DE69411884T2

DE69411884T2 - Magneto-optischer Geschwindigkeitsmesser

Info

Publication number: DE69411884T2
Application number: DE1994611884
Authority: DE
Inventors: Jean-Marc F-75015 Paris Breda; Philippe F-92130 Issy Les Moulineaux Roberge
Original assignee: Thales Avionics SAS
Current assignee: Thales Avionics SAS
Priority date: 1994-01-25
Filing date: 1994-12-22
Publication date: 1999-03-25
Anticipated expiration: 2014-12-23
Also published as: DE69411884D1; FR2715473B1; FR2715473A1; EP0664455B1; EP0664455A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Geschwindigkeitsmesser mit magneto-optischer Wirkung.
Bei sehr vielen industriellen Anwendungen ist die genaue Kenntnis der Drehgeschwindigkeit von Maschinen oder Motoren erforderlich. Im Bereich der Flugtechnik sind die Anwendungen zahlreich: Hubschrauberrotordrehzahl, Motorregelung, Überwachung der Getriebe, Geschwindigkeit der Räder des Fahrwerks, ....
Zur Lösung dieses Problems wurden mehrere Arten von Geschwindigkeitsmessern entwickelt. In der Luftfahrt werden im allgemeinen Gleichpolgeneratoren verwendet, die folgendermaßen funktionieren.
An der Welle, deren Drehgeschwindigkeit gemessen werden soll, wird ein Zahnrad aus Magnetstahl befestigt. Der Meßwertgeber besteht aus einer Magnetkernspule, an die axial ein Magnet geklebt ist. Die ganze Einheit wird so angeordnet, daß die Magnetfeldänderungen beim Passieren der Zähne eine periodische, an den Klemmen der Spule induzierte Spannung erzeugen.
Die Frequenz des Signals gibt die Drehgeschwindigkeit der Welle wieder.
Obwohl sie sehr einfach und robust sind, weisen diese Meßwertgeber bestimmte Nachteile auf.
Als erstes ist ihr Meßbereich begrenzt. Solche Meßwertgeber liefern nämlich prinzipiell immer ein Signal, dessen Amplitude proportional zur Geschwindigkeit ist, was bei niedriger Geschwindigkeit und vor allem in den Startphasen Probleme verursacht.
Ferner reagieren sie empfindlich auf Störsignale, die von den elektromagnetischen Feldern induziert oder von dem Bordnetz verursacht werden. Schließlich können sie durch Blitzschlag zerstört werden.
In dem Dokument US-A-4 947 035 wurde ebenfalls ein magneto-optischer Meßwertgeber und vor allem ein Geschwindigkeitsmesservorgeschlagen, der umfaßt:
- ein Zahnrad, das an einer Welle befestigt werden kann, deren Geschwindigkeit gemessen werden soll;
- einen Dauermagneten, der gegenüber dem Zahnrad angeordnet ist;
- einen Kristall aus einem Material mit Faraday-Effekt, der in dem magnetischen Feld des Dauermagneten angeordnet ist;
- eine optische bzw. Lichtleitfaser und einen Polarisator zum Beleuchten des Kristalls mittels eines polarisierten Lichtstrahls; und
- einen Analysator und eine Photodiode zum Messen der Drehung der Polarisation des Strahls, die sich aus seinem Durchqueren des Kristalls ergibt.
Ein solcher Meßwertgeber hat jedoch den Nachteil, daß er im Bereich von Turbomaschinen nicht eingesetzt werden kann. Ein Merkmal der Kristalle mit Faraday-Effekt liegt nämlich darin, daß sie eine zu niedrige Curie-Temperatur haben, oberhalb derer sie ihre magneto-optischen Eigenschaften verlieren.
Beispielsweise müssen die in diesem Bereich eingesetzten Geschwindigkeitsmesser müssen nämlich bis zu Temperaturen von mindestens gleich 400ºC arbeiten können. Nun hat das in dem vorgenannten Dokument genannte Material, nämlich das Yttrium-Eisen-Granat (YIG) aber eine Curie-Temperatur von nur 280ºC, obwohl es ein durchschnittliches Drehvermögen besitzt.
Die vorliegende Erfindung will diesem Nachteil abhelfen.
Hierzu stellt die Erfindung einen Geschwindigkeitsmesser bereit, der folgendes aufweist:
- ein Zahnrad, das an einer Welle befestigt werden kann, deren Drehgeschwindigkeit gemessen werden soll;
- einen Magnetkreis, dem Zahnrad gegenüberliegend;
- wenigstens ein Element aus einem magneto-optischen Material im Magnetfeld des Magnetkreises;
- Einrichtungen zum Beleuchten des Materials mittels eines polarisierten Lichtstrahls; und
- Meßeinrichtungen zum Messen der Drehung der Polarisation des Strahls, die sich aus der Wechselwirkung mit dem Material ergibt und der sich
dadurch auszeichnet, daß das magneto-optische Material ein Material mit Kerr-Effekt ist, wobei der Strahl wenigstens eine Reflektion an wenigstens einem Kristall dieses Materials erfährt.
Magneto-optische Effekte sind, allgemein gesprochen, Effekte der Drehung der Polarisation eines polarisierten Lichtstrahls in Gegenwart eines Magnetfeldes bei seiner Wechselwirkung mit einem geeigneten Material. Materialien mit Faraday-Effekt sind für die Wellenlänge des betrachteten Strahls durchlässige Materialien, die, wenn sie von einem polarisierten Lichtstrahl durchquert werden, eine Drehung der Polarisation dieses Strahls bewirken, die proportional zu der Stärke des durchquerten Materials ist.
Der Kerr-Effekt ist ebenfalls ein magneto-optischer Effekt. Die in Frage kommenden Materialien sind jedoch anders, ebenso wie die Art ihrer Wechselwirkung mit dem polarisierten Lichtstrahl. Materialien mit Kerr-Effekt sind nämlich für die Wellenlänge des Strahls, mit dem sie eine Wechselwirkung haben, undurchlässig, und die Drehung der Polarisation eines polarisierten Lichtstrahls erfolgt durch Reflektion an der Oberfläche eines Kristalls aus Material mit Kerr-Effekt.
Der Kerr-Effekt ist schwächer als der Faraday-Effekt, hat jedoch den Vorteil, daß die magneto-optischen Materialien mit Kerr-Effekt eine Curie-Temperatur aufweisen, die weit über derjenigen der magneto-optischen Materialien mit Faraday-Effekt liegt, so daß sie für Geschwindigkeitsmesser verwendet werden können, die für Anwendungen im Bereich insbesondere von Turbomaschinen einsetzbar sind.
Das Licht kann dem Element aus Material mit Kerr-Effekt insbesondere mittels einer Lichtleitfaser zugeführt werden.
Ebenso wird vorzugsweise ein Polarisator zwischen der Lichtquelle, insbesondere dem Ende der Lichtleitfaser, und dem Kristall aus Material mit Kerr-Effekt vorgesehen. Ein solcher Polarisator ist jedoch im Falle der Verwendung einer Monomode-Lichtleitfaser mit Polarisationskonservierung nicht erforderlich.
Bei einer besonderen Ausführungsform der Erfindung werden zwei einander gegenüber angeordnete Kristalle aus Material mit Kerr-Effekt vorgesehen, an denen der Lichtstrahl nacheinander mehrmals reflektiert wird.
Mit einer solchen Anordnung kann die Drehung der Polarisation mit der Anzahl der Reflektionen multipliziert und so die Erfassung des Rotationswinkels erleichtert werden.
Ebenso wird bei einer besonderen Ausführungsform ein Lambdaviertelplättchen auf dem Weg des einfallenden Lichtstrahls sowie auf dem Weg des reflektierten Strahls vorgesehen. Das Lambdaviertelplättchen des Einfallwegs wandelt die lineare Polarisation dieses einfallenden Strahls in eine elliptische Polarisation um, die nach Reflektion an dem Kristall mit Kerr-Effekt ihre Elliptizität geringfügig verändert. Nach Durchqueren des Lambdaviertelplättchen des reflektierten Strahls, das eventuell das gleiche wie dasjenige des einfallenden Strahls ist, wird die Polarisation wieder linear, hat sich jedoch durch den Kerr-Effekt um einen Winkel gedreht. Nachstehend wird erläutert, daß eine solche Anordnung auch die Erfassung der Polarisationsdrehung erleichtert.
Der Geschwindigkeitsmesser der Erfindung kann eine Lichtleitfaser umfassen, um den an dem Kristall aus Material mit Kerr-Effekt reflektierten Lichtstrahl zu Vorrichtungen zum Messen der Stärke dieses Strahls zu führen.
Diese Meßvorrichtungen können insbesondere einen Polarisator umfassen, der auf dem Weg des von dem Kristall aus Material mit Kerr-Effekt reflektierten Lichtstrahls angeordnet ist.
Nachstehend werden beispielhaft und nicht beschränkende bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung beschrieben, die sich auf die beiliegenden Zeichnungen beziehen, in denen:
Fig. 1 ein Prinzipschema eines Geschwindigkeitsmessers nach der Erfindung ist, und die Fig. 2 und 3 Darstellungen bevorzugter Ausführungsformen sind.
Der Geschwindigkeitsmesser der Fig. 1 umfaßt ein Rad 1, das mit Zähnen - 2 versehen ist. Dieses Rad ist an der Welle 1' befestigt, deren Drehgeschwindigkeit gemessen werden soll.
Gegenüber dem Zahnrad 1 ist ein Meßwertgeberkopf 3 zum Wandeln der Drehgeschwindigkeit dieses Rads in ein optisches Signal angeordnet, das auf der Durchlaß-Frequenz der Zähne des Rads moduliert wird. Dieses Signal wird von einer Lichtleitfaser 4 an eine opto-elektronische Einheit 5 übertragen, die das optische Geschwindigkeitsmesser-Signal sendet, empfängt und verarbeitet. Diese Einheit 5 liefert ein elektrisches Signal, das beispielsweise aus Impulsen besteht, die in dem Rhythmus aufeinanderfolgen, mit dem die Zähne 2 an dem Kopf 3 vorbeigehen.
Dieses elektronische Signal wird von einer Leitung 6 an einen Prozessor 7 übertragen, der daraus die Drehgeschwindigkeit der Welle 1' ermittelt.
Der Meßwertgeberkopf 3 umfaßt im wesentlichen das Ende 4' der Lichtleitfaser 4, eine Bündelungsoptik 8, einen Polarisator 9, einen Kristall 10 mit Kerr-Effekt und einen Magnetkreis 11, der hier aus einem Dauermagneten besteht.
Das Licht, das von der Lichtleitfaser 4 kommt und in der Optik 8 gebündelt wurde, wird in dem Polarisator 9 polarisiert. Anschließend wird es von dem Kristall 10 reflektiert, durchquert dann den Polarisator 9 und die Bündelungsoptik 8 erneut, bevor es wieder von der Lichtleitfaser 4 zur optoelektronischen Einheit 5 übertragen wird.
Je nach Stellung der Zähne 2 des Rads 1 sind das Magnetfeld durch den Magnetkreis 11 und den Kristall 10 unterschiedlich, und folglich erfährt die Polarisation des Lichts durch den Kerr-Effekt eine mehr oder weniger starke Drehung. Dieses Licht wird somit von dem Polarisator 9 auf dem Rückweg nicht vollständig übertragen. Die zur opto-elektronischen Einheit 5 zurückgesandte Lichtstärke schwankt somit auf einer Frequenz, die von der Geschwindigkeit abhängt, mit der die Zähne 2 an dem Meßwertgeberkopf 3 vorbeigehen.
Das von der Leitung 6 der opto-elektronischen Einheit 5 an den Prozessor 7 übertragene elektronische Signal wird somit auf die gleiche Weise moduliert, so daß dieser Prozessor 7 aus diesem Signal die Drehgeschwindigkeit der Welle 1' ermitteln kann.
Die Fig. 2 und 3 zeigen zwei weitere Ausführungsformen 3' und 3" des Meßwertgeberkopfes 3.
Bei der Ausführungsform der Fig. 2 wird der von der Multimode-Lichtleitfaser 12 kommende Lichtstrahl mittels der Linse 13 gebündelt. Nachdem er den linearen Polarisator 14 und ein Lambdaviertelplättchen 15 durchquert hat, wird der Strahl an der Oberfläche eines Kristalls 16 aus magneto-optischem Material mit Kerr-Effekt reflektiert und durchquert dann erneut das Plättchen 15, den Polarisator 14, die Linse 13 und wird in die Lichtleitfaser 12 zurückgeschickt.
Das Licht wird somit beim Durchqueren des Polarisators 14 linear polarisiert. Durch das Lambdaviertelplättchen 15 wird diese Polarisation elliptisch. Nach der Reflektion an dem Kristall 16 ändert sich die Elliptizität der Polarisation des Lichts durch den Kerr-Effekt geringfügig. Diese Elliptizität hängt von dem Magnetfeld in dem Kristall 16 und folglich von der Stellung der Zähne 2 des Rads bezüglich dem Meßwertgeberkopf 3' ab. Nachdem das Licht auf dem Rückweg das Lambdaviertelplättchen 15 durchquert hat, ist es wieder linear polarisiert, doch hat seine Polarisation durch den Kerr-Effekt eine gewisse Drehung erfahren. Der lineare Polarisator 14 läßt in die Lichtleitfaser 12 also nur einen Teil der Lichtstärke zurückkehren, was von diesem Drehwinkel und somit der Stellung des Zahnrads abhängt.
Es kann gezeigt werden, daß es zur Optimierung der Modulation der reflektierten Lichtstärke von Vorteil ist, die Polarisation des reflektierten Lichts um einen Winkel mit einem durchschnittlichen Wert von 45 Grad und um ungefähr um diesen Mittelwert moduliert drehen zu lassen, der anschließend auf dem Rückweg allein in die Lichtleitfaser 12 übertragen wird. Unter diesen Umständen wird vorgesehen, daß die Achsen des linearen Polarisators 14 und des Lambdaviertelplättchens 15 untereinander einen Winkel von 22,5 Grad bilden, so daß die mittlere Gesamtdrehung zwischen dem Polarisationswinkel des einfallenden Strahls und dem Polarisationswinkel des reflektierten Strahls, nachdem er zweimal durch das Lambdaviertelplättchen geführt wurde, 45 Grad beträgt.
Bei der Ausführungsform der Fig. 3 wird der von einer Lichtleitfaser 17 kommende Lichtstrahl beim Durchqueren einer Linse 18 gebündelt, beim Durchqueren eines Polarisators 19 linear polarisiert und durch ein Prisma 20 auf einen Kristall aus Material mit Kerr-Effekt geführt. Der Lichtstrahl wird dann zwischen dem Kristall 21 und einem gleichartigen Kristall 22, der gegenüber dem vorstehenden angeordnet ist, mehrfach reflektiert.
Der aus diesen mehrfachen Reflektionen hervorgehende Lichtstrahl wird beim Durchqueren eines Prismas 23 zurückgeleitet, beim Durchqueren eines weiteren Polarisators 24 analysiert, beim Durchqueren einer Linse 25 erneut gebündelt und so in eine Rückweg-Lichtleitfaser 26 zurückgeschickt. Die magneto-optischen Kristalle 21 und 22 können in Form zweier Schichten aus einem Material mit Kerr-Effekt ausgeführt sein, die auf den beiden Seiten eines durchsichtigen Plättchens angeordnet sind.
Der Winkel zwischen den Achsen der beiden Polarisatoren 19 und 24 ist hier gleich 45 Grad, so daß die Polarisation des reflektierten Strahls wie im vorgenannten Fall einen durchschnittlichen Winkel von 45 Grad bezüglich dem des einfallenden Strahls bildet.
Unter diesen Umständen geht in die Faser 26 nur die durch den Kerr-Effekt bewirkte Modulation der Lichtstärke ein, der durch die Feldänderungen hervorgerufen wird, die durch das aufeinanderfolgende Passieren der Zähne 2 des Rads bewirkt werden. Diese Modulation wird hier durch einen Faktor verstärkt, der gleich der Anzahl der aufeinanderfolgenden Reflektionen an den Kristallen 21 und 22 ist. Interessant ist in diesem Zusammenhang, daß der Geschwindigkeitsmesser der Erfindung im Alles-oder-nichts-Modus arbeitet, und daß es hier nicht um die Messung eines Magnetfeldes geht. Die Anzahl der aufeinanderfolgenden Reflektionen muß also nicht genau bekannt sein.
Dieser Geschwindigkeitsmesser nach der Erfindung hat somit den Vorteil, daß er mit billigen Bauteilen hergestellt werden und bei hohen Temperaturen in schwieriger Umgebung arbeiten kann.

Claims

1. Geschwindigkeitsmesser, welcher folgendes aufweist:

- ein Zahnrad (1), welches auf einer Welle (1') befestigbar ist, deren Drehgeschwindigkeit gemessen werden soll;

- einen Magnetkreis (11) dem Zahnrad gegenüberliegend;

- wenigstens ein Element (10; 16; 21, 22) aus einem magnetooptischen Material im Magnetfeld des Magnetkreises;

- Einrichtungen (4, 9; 12, 14; 17, 19) zum Ausleuchten des Materials mittels eines polarisierten Lichtstrahls; und

- Meßeinrichtungen (4-7) zum Messen der Rotation der Polarisation des Strahls resultierend aus der Wechselwirkung mit dem Material;

dadurch gekennzeichnet, daß das magneto-optische Material ein Material mit Kerr-Effekt ist, wobei der Strahl wenigstens eine Reflektion an wenigstens einem Kristall des Materials erfährt.

2. Geschwindigkeitsmesser nach Anspruch 1, bei dem der Lichtstrahl mittels einer optischen Faser (4; 12; 17) aufgebracht wird.

3. Geschwindigkeitsmesser nach einem der Ansprüche 1 oder 2, welcher einen Polarisator (9; 14; 19) zwischen der Lichtquelle und dem Kristall aus Material mit Kerr-Effekt aufweist.

4. Geschwindigkeitsmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 3, welcher einander gegenüberliegend zwei Kristalle (21, 22) aus Material mit Kerr-Effekt aufweist, auf denen die Lichtstrahlen aufeinanderfolgend mehrmals reflektiert werden.

5. Geschwindigkeitsmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 4, welcher ein λ/4-Blättchen (15) im Lichtstrahlengang aufweist, welcher auf den Kristall aus Material mit Kerr-Effekt trifft, sowie an dem reflektierten Strahlengang.

6. Geschwindigkeitsmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 5, welcher eine optische Faser (4; 12; 26) zur Übertragung eines Lichtstrahls, welcher an dem Kristall aus Material mit Kerr-Effekt reflektiert worden ist, zu einer Meßeinrichtung die Lichtintensität aufweist.

7. Geschwindigkeitsmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die Meßeinrichtung einen Polarisator (9; 14; 24) aufweist, welcher in dem Lichtstrahlengang angeordnet ist, welcher durch den Kristall aus Material mit Kerr-Effekt reflektiert wird.