl ist, zirkuliert ein Lichtimpuls kontinuierlich in jeder Richtung synchron mit der Sperre. Wenn die Sperre speziell aus einem Kristall besteht, der mit einer akustischen stehenden Welle mit einer Frequenz Afβ moduliert wird, dann ist die während der Nulldurchgänge der akustischen Schwingung, die in dem Kristall erzeugt worden ist, durchlaufende Strahlung synchron zu der Erregungsschwingung, wobei zwischen zwei Nulldurchgängen die Strahlung einmal um die Schleife zirkuliert.

Während des größten Teils des akustischen Zyklus wird das Licht von der akustischen Schwingung im Kristall gebeugt und abgelenkt und folgt also nicht dem Weg, in dem es durch die verstärkenden Laser 30 und 32 hindurchlaufen würde. Ein Teil des Lichtimpulses läuft jedoch ohne Ablenkung während jedes Zyklus durch, und die Dauer dieses nicht abgelenkten Teiles hängt von der Amplitude der akustischen Schwingung ab. Bei einem Versuch hatten die durch den Kristall zu den aktiven Medien 30 und 32 hindurchtreienden Lichtimpulse eine Dauer von etwa 10~⁹ Sekunden und hatten einen Abstand von etwa 10-⁸ Sekunden.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung erlaubt die Sperre 42 den in entgegengesetztem Sinn umlaufenden Impulsen, gleichzeitig durch die Sperre 42 hindurchzutreten, diese einander entgegengerichteten Impulse laufen jedoch durch die beiden Laser 30 bzw. 32 zu verschiedenen Zeiten. Es ergibt sich also keine Überlappung der Impulse in den Lasern 30 und 32 und keine Kopplung der einander entgegenlaufenden Modi, solange der zeitliche Abstand zwischen den Enden der Laser 30 und 32 größer ist als die Impulslänge. Dieser Abstand oder die Trennung kann definiert werden als d = cAx, wobei Aτ die Impulsdauer und c die Lichtgeschwindigkeit bedeutet.
Wenn jedoch an einem der Laser 30 oder 32 eine Reflexion auftritt, durch die Energie in umgekehrter Richtung gerichtet wird, dann schwingt diese Energie nicht synchron mit dem Betrieb der Lichtsperre 42. Eine Reflexion an der Lichtsperre 42 würde jedoch synchron mit den Steuerimpulsen vom Signalgenerator44 auftreten, weil die beiden im entgegengesetzten Sinne rotierenden Strahlungsimpulse gleichzeitig durch die Sperre 42 hindurchtreten.

Um eine solche unerwünschte Synchronität zwischen der reflektierten Strahlungsenergie und den im entgegengesetzten Sinne rotierenden Strahlungsimpulsen zu vermeiden, wird eine Anordnung gemäß F i g. 3 verwendet.

Gemäß F i g. 3 sind mehrere Lichtsperren 46 und 48 in einer geschlossenen Schleife angeordnet, und zwar in gleichen Abständen von einem Punkt P, der vom Laser 30 innerhalb der Schleife den gleichen Abstand hat wie vom Laser 32. Die Impulse zirkulieren, überlappen sich aber in den aktiven Medien 30 und 32 nicht. Die Lichtsperren 46 und 48 dienen als Phasenmodulatoren, so daß die Impulse von jeder Sperre sich an einem Punkt kreuzen, der im wesentlichen zwischen den beiden Lichtsperren 46 und 48 liegt. Jede Reflexion eines Impulses von der Sperre 46 am Laser 30 oder 32 kehrt also zu dem Laser zu einer anderen Zeit zurück, als der Impuls von der Sperre 48 ankommt und umgekehrt. Mit anderen Worten, irgendwelche Reflexionen, die sich ausbilden, sind mit Strahlungsimpulsen nicht synchron, und dadurch wird ein Mitziehen effektiv vermieden.

Gemäß F i g. 4 enthält eine Ringlaseranordnung einen Gaslaser 50 und einen elektrooptischen Modulatorkristall 52, beispielsweise einen Kristall aus Kaliumdiphosphat (KDP), der mit einem elektrischen Modulationsfeld aktiviert wird, das von einer Signalquelle 54 kommt. Das elektrische Feld wirkt auf den Kristall 52 in der Weise, daß dessen Dielektrizitätskonstante verändert wird, wodurch die äquivalente Weglänge durch den Kristall geändert wird. Für irgendeinen Teil eines rotierenden Modus wird die Frequenz durch die gesamte Weglänge um das System festgelegt, und diese Weglänge enthält die äquivalente Weglänge des modulierenden Kristalls. Dieses Maß hängt vom Momentanwert der elektrischen Feldstärke im Kristall ab, das zu der Zeit herrscht, zu der der betreffende Teil des rotierenden Modus durch den Kristall hindurchtritt. Die Modulationsfrequenz, die in den Kristall eingespeist wird, wird so gewählt, daß jeder Teil des gesamten Wellenzuges bei jedem Durch-

lauf durch den Kristall auf die gleiche Phase des Modulationsfeldes trifft.

