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Einrichtung zur Messung der Ro-
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tationsgeschwindigkeit Die Erfindung geht aus von einer Einrichtung
zur Messung der Rotationsgeschwindigkeit wie im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegeben.
Eine solche Einrichtung ist in der deutschen Patentanmeldung P 31 36 688 beschrieben.
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Bei der dort beschriebenen Einrichtung durchlaufen zwei Teilstrahlen
einen Lichtwellenleiter, der einen geschlossenen Lichtweg bildet, gegensinnig. Rotiert
diese Einrichtung, dann ist (bedingt durch den Sagnac-Effekt) zwischen den beiden
Teilstrahlen nach Durchlaufen des Lichtwellenleiters eine zur Rotationsgeschwindigkeit
proportionale Phasendifferenz vorhanden. Zur Auswertung wird mindestens einer der
beiden Teilstrahlen frequenzmoduliert, was eine zusätzliche Phasendifferenz zwischen
den Teilstrahlen nach dem Durchlaufen des Lichtwellenleiters zur Folge hat. Diese
Phasendifferenz wird auf einen solchen Wert geregelt, daß die Sagnac-Phasendifferenz
kompensiert wird.
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Mit einer solchen Einrichtung erhält man gute Ergebnisse.
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An die zur Realisierung notwendigen Bauelemente werden jedoch hohe
Anforderungen gestellt.
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Es sind weiterhin (z.B. DE-OS 30 40 514) Einrichtungen bekennt, bei
denen ein Teilstrahl anstelle frequenzmoduliert
phasenmoduliert
wird. Phasenmodulatoren weisen nur eine geringe Leistungsaufnahme auf, können leicht
in der Technik der integrierten Optik hergestellt werden und weisen einen optischen
Wirkungsgrad von angenähert 100 % auf. Bei der in der DE-OS 30 40 514 beschriebenen
Lösung erfolgt zur Regelung zur Kompensation der durch den Sagnac-Effekt verursachten
Phasendifferenz eine Regelung der Amplitude des Modulationssignals.
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Die bekannten Lösungen mit Phasenmodulatoren haben jedoch gegenüber
der in der Patentanmeldung P 31 36 688 beschriebenen Lösung den Nachteil, daß sie
nur einen relativ kleinen Dynamikbereich aufweisen, d. h. der Bereich der damit
meßbaren Rotationsgeschwindigkeit ist klein.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Einrichtung zur Messung der Rotationsgeschwindigkeit
anzugeben, die gerätetechnisch leicht zu realisieren ist und die einen großen Dynamikbereich
aufweist.
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Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt mit den im Anspruch 1 angegebenen
Mitteln. Vorteilhafte Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
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Bei der neuen Einrichtung wird zwar ein Phasenmodulator verwendet,
jedoch wird dieser so angesteuert, daß eine Frequenzmodulation erzeugt wird. Dadurch
vereinigt man die Vorteile der Frequenzmodulation (großer Dynamikbereich) mit denen
der Phasenmodulation (gerätetechnisch einfach zu realisieren) Sowohl die Ansteuerung
des Phasenmodulators als auch die Auswertung lassen sich auf einfache Weise realisieren.
Zur. Er-
beugung des Regelsignals, das das Ansteuersignal für den
Phasenmodulator so regelt, daß die durch die Frequenzmodulation bedingte zusätzliche
Phasendifferenz kompensiert wird, wird ein Wechselspannungssignal ausgewertet, wodurch
man in Verbindung mit einer Phasenregelschleife eine hohe Empfindlichkeit bei der
Messung erhält.
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Zur Messung der Rotationsgeschwindigkeit wird die Steilheit der Flanken
des Ansteuersignals für den Phasenmodulator ausgewertet. Diese Steilheiten können
sehr genau ermittelt werden (z. B. mitttels Zähler). Eventuelle langsame Schwankungen
(Frequenz klein gegenüber dem Kehrwert der Periodendauer des Modulationssignals)
der für die Ansteuerung und Regelung verwendeten Größen sowie ein nichtlineares
Verhalten wesentlicher elektronischer Bauelemente beeinflußen das Ansteuersignal
(das einen dreieckförmigen Verlauf hat) lediglich symmetrisch in Bezug auf die Spitzen
des dreieckförmigen Signals. Dies hat keine Beeinflußung der Auswertung zur Folge.
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Die neue Einrichtung zur Messung der Rotationsgeschwindigkeit kann'
sowohl in der Technik der integrierten Optik als auch mit diskreten Bauelementen
realisiert werden. Im letzteren Fall werden zur Führung der Lichtstrahlen ausschließlich
Lichtwellenleiter verwendet und zur Modulation des Lichtstrahls wird auf geeignete
Weise auf den Lichtwellenleiter eingewirkt, so daß dieser seine Ausbreitungseigenschaften
ändert.
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Bei der Weiterbildung gemäß Anspruch 2 erfolgt zur Auswert ung eine
Quotientenbildung mit ermittelten Werten, nämlich den Zählerständen. Dies hat den
weiteren Vorteil(daß eine hohe Stabilität der Dlodulationsspannung nicht erforderlich
ist.
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Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen beispielsweise näher erläutert.
Es zeigt: Fig. 1 ein Blockschaltbild der neuen Einrichtung, Fig. 2 Diagramme zur
Erläuterung der Auswertung, und Fig. 3 das Modulationssignal für den Phasenmodulator.
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und Fig. 4 Zunächst wird anhand der Fig. 1 der Aufbau der neuen Einrichtung
erläutert. In einem Laser 1 wird ein Lichtstrahl erzeugt. Dieser wird in einem Strahlteiler
2 in zwei Teilstrahlen aufgeteilt, von denen einer auf einen Absorber 26 und der
andere auf einen weitrn Strahlteiler 3, der wiederum zwei Teilstrahlen 1 und 1 erzeugt,
geleitet wird.
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Diese weiteren TeiLstrahLen I und 1 durchlaufen einen spulenförmig
(Radius R) angeordneten Lichtwellenleiter 5 und zwar so, daß ihn der eine TeiLstrahL
im Uhrzeigersinn und der andere im Gegenuhrzeigersinn durchläuft. Einem Ende des
Lichtwellenleiters ist ein Phasenmodulator 4 vorgeschaltet.
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Nach dem Durchlaufen des Lichtwellenleiters vereinigt der weitere
Strahlteiler die beiden Teilstrahlen zu einem Lichtstrahl und ein Teil hiervon wird
von dem ersten Strahlteiler 2 zu einem optisch/elektrischen Wandler 7, der TeiL
einer Auswerteeinrichtung 23 ist, geleitet. Dem optischlelektrischen Wandler 7 sind
in Serie ein phasenempfindlicher Verstärker 8 und ein Integrator 9 nachgeschaltet.
Das Ausgangssignal des Integrators regelt einerseits die von einer regelbaren Spannungsquelle
10 abgegebene Spannung - (U1-AU) und anderer-
seits die von einer
regelbaren Spannungsquelle 11 abgegebene Spannung (U1+ AU) Die Ausgänge der beiden
Spannungsquellen 10, 11 sind mit einer Schalteinrichtung die von einer Steuereinrichtung
18 gesteuert wird, verbunden. Je nach Steuerung liegt am Phasenmodulator 4 die Spannung
mit positiver oder negativer Steigung des Spannungsverlaufs an.
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Der Ausgang der Schalteinrichtung 6 ist über einen ohmschen Widerstand
13 mit einem Eingang eines Differenzverstärkers 15, dessen anderer Eingang auf Masse
liegt, verbunden.
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Zwischen dem ersteren Eingang und dem Ausgang des Differenzverstärkers
15 ist ein Kondensator 14 geschaltet. Der Ausgang des Differenzverstärkers 15 ist
außerdem mit dem Modulationseingang des Phasenmodulators 4 verbunden. Das Ausgangssignal
dieses Differenzverstärkers 15 wird weiterhin Eingängen eines ersten 16 und eines
zweiten 17 Komparators zugeführt. Der zweite Eingang des zweiten Komparators 17
liegt auf Masse.
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An den zweiten Eingang des ersten Komparators wird eine Spannung UO,
die in einer Spannungsquelle 12 erzeugt wird, angelegt. Die beiden Komparatoren
geben jeweils ein Signal mit der Amplitude null oder eins ab, abhängig davon, ob
die zugeführten Signale kleiner oder größer als die jeweiligen Bezugssignale (bei
16: Signal mit Spannung UO; bei 17: Signal mit Spannung null) sind. Die beiden Komparatoren
bilden die Steuereinrichtung 18.
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Das Ausgangssignal des Komparators 17 ist das Steuersignal für die
Schalteinrichtung 6. Abhängig von seinem Ausgangssignal liegt am Differenzverstärker
die Spannung der Sapnnungsquelle 10 oder 11 an. Das Ausgangssignal des Komparators
17 ist außerdem das Bezugssignal für den phasenempfindlichen Verstärker 8 Bei Verwendung
eines geeigneten
phasenempfindlichen Verstärkers kann das Ausgangssignal
des Komparators 17 direkt als Bezugs-signal verwendet werden. Anderenfalls steuert
das Ausgangssignal eine Spannungsquelle, die ein rechteckförmiges Ausgangssignal
mit positiven bzw. negativen Amplituden abgibt.
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Die Ausgangssignale der beiden Komparatoren 16, 17 sind außerdem die
Trigger-Signale für zwei Zähler 19 und 20.
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Die Triggerung erfolgt zu den Zeitpunkten, zu denen ein Komparatorausgangssignal
vom Wert null zum Wert eins wechselt.
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Zu beiden Zeitpunkten wird ein Trigger-Signal abgegeben.
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Das Trigger-Signal des Komparators 17 startet den ersten Zähler 19
und stoppt den zweiten Zähler 20. Das Trigger-Signal des Komparators 16 stoppt den
ersten Zähler 19 und startet den zweiten Zähler 20. Mit jedem Stoppen eines Zählers
wird der Zählerstand zu einem Rechner 21 übertragen und der Zähler auf null zurückgestellt.
Im Rechner 21 wird aus den Zählerständen und aus konstanten Werten die Rotationsgeschwindigkeit
n berechnet. Die Anzeige erfolgt durch eine Anzeigeneinrichtung 22.
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Phasenempfindliche Verstärker sind phasenempfindliche Gleichrichter
mit einem zusätzlichen Verstärker. Sie sind bekannt aus Tietze-Schenk, "Halbleiterschaltungstechnik",
Springer-Verlag, Berlin 1980, Seite 683.
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Nachfolgend wird unter Zuhilfenahme der Figuren 2, 3 und 4 die Funktionsweise
der Einrichtung gemäß Fig. 1 näher e-rläutert.
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Es ist bekannt, daß sich bei solchen Meßeinrichtungen die Intensität
des elektrischen Ausgangssignals des optisch/
elektrischen Wandlers
7 als Funktion der Phasendifferenz zwischen den beiden Teilstrahlen, die den Lichtwellenleiter
gegensinnig durchlaufen, ändert. Die Phasendifferenz wiederum ist eine Funktion
der Rotationsgeschwindigkeit Wie der Fig. 2a zu entnehmen ist, ändert sich die Intensität
im Bereich von Phasendifferenzen = 0 nur sehr wenig.
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Deshalb legt man in vorteilhafter Weise den Arbeitspunkt an eine Stelle
(z. B I I1), an der sich die Intensität als Funktion der Phasendifferenz stark ändert.
Um den Arbeitspunkt an die gewünschte Stelle. zu legen, muß zwischen den beiden
Teilstrahlen eine zusätzliche und rotationsgeschwindigkeitsunabhängige Phasenverschiebung
1eingeführt werden.
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Dies bewirkt man mit Hilfe des Phasenmodulators 4.
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Bei der neuen Einrichtung wird der Phasenmodulator so angesteuert,
daß man eine erste Zeit lang eine Phasendifferenz und eine zweite Zeit lang eine
Phasendifferenz 2 erhält.
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2 Die Phasendifferenzen sind so gewählt, daß bei beiden Phasendifferenzen
das Ausgangssignal des optisch/elektrischen Wandlers gleiche Intensitäten aufweist,
vorausgesetzt, die Meßeinrichtung ist in Ruhe. Im vorliegenden Fall ist 2 = -1 und
1 = 2 gewählt.
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Dreht sich die Meßeinrichtung, dann entsteht eine zusätzliche, durch
den Sagnac-Effekt bedingte Phasendifferenz Jetzt gibt der optisch/elektrische Wandler
während der oben erwähnten Zeitspannungen Signale mit unterschiedlichen Intensitäten
ab (Fig. 2b), d. h. das Ausgangssignal des optisch/ elektrischen Wandlers ist ein
Wechselspannungssignal. Aus diesem wird ein Regelsignal abgeleitet. Das Regelsignal
bewirkt, daß der Phasenmodulator so angesteuert wird, daß eine
weitere
Phasendifferenz zwischen den beiden Teilstrahlen 1 und 1 CCW erzeugt wird. Die weitere
Phasendifferenz kompensiert die durch den Sagnac-Effekt bedingte Phasendifferenz
5 Wie bereits erwähnt, soll mit dem Phasenmodulator 4 eine Frequenzverschiebung
erzeugt werden Hierzu ist es notwendig, an den Phasenmodulator eine mit der Zeit
linear ansteigende Spannung anzulegen. Dabei ist die Steigung proportional zur erzeugten
Frequenzverschiebung. Für heute bekannte Phasenmodulatoren erhält man bei einer
angelegten Spannung von 1V eine Phasenverschiebung um # w Daraus ergibt sich 1 V/seca
0,25 Hz Den Arbeitspunkt (Fig. 2a) liegt man vorteilhaft so, daß 1 = 2 Dies erfordert
eine Frequenzverschiebung c?r f von # f = C/4.n.L = 51 kHz mit C: Vakuum-Lichtgeschwindigkeit
(3-108 m sec n: Brechungsindex des Lichtwellenleiters (1,47) L: Länge des Lichtwellenleiters
(10³m)..
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Um diese Frequenzverschiebung zu erhalten, muß eine Spannung mit einer
Anstiegsflanke 2,04 - 10 /sec an den Phasenmodulator 4 angelegt werden Um dies zu
erreichen,wählt man den Widerstand 13 gleich 10 Q und die Kapazität 14 gleich 38,4
pF- Um zwischen den Arbeitspunkten (Intensität Ii und Intensität I2) umzuschalten,
müssen abwechselnd (also während der Zeiten T1 bzw. T21Fig. 3, 4 ) Frequenzverschiebungen
von +51 kH z bzw. -51 kHz erzeugt werden Dies erreicht man, wenn man während der
Zeit T die Spannung mit der Steigung + 2,04 - 105 VJsec und während der Zeit T2
die Spannung mit
der Steigung - 2,04 105V/sec an den Modulator
anlegt.
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Der maximale Spannungswert ist UO = 15 V.
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Es ist T 1 = T2 = 196 S sec Mit diesen Annahmen und wenn keine Rotation
vorliegt ist das Ausgangssignal des optisch/elektrischen Wandlers ein Gleichspannungssignal.
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Tritt jedoch eine Drehung der Einrichtung ein, dann weist das Ausgangssignal
des optisch/elektrischen Wandlers während der Zeiten T1 und T2 unterschiedliche
Intensitäten auf. Man erhält ein Rechtecksignal, dessen Amplitude um schwankt und
aus dem man gemäß der Gleichung,
die Rotationsgeschwindigkeit set ermittelt. Hierbei ist 10 das Ausgangssignal, das
man erhält, wenn sich beide umlaufenden Teilstrahlen ohne Phasendifferenz überlagern,
R = Radius des spulenförmig angeordneten Lichtwellenleiters mit der Länge L; - Vakuum-Lichwellenlänge;
C = Vakuum-Lichtgeschwindigkeit Hiervon wird jedoch bei dem Ausführungsbeispiel
gemäß Fig. 1 kein Gebrauch gemacht. Hier wird aus dem Ausgangssignal des Wandlers
ein Regelsignal erzeugt, das die an den Modulator 4 angelegte Spannung so regelt,
daß die durch den Sagnac-Effekt bedingte Phasendifferenz S kompensiert wird.
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Nachfolgend wird die Erzeugung des Modulationssignals beschrieben.
Die Spannuqselle 12 1 2 gibt den maximalen
Spannungswert UO ab.
Die Spannungsquellen 11 und 10 geben die Spannungen(U1 +a U)und -(U 1 -&U) ab.
Wenn keine Rotat ion vorliegt ist t U = 0. U1 ist gleich 20 V. Die Schalteinrichtung
6 legt während der Zeit T1 die Spannung U1+U an den Differenzverstärker 15. Wenn
die Ausgangsspannung dieses Differenzverstärkers (diese Spannung liegt auch am Phasenmodulator
4 an) auf UO angesti.egen ist, legt die Schalteinrichtung 6, gesteuert durch das
Ausgangssignal des Komparators 16, die Spannung -(U1 4U) an den Differenzverstärker.
Die Spannung am Differenzverstärker 17(und somit auch am Phasenmodulator 4) nimmt
ab, bis 0 Volt erreicht sind. Sind die OVolt erreicht, dann legt die Schalteinrichtung
6 erneut die andere Spannung an. Dieser Vorgang wiederholt sich periodisch.
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Wie bereits erwähnt erhält man mittels der Zähler 19 und 20 einen
ersten Z1 und einen zweiten z2 Zählerstand. Unter Berücksichtigung der Frequenz
der Taktimpulse, die den Zählern zugeführt werden, erhält man die Zeit T1, während
der der Spannungsverlauf eine positive Steigung hat, und die Zeit T2, während der
der Spannungsverlauf eine negative Steigung hat.
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T1 - T2 In dem Rechner wird über den Quotienten die Rota-T1 + T2
tionsgeschwindigkeit ermittelt. Bei T1 = T2 ist die Rotationsgeschwindigkeit gleich
null.
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Bei einer Rotation ist am Ausgang des Wandlers 7 ein Wechselspannungssignal
vorhanden, wenn keine Regelung erfolgt.
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Dieses wird durch die an sich bekannte Regelschleife ausgeregelt
Im
ausgeregelten Zustand sind, wenn eine Rotation vorhanden ist, T1 und T2 unterschiedlich.
Ist T1 T1> T2, dann liegt eine Rotation im einen Drehsinn vor. Ist T1 C T2 t
dann liegt eine Rotation im entgegengesetzten Drehsinn vor.
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Die Rotationsgeschwindigkeit J1 wird im Rechner aus
berechnet.
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Bei dem Ausführungsbeispiel ist zur Vereinfachung nur an einem Ende
des Lichtwellenleiters ein Phasenmodulator vorhanden. Sind an beiden Enden Phasenmodulatoren
vorgesehen, dann können diese parallel, d. h. mit demselben Modulationssignal, angesteuert
werden.
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Die beschriebene Einrichtung ist eine Einrichtung zur Messung der
Rotationsgeschwindigkeit. Es ist jedoch von großem Vorteil, daß sie auch, ohne Veränderungen,
dazu verwendet werden kann, den durch einen elektrischen Leiter fließenden Strom
zu messen. Hierzu wird der Leiter in Richtung der Spulenachse durch den spulenförmig
angeordneten Lichtwellenleiter hindurchgeführt. Das durch den Strom erzeugte Magnetfeld
beeinflußt die Ausbreitungseigenschaften der beiden Teilstrahlen in dem Lichtwellenleiter
unterschiedlich und zwar so, daß auch hier zwischen den Teilstrahlen Phasendifferenzen
entstehen, bedingt durch den Faraday-Effekt.
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Diese Phasendifferenzen sind proportional zur Stromstärke.
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Während also bei der Messung der Rotationsgeschwindigkeit der Sagnac-Effekt
ausgenützt wurde, wird bei der Verwendung
als Strommesseinrichtung
der Faraday-Effekt ausgenützt Eine eventuell vorhandene Rotation muß kompensiert
werden.
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Die Str-omstärke S ist
Dabei ist V die Verdet'sche Konstante, die die Größe des Faraday-Effekts (in diesem
Fall in Glas) beschreibt und N ist die Anzahl der Windungen.