DE3244713A1

DE3244713A1 - Einrichtung zur messung der rotationsgeschwindigkeit

Info

Publication number: DE3244713A1
Application number: DE19823244713
Authority: DE
Inventors: Friedemann Dipl.-Ing. 7253 Renningen Mohr
Original assignee: Standard Elektrik Lorenz AG
Current assignee: Alcatel Lucent Deutschland AG
Priority date: 1982-12-03
Filing date: 1982-12-03
Publication date: 1984-06-07
Also published as: EP0111194A3; EP0111194B1; DE3371700D1; AU2177683A; EP0111194A2; US4591269A

Abstract

Die Laseranordnung, bei der das Lasergas in einem Gehäuse senkrecht durch den Laserresonator strömt, enthält ein Gasumwälzsystem, das aus einem Rotor mit radialen, quer zur Strömungsrichtung des Lasergases angeordneten Schaufeln besteht und das Gehäuse weitgehend ausfüllt. Dabei grenzen die Rotorschaufeln einerseits der gekühlten Gehäusewandung, andererseits dem entlang der Gehäusewandung angebrachten Anregungssystem an.

Description

F.Mohr 3

Einrichtung zur Messung der Rotationsgeschwindigkeit

Die Erfindung geht aus von einer Einrichtung zur Messung der Rotationsgeschwindigkeit wie im Oberbegriff des An-Spruchs 1 angegeben. Eine solche Einrichtung ist in der deutschen Patentanmeldung P 31 36 688 beschrieben.

Bei der dort beschriebenen Einrichtung wird ein Lichtstrahl in zwei Teilstrahlen aufgeteilt und diese durchlaufen einen Lichtwellenleiter, der einen geschlossenen Lichtweg bildet, gegensinnig. Um eine gute Meßgenauigkeit zu erreichen, ist es einerseits wünschenswert, den optisch/elektrischen Wandler an der Stelle seiner Kennlinie zu betreiben, an der eine kleine Änderung der Intensität des Lichts, das auf ihn gerichtet wird, eine starke Änderung seines elektrischen Ausgangssignals bewirkt. Andererseits ist es wünschenswert, zur Auswertung ein Wechselspannungssignal zur Verfügung zu haben. Beides erreicht man, wenn man die beiden Teilstrahlen geeignet moduliert. Dies sei an einem Beispiel erläutert: man verwendet als Modulatoren Bragg-ZeL len,die jeweils vor einem Ende eines LichtweIlenLeiters angeordnet sind und ändert die Frequenz ihrer Ansteuersignale periodisch. Die Nodu lationsfrequenz ist die Frequenz, mit der zwischen den unterschiedlichen Frequenzen des Ansteuersignals umgeschaltet wird. Die Phasenverschiebung zwischen den beiden Teilstrahlen des Lichtwellenleiters hängt von der Frequenz der

ZT/Pi-Sm/R

01-12.1982 BAD ORIGINAL

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Ansteuersignale für die beiden Bragg-Zellen ab. Man wählt nun diese Frequenzen so, daß die Phasendifferenzen zwischen den beiden Teilstrahlen (2V> + 1) - j oder C2V + Z)- ·=■ ist, wobei V» eine beliebige positive oder negative ganze Zahl sein kann. Die Frequenzen der Ansteuersignale werden mit der Modulationsfrequenz f so verändert, daß periodisch die eine oder die andere Phasendifferenz erzeugt wird.

Ist die Meßeinrichtung in Ruhe, dann ist das Ausgangssignal des optisch/elektrischen Wandlers, dem die beiden Teilstrahlen nach dem Durchlaufen des Lichtwellenleiters zugeführt werden, bei beiden Phasendifferenzen zwischen den Teilstrahlen gleich. Dreht sich die Meßeinrichtung, dann addiert sich zu der oben genannten Phasendifferenz die durch den Sagnac-Effekt verursachte Phasendifferenz und am Ausgang des optisch/elektrischen Wandlers erhält man ein Wechselspannungssignal mit der Frequenz f .des Modulations-

signals. Durch Regeln der Frequenzen von einem oder von beiden Ansteuersignalen erzeugt man zwischen den beiden Teilstrahlen eine zusätzliche Phasendifferenz, die so gewählt ist, daß die Sagnac-Phasendifferenz kompensiert wird, d. h.

T man erhält wieder die Phasendifferenzen C2V +1) · -z bzw.

TT
(2V +3)· ·=· . Aus dem Regelsignal wird die Rotationsgeschwindigkeit-Ω· ermittelt.

Erfolgt die Kompensation der Sagnac-Phasendifferenz 0_C bei großen Werten fürV , enthält die Gleichung, aus der die Rotationsgeschwindigkeit SL ermittelt wird, einen großen additiven Term, der von V abhängt. Die in diesem Term enthaltenen Größen (.Länge und Brechungsindex des Lichtwellenleiters) können driften und sind somit Ursache für Meßfehler.

BAD ORfGfNAL

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DeshaLb ist bei der bekannten Einrichtung vorgesehen, in bestimmten Zeitabständen Eichungen durchzuführen. Für die Eichung werden die Frequenzen der AnsteuersignaLe für die Bragg-ZeLLen so gewähLt, daß zwischen den beiden TeiLstrahLen nach dem DurchLaufen des LichtweLLenLeiters eine Phasendifferenz von 2^T oder ganzzahLigen VieLfachen gebiLdet wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Einrichtung zur Messung der Rotationsgeschwindigkeit anzugeben, bei der die Eichung kontinuier Lich erfoLgt.

Die Lösung dieser Aufgabe erfoLgt mit den im Anspruch 1 angegebenen MitteLn. VorteiLhafte WeiterbiLdungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Bei der neuen Einrichtung wird eine Abweichung der in die Messung eingehenden Größen von ihren SoLL-Werten sofort erfaßt und ausgegLichen. Dadurch erzieLt man eine große Meßgenauigkeit. An die FrequenzstabiLitat der Einrichtungen, die die AnsteuersignaLe für die Modulatoren erzeugen, sind keine hohen Anforderungen zu steLLen. Das Vorzeichen der Rotation kann einfach ermitteLt werden.

Die Werte V aLs Faktoren der erzeugten Phasendifferenzen können sehr groß gewähLt werden. Dies ist von VorteiL, wenn aLs ModuLatoren Bragg-ZeLLen verwendet werden. Dann sind nämLich die NutzsignaLe von an StörsteLLen reflektierten oder aus der Faser rückgestreuten SignaLen frequenzmäßig gut voneinander getrennt.

Die Erfindung wird anhand von Zeichnungen beispieLsweise näher erLäutert. Es zeigt:

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—" 7" —

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Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Teils einer bekannten

Einrichtung zur Messung der Rotationsgeschwindigkeit,

Fig. 2 Ansteuersignale für die Modulatoren der bekannten (Fig. 2a, b) und der neuen (Fig. 2c, d) Einrich

tung,

Fig. 3 , 4 Blockschaltbilder für zwei Ausführunqsbei spiele des Regelteils der neuen Einrichtung, und

Fig. 5 ein Blockschaltbild des Auswerteteils der neuen Ei nrichtung.

Anhand der Fig. 1 werden zunächst die zum Verständnis der neuen Meßeinrichtung wesentlichen Teile einer bekannten Einrichtung zur Messung der Rotationsgeschwindigkeit erläutert .

Ein von einem Laser 1 abgegebener Lichtstrahl wird einem Strahlteiler 3 zugeführt. Ein Teil des Lichtstrahls gelangt zu einem weiteren Strahlteiler 4; ein anderer wird zu einem (nicht dargestellten) Absorber geleitet. Der weitere Strahlteiler 4 erzeugt zwei Teilstrahlen, die einen spuleηform ig (Radius R) angeordneten LichtweLlenLeiter 7 gegensinnig durchlaufen. Zwischen dem weiteren Strahlteiler 6 und den beiden Enden des LichtweL lenLeiters ist jeweils eine Bragg-ZeLLe 5, 6 angeordnet. Die Bragg-Zellen erhalten Ansteuersignale mit den Frequenzen f (t)bzw. f_DTT(t)J)ie beiden Teil-

DlX oll

strahlen werden von dem weiteren Strahlteiler 4 nach dem Durchlaufen des LichtweLlenLeiters einander überlagert. Dieser Lichtstrahl gelangt zu dem ersten Strahl teiler 3, der

-ORIGINAL

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einen Teil davon zu einem optisch/elektrischen WandLer 2, dem eine Regel- und Auswerteeinrichtung nachgeschaltet ist, leitet.

Bei einer Rotat i onsgeschwi ndi gkei t S2. = Q ist das Ausgangssignal des optisch/elektrischen Wandlers 2 ein Gleichspannungssignal. Ist-ii £ 0, dann gibt der