Die Gesamtlänge um den Ring ist L, und dann ist die Modulationsfrequenz co_m = 2nc/L, wobei c wieder die Lichtgeschwindigkeit ist. Wenn das angelegte Signal sinusförmig ist, dann wird der den gesamten Modus bildende Wellenzug mit einer einzigen Frequenz frequenzmoduliert. Die Frequenzänderung hängt von der Amplitude des Feldes ab, das im Kristall 52 herrscht. Es ergeben sich zwei in entgegengesetztem Sinne laufende Modi, und die gleiche Momentanfrequenz jedes Modi tritt in der Mitte des KDP-Kristalls auf, und diese beiden überlappen einander; dementsprechend überlappen sich die beiden Modi auch an einem diametral der Kristallmitte gegenüberliegenden Punkt der Schleife. Diese Koinzidenz am diametral gegenüberliegenden Punkt ist auf die Symmetrie der Sinusmodulation zurückzuführen und kann dadurch vermieden werden, daß eine periodische nichtsinusförmige Modulation verwendet wird. Um ein Übereinstimmen der Amplitudenverläufe der beiden einander entgegengerichteten Modi an diesem diametral gegenüberliegenden Punkt zu vermeiden, d. h. einen Zustand, bei dem die Frequenz der einander entgegenlaufenden Schwingungen am dem Kristall diametral gegenüberliegenden Punkt im wesentlichen die gleiche Frequenz haben, kann ein Sägezahn-Modulationssignal von der Signalquelle 54 an den Kristall 52 gegeben werden. Der Sägezahn kann beispielsweise dadurch erzeugt werden, daß eine Kombination von com und 2co_m zur Modulation verwendet wird.

Claims (13)

Patentansprüche: 35

1. Einrichtung zum Messen einer Drehbewegung durch Vergleich der Frequenzen zweier gegenläufig rotierender elektromagnetischer Strahlen annähernd gleicher Frequenz, insbesondere Laserstrahlen, in einem rotierenden Laserpfad, wobei die Strahlen im Umlaufpfad so beeinflußt werden, daß sich ihre Frequenzen stärker voneinander unterscheiden, dadurch gekennzeichnet, daß in dem geschlossenen Weg ein wechselspannungsgesteuerter Modulator angeordnet ist, mit dem die Resonanzfrequenz der beiden Strahlungsmodi verschoben wird.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Strahlungserzeugungseinrichtung wenigstens ein Gaslaser (10; 30, 32; 50) vorgesehen ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Refiektionseinrichtung Spiegel (12a, Ub, 12c, 12d; 34, 36, 38, 40) in den Ecken eines polygonalen geschlossenen Weges angeordnet sind.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einer der Spiegel (12c; 40) halbdurchlässig ist.

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor ein Photodetektor (22) ist, an den ein Mischer (28) angeschlossen ist.

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Mikrowellenfrequenzen liefernder Signalgenerator (16) zur Steuerung des Modulators (14) vorgesehen ist.

7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Modulator eine Strahlungssperre (42) ist, die normalerweise sperrt und derart synchron öffnet, daß die beiden Strahlungsmodi gleichzeitig durch die Sperre hindurchtreten können.

8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Sperren (46, 48) vorgesehen sind, die gleiche Abstände von einem Punkt (P) des geschlossenen Weges haben, durch den die beiden Strahlungsmodi gleichzeitig hindurchlaufen.

9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Modulator (52) die wirksame Weglänge für die beiden Strahlungsmodi variiert, so daß die beiden Modi frequenzmoduliert werden.

10. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Weglängenmodulator (52) die Frequenz längs jedes Modus derart variiert, daß keine einander überlappenden Teile der beiden Modi den gleichen Momentanwert der Frequenz in einer Strahlungserzeugungseinrichtung haben.

11. Einrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Weglängenmodulator (52) ein elektrooptischer Modulatorkristall ist, dessen Dielektrizitätskonstante von der herrschenden elektrischen Feldstärke abhängig ist.

12. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Modulator ein Deflektor (14) ist, der Strahlung von beiden Modi in einen zweiten geschlossenen Weg (18 a, 18 b, 18 c, ISd) ablenkt, in dem beide Frequenzen andere, unterschiedliche Werte annehmen, und der Detektor (22) an den zweiten geschlossenen Weg angeschlossen ist.

13. Einrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Modulator (14) ein akustischer Kristall ist, der im ersten geschlossenen Weg unter dem Brewsterschen Winkel zur auftreffenden Strahlung liegt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen