FR2748106A1

FR2748106A1 - Laser measuring circuit for uses in laser gyroscopes.

Info

Publication number: FR2748106A1
Application number: FR9605440A
Authority: FR
Inventors: Jacques Rochereau
Original assignee: Sagem SA
Current assignee: Sagem SA
Priority date: 1996-04-30
Filing date: 1996-04-30
Publication date: 1997-10-31
Anticipated expiration: 2016-04-30
Also published as: FR2748106B1

Abstract

The circuit includes a laser(10) having firing and discharge maintaining electrodes(16,18) and means(21) for adjusting the length of the laser cavity. It has also a output signal processor and an electrical supply circuit from a DC current source. The electrical supply circuit includes a single transformer having: - a single layer primary winding(26) fitted with a switch(29) interrupting the source current; - a first secondary winding(28) supplying at high voltage the electrodes(16,18) via a rectifier(34) and filter; - a second secondary winding(30) which supplies a low voltage to the output signal processor. This secondary winding is in parallel with a capacitor(54) whose capacity is sufficient to ensure that the low voltage is sensibly independent of the cyclic closing of the switch(29); - means which sets a determined maintaining current level for discharge, by control of the cyclic rate of closure of the switch(29).

Description

APPAREIL DE MESURE A DETECTEUR LASER
La présente invention concerne les appareils de mesure comprenant un détecteur laser, son circuit de traitement de signal et un circuit d'alimentation électrique à partir d'une source de courant continu. Elle trouve une application particulièrement importante, bien que non exclusive, dans les gyroscopes et gyromètres laser, qu'on désignera collectivement par la suite sous le terme de "gyrolasers". LASER DETECTOR MEASURING APPARATUS
The present invention relates to measuring devices comprising a laser detector, its signal processing circuit and a power supply circuit from a direct current source. It finds a particularly important, although not exclusive, application in laser gyros and gyros, which will be collectively referred to below as "gyrolasers".

Un appareil de mesure du genre ci-dessus nécessite pour son fonctionnement plusieurs tensions très différentes. A measuring device of the above kind requires several very different voltages for its operation.

I1 nécessite une très haute tension pour amorcer le plasma, puis une haute tension pour entretenir le courant de décharge dans le plasma. Une moyenne tension, plus faible, est généralement requise pour commander différents actionneurs, par exemple pour déplacer un miroir et ajuster la longueur de la cavité laser. Une basse tension de polarité de la source est souvent nécessaire pour alimenter les circuits analogiques et/ou numériques de traitement de signal. It requires a very high voltage to start the plasma, then a high voltage to maintain the discharge current in the plasma. A lower medium voltage is generally required to control different actuators, for example to move a mirror and adjust the length of the laser cavity. A low polarity source voltage is often required to power analog and / or digital signal processing circuits.

A l'heure actuelle les différentes tensions sont généralement fournies soit par plusieurs sources d'énergie, soit par l'intermédiaire de plusieurs transformateurs. Cette constitution conduit à un poids et un volume élevé des moyens d'alimentation et à une consommation également élevée. At present the various voltages are generally supplied either by several energy sources, or by the intermediary of several transformers. This constitution leads to a high weight and volume of the supply means and also to a high consumption.

La présente invention vise notamment à fournir un appareil de mesure du genre ci-dessus dont le circuit dali- mentation électrique, à partir dune source de courant continu à basse tension, a un volume et un poids nettement inférieurs à ceux de circuits habituels. The present invention aims in particular to provide a measuring device of the above kind whose electrical power circuit, from a source of direct current at low voltage, has a volume and a weight clearly lower than those of usual circuits.

Dans ce but l'invention propose notamment un appareil de mesure comprenant un laser ayant des électrodes d'amorçage et de maintien de décharge et des moyens de réglage de la longueur de la cavité laser, un circuit de traitement de signal de sortie du laser et un circuit d'alimentation électrique à partir d'une source de courant continu, caractérisé en ce que ledit circuit d'alimentation électrique comprend un transformateur unique ayant un enroulement primaire muni dun interrupteur de hachage du courant provenant de la source, un premier secondaire d'alimentation en haute tension desdites électrodes par l'intermédiaire d'un circuit de redressement et de filtrage et un second secondaire de fourniture d'une basse tension destinée au circuit de traitement, placée en parallèle avec un condensateur de capacité suffisante pour que la basse tension soit sensiblement indépendante du rapport cyclique de fermeture de l'interrupteur et en ce qu'il comprend des moyens d'asservissement du courant de maintien de décharge à une valeur de consigne déterminée par commande du rapport cyclique de fermeture de l'interrupteur. To this end, the invention proposes in particular a measuring device comprising a laser having electrodes for initiating and maintaining discharge and means for adjusting the length of the laser cavity, a circuit for processing the laser output signal and a power supply circuit from a direct current source, characterized in that said power supply circuit comprises a single transformer having a primary winding provided with a switch for chopping the current coming from the source, a first secondary d high voltage supply of said electrodes by means of a rectification and filtering circuit and a second secondary supply of a low voltage intended for the treatment circuit, placed in parallel with a capacitor of sufficient capacity so that the low voltage is substantially independent of the cyclic closing ratio of the switch and in that it comprises slave means ement of the discharge maintenance current at a set value determined by controlling the cyclic closing ratio of the switch.

Le circuit d'alimentation doit fournir, jusqu'à amorçage de la décharge, une tension nettement plus élevée que celle qui est nécessaire pour l'entretien de la décharge. La tension qui peut être atteinte aux bornes du premier secondaire, lorsque la charge constituée par le laser n'absorbe pas de courant, varie en fonction inverse de la capacité équivalente du transformateur, ramenée au secondaire. Pour obtenir une très haute tension, il faut diminuer le plus possible les capacités parasites des bobinages et la différence de tension entre spires adjacentes. Cela conduira généralement à utiliser un transformateur dont le primaire comporte une seule couche de spires. The supply circuit must supply, until the discharge is initiated, a voltage significantly higher than that which is necessary for the maintenance of the discharge. The voltage which can be reached at the terminals of the first secondary, when the charge formed by the laser does not absorb current, varies inversely with the equivalent capacity of the transformer, reduced to the secondary. To obtain a very high voltage, the parasitic capacitances of the windings and the voltage difference between adjacent turns must be reduced as much as possible. This will generally lead to the use of a transformer, the primary of which has a single layer of turns.

Les caractéristiques ci-dessus ainsi que d'autres apparaîtront mieux à la lecture de la description qui suit d'un mode particulier de réalisation de l'invention, donnée à titre d'exemple non limitatif. La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels
- la figure 1 est un schéma synoptique d'un appareil de mesure constituant un gyrolaser, conforme à un mode de réalisation de l'invention,
- la figure 2 est un diagramme montrant la variation du courant et de la tension en différents points de l'appareil de la figure 1,
- la figure 3 montre une constitution possible d'un des composants de l'appareil de la figure 1.The above characteristics as well as others will appear better on reading the following description of a particular embodiment of the invention, given by way of nonlimiting example. The description refers to the accompanying drawings, in which
FIG. 1 is a block diagram of a measuring device constituting a laser gyro, in accordance with an embodiment of the invention,
FIG. 2 is a diagram showing the variation of the current and the voltage at different points of the apparatus of FIG. 1,
- Figure 3 shows a possible constitution of one of the components of the device of Figure 1.

L'appareil montré en figure 1 comprend un gyrolaser 10 et les circuits électriques qui lui sont associés. Ces circuits électriques comportent un circuit d'alimentation électrique à partir d'une source de courant continu à basse tension +V0 et un circuit de traitement du signal de sortie du gyrolaser, qui intervient également sur le circuit d'alimentation pour réaliser une régulation, comme on le verra plus loin. Dans le cas fréquent d'un gyrolaser embarqué, la tension continue + Vo sera celle disponible sur le réseau de bord, par exemple de + 5 volts ou + 12 volts. The apparatus shown in FIG. 1 comprises a gyrolaser 10 and the electrical circuits associated with it. These electrical circuits include an electrical supply circuit from a low voltage direct current source + V0 and a circuit for processing the output signal of the gyrolaser, which also operates on the supply circuit to regulate, as we will see later. In the frequent case of an onboard gyrolaser, the DC voltage + Vo will be that available on the on-board network, for example of + 5 volts or + 12 volts.

Le gyrolaser 10 représenté sur la figure a une constitution classique à trois miroirs. I1 comprend un corps 12,généralement en verre à faible coefficient de dilatation thermique, dans lequel sont pratiqués des capillaires 13 contenant le milieu laser (hélium, néon, par exemple). Trois miroirs 14a, 14b, 14c replient le chemin optique aux angles du corps 12. L'effet laser est créé dans le gaz actif par des électrodes comprenant, dans le cas illustré, une cathode 16 placée sur une branche et deux anodes 18 placées sur les autres branches. Un détecteur 20 destiné à former des franges et fournir la fréquence de battement reçoit, par des moyens non représentés, les faisceaux qui ont parcouru le gyrolaser dans un sens et dans l'autre. Le gyrolaser pourrait être aussi bien à trajet optique carré, avec une ou deux cathodes. The laser gyro 10 shown in the figure has a conventional constitution with three mirrors. I1 comprises a body 12, generally made of glass with a low coefficient of thermal expansion, in which capillaries 13 are formed containing the laser medium (helium, neon, for example). Three mirrors 14a, 14b, 14c fold the optical path at the corners of the body 12. The laser effect is created in the active gas by electrodes comprising, in the illustrated case, a cathode 16 placed on a branch and two anodes 18 placed on the other branches. A detector 20 intended to form fringes and provide the beat frequency receives, by means not shown, the beams which have traversed the gyrolaser in one direction and in the other. The gyrolaser could be as well with square optical path, with one or two cathodes.

En règle générale, le corps du gyrolaser est porté par un actionneur (non représenté) destiné à lui imposer un mouvement d'oscillation ou t'dither autour de son axe, comme indiqué par la flèche double f, pour éviter un verrouillage mutuel des deux ondes contra-rotatives lors de rotations lentes du corps. Pour ajuster la longueur de la cavité laser, l'un des miroirs, 14c par exemple, est généralement porté par un actionneur 21 (pastille de matériau piezzo électrique par exemple) dont la longueur est modifiée par commande de la tension qui lui est appliquée sur une entrée 22. As a general rule, the body of the laser gyro is carried by an actuator (not shown) intended to impose on it an oscillating movement or t'dither around its axis, as indicated by the arrow double f, to avoid mutual locking of the two. contra-rotating waves during slow body rotations. To adjust the length of the laser cavity, one of the mirrors, 14c for example, is generally carried by an actuator 21 (pellet of piezoelectric material for example), the length of which is modified by controlling the voltage which is applied to it on an entrance 22.

Le circuit d'alimentation comprend un transformateur unique 24 ayant un enroulement primaire 26 et deux enroulements secondaires 28 et 30. L'enroulement primaire 26 est alimenté par la tension VO à travers un circuit LC 27 et le courant qui le traverse est haché par un interrupteur 29, constitué par exemple par un transistor MOS. The supply circuit comprises a single transformer 24 having a primary winding 26 and two secondary windings 28 and 30. The primary winding 26 is supplied by the voltage VO through an LC circuit 27 and the current flowing through it is chopped by a switch 29, constituted for example by a MOS transistor.

Le premier enroulement secondaire 28 est destiné à
fournir la très haute tension nécessaire à l'amorçage de la décharge puis, après amorçage, la haute tension nécessaire à l'entretien. Ces tensions sont élaborées en accumulant une énergie Wm sous forme magnétique dans le transformateur et en la transférant sous forme d'une énergie électrique We à la charge.The first secondary winding 28 is intended for
supply the very high voltage necessary to initiate the discharge, then, after initiation, the high voltage necessary for maintenance. These voltages are produced by accumulating energy Wm in magnetic form in the transformer and transferring it in the form of electrical energy We to the load.

Le courant de sortie du secondaire 28 est redressé par des moyens tels qu'une diode 34 et filtré par le réseau comprenant les condensateurs 31 et 32 et une résistance 36. The output current of the secondary 28 is rectified by means such as a diode 34 and filtered by the network comprising the capacitors 31 and 32 and a resistor 36.

Si on désigne par 1/T la fréquence de répétition des
fermetures de l'interrupteur 28 et par AT/T le rapport cyclique de fermeture de l'interrupteur, l'énergie Wm accumulée à chaque période T est égale à (1/2 Lim2, où L désigne l'inductance au primaire et où im est le courant maximum atteint au primaire, à la fin de la période AT. If we designate by 1 / T the frequency of repetition of
switch 28 closures and by AT / T the switch closing duty cycle, the energy Wm accumulated at each period T is equal to (1/2 Lim2, where L denotes the primary inductance and where im is the maximum current reached in the primary, at the end of the AT period.

Jusqu'à amorçage de la décharge, aucun courant n'est absorbé par le gyrolaser. L'énergie magnétique Wm transférée au secondaire 28 met en oscillation le circuit constitué par
la capacité équivalente ramenée au secondaire Cs et l'inductance Ls du secondaire. Les deux condensateurs 31 et 32, ayant chacun une capacité C/2, se chargent progressivement. Until the discharge starts, no current is absorbed by the laser gyro. The magnetic energy Wm transferred to the secondary 28 oscillates the circuit constituted by
the equivalent capacity reduced to secondary Cs and the inductance Ls of secondary. The two capacitors 31 and 32, each having a C / 2 capacity, are gradually charged.

La tension maximale VM susceptible d'être obtenue correspond à l'équilibre We = Wm. Cette tension maximale VM est donc
VM = (2Wm/Cs) 1/2
En fait, comme le montre la première ligne de la figure 2, la tension cesse de croître dès que la tension d'amorçage
Va est atteinte et elle retombe alors à une valeur de fonctionnement Vf.The maximum voltage VM that can be obtained corresponds to the equilibrium We = Wm. This maximum voltage VM is therefore
VM = (2Wm / Cs) 1/2
In fact, as shown in the first line in Figure 2, the voltage stops increasing as soon as the ignition voltage
Va is reached and it then drops to an operating value Vf.

Après amorçage, l'énergie électrique consommée pendant chaque période T est
We = Vf.id.T
où id désigne le courant de décharge.After ignition, the electrical energy consumed during each period T is
We = Vf.id.T
where id denotes the discharge current.

Lors du fonctionnement, il est souhaitable de maintenir le courant id à une valeur de consigne qui peut être soit fixe, soit ajustée en fonction de paramètres tels que la température, la durée de fonctionnement, la puissance du faisceau optique. Ce réglage peut aisément être effectué par action sur le rapport cyclique DUIT. During operation, it is desirable to maintain the current id at a set value which can be either fixed or adjusted as a function of parameters such as the temperature, the operating time, the power of the optical beam. This adjustment can easily be made by pressing the DUIT duty cycle.

Pour permettre la régulation à partir de l'amorçage, les courants qui traversent les deux branches munies chacune d'une anode 18 sont mesurés par des diviseurs respectifs 38 et 40. Les valeurs prélevées aux points milieux sont appliquées, par l'intermédiaire d'un convertisseur analogiquenumérique 42 à un organe de calcul 44 qui pourra être un micro-contrôleur, réalisable sous forme d'un circuit intégré d'application spécifique. Le micro-contrôleur permet également de commander l'actionneur ou les actionneurs, comme on le verra plus loin, dans le mode de réalisation illustré. To allow regulation from priming, the currents flowing through the two branches, each provided with an anode 18, are measured by respective dividers 38 and 40. The values taken from the midpoints are applied, by means of an analog-to-digital converter 42 to a calculating member 44 which may be a microcontroller, which can be produced in the form of an integrated circuit of specific application. The microcontroller also makes it possible to control the actuator or actuators, as will be seen below, in the illustrated embodiment.

La régulation pourrait s'effectuer à partir d'une mesure du courant dans une seule branche. La mesure des deux courants permet de vérifier qu'ils sont l'un et l'autre établis. Pour la régulation les courants sont numérisés, additionnés dans un additionneur 56 (figure 3). La somme est comparée à une valeur de consigne, fournie par un générateur 58, dans un additionneur 60. Le signal d'erreur est soumis en 62 à une intégration destinée à éviter les erreurs statiques et utilisé comme entrée de commande de AT/T. The regulation could be carried out starting from a measurement of the current in only one branch. The measurement of the two currents makes it possible to verify that they are both established. For regulation, the currents are digitized, added in an adder 56 (Figure 3). The sum is compared with a set value, supplied by a generator 58, in an adder 60. The error signal is subjected at 62 to an integration intended to avoid static errors and used as control input for AT / T.

La moyenne tension nécessaire au fonctionnement des actionneurs peut être obtenue à partir de l'enroulement secondaire 28. Pour cela, la tension de crête paraissant aux bornes de l'enroulement secondaire 28 est prélevée à travers une diode 46 et conservée pendant l'ensemble de la période
T par un condensateur 48 de capacité suffisante. Cette moyenne tension peut notamment être appliquée à un circuit 50 de puissance alimentant l'actionneur 21 et commandée par le micro contrôleur 44.The medium voltage necessary for the operation of the actuators can be obtained from the secondary winding 28. For this, the peak voltage appearing at the terminals of the secondary winding 28 is taken through a diode 46 and kept for the entire the period
T by a capacitor 48 of sufficient capacity. This medium voltage can in particular be applied to a power circuit 50 supplying the actuator 21 and controlled by the microcontroller 44.

Le second secondaire 30 permet disbtenir une basse tension supplémentaire, utilisée pour alimenter des composants tels les circuits analogiques. Si la tension +V0 d'alimentation est de 5 volts, le primaire peut notamment être utilisé pour fournir une tension - VO = - 5 volts. Le secondaire 30 a alors un nombre de spires égal au nombre de spires du circuit primaire 26. La tension de crête est prélevée par une diode 52 et stockée sur un condensateur 54 de capacité suffisante pour éviter une baisse de tension audelà de la durée de fermeture AT. The second secondary 30 makes it possible to obtain an additional low voltage, used to supply components such as the analog circuits. If the supply voltage + V0 is 5 volts, the primary can in particular be used to supply a voltage - VO = - 5 volts. The secondary 30 then has a number of turns equal to the number of turns of the primary circuit 26. The peak voltage is taken by a diode 52 and stored on a capacitor 54 of sufficient capacity to avoid a voltage drop beyond the closing time. AT.

Le fonctionnement de l'appareil ressort de la description qui précède et ne sera donc que sommairement indiqué. The operation of the device is apparent from the above description and will therefore only be briefly indicated.

Pour le démarrage, le rapport cyclique AT/T est maintenu à la limite de saturation du circuit magnétique. Lorsque les deux courants sous les branches du gyrolaser sont établis, le micro-contrôleur passe en régulation de courant agissant sur le rapport cyclique. Si un seul des courants s'établit, le micro active puis désactive l'extinction du gyro plusieurs fois de suite pour obtenir l'allumage des deux branches. For start-up, the AT / T duty cycle is maintained at the saturation limit of the magnetic circuit. When the two currents under the branches of the laser gyro are established, the microcontroller switches to current regulation acting on the duty cycle. If only one of the currents is established, the microphone activates then deactivates the extinction of the gyro several times in succession to obtain the ignition of the two branches.

Jusqu'à l'allumage, l'énergie Wm accumulée à chaque conduction de l'interrupteur 20 est récupérée, lors du blocage, via la diode 34, dans les deux condensateurs réservoirs 31 et 32. La tension s'élève à chaque cycle, et l'allumage intervient dès Va, avant d'atteindre la tension,
Vmax = (2.Wm /Cs)
Une fois les courants de décharge établis, la tension obtenue se stabilise compte tenu de l'impédance du tube. Le courant est régulé par le microcontrôleur qui calcule le rapport cyclique AT/T en permanence et envoie le signal correspondant.Until ignition, the energy Wm accumulated at each conduction of the switch 20 is recovered, during blocking, via the diode 34, in the two reservoir capacitors 31 and 32. The voltage rises at each cycle, and the ignition intervenes as of Va, before reaching the tension,
Vmax = (2.Wm / Cs)
Once the discharge currents are established, the voltage obtained stabilizes taking into account the impedance of the tube. The current is regulated by the microcontroller which continuously calculates the AT / T duty cycle and sends the corresponding signal.

L'appareil montré en figure 1 comporte également des moyens d'extinction du plasma en détournant le courant fourni par les moyens d'alimentation vers une résistance de charge. Ces moyens comprennent un interrupteur, tel qu'un transistor MOS, permettant de fermer le second secondaire et la résistance de charge 66. A la suite d'un défaut, le micro-contrôleur 44 envoie à l'interrupteur 64 un signal de conduction qui provoque une dissipation de la puissance fournie dans la résistance 66 et une chute de la tension d'entretien suffisante pour arrêter la décharge. The apparatus shown in FIG. 1 also includes means for extinguishing the plasma by diverting the current supplied by the supply means to a load resistor. These means comprise a switch, such as a MOS transistor, making it possible to close the second secondary and the load resistor 66. Following a fault, the microcontroller 44 sends to the switch 64 a conduction signal which causes a dissipation of the power supplied in the resistor 66 and a drop in the maintenance voltage sufficient to stop the discharge.

Cette régulation de courant n'a pas d'effet sur les autres tensions. This current regulation has no effect on other voltages.

Claims

1. Measuring apparatus comprising a laser (10) having electrodes (16,18) for initiating and maintaining discharge and means (21) for adjusting the length of the laser cavity, a signal processing circuit for laser output and a power supply circuit from a direct current source, characterized in that said power supply circuit comprises a single transformer having a primary winding (26) provided with a switch (29) chopping of current from the source, a first secondary (28) for supplying the electrodes with high voltage by rectifying means (34) and filtering and a second secondary (30) for supplying a low voltage intended for the processing circuit, placed in parallel with a capacitor (54) of sufficient capacity so that the low voltage is substantially independent of the cyclic closing ratio of the switch and in that it comprises means for servo ent to a determined nominal value of the discharge maintenance current, by controlling the cyclic closing ratio of the switch (29).

2. Apparatus according to claim 1, characterized in that the primary winding (26) is a single layer of coil.

3. Apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that the first secondary (28) is connected on the one hand to the electrodes (16, 18) of the laser via a rectifier (34) and a capacity resistance circuit (31, 32, 36) and on the other hand to elements supplied at medium voltage by means of a peak rectifier (46) and of a storage capacity (48) sufficient for the average voltage is substantially independent of the duty cycle.

4. Apparatus according to claim 1, 2 or 3, the laser of which is in a ring and constitutes the sensitive element of a gyrometer or gyroscope, characterized in that the high voltage is applied to the cathode (16) of the laser whose anodes (18) are connected to ground by respective resistive dividing bridges and in that the midpoints of the dividing bridges are applied to the input of means for controlling the current flowing through the laser.

5. Apparatus according to claim 4, characterized in that said current control means comprise means of comparison between the sum of the currents and a threshold.

6. Apparatus according to claim 5, characterized in that the servo means further comprise means for causing the laser to stop and restart if one of the currents is less than a determined value.

7. Apparatus according to any one of the preceding claims, characterized by means of extinguishing the laser by derivation of the power taken from the second secondary to a load resistor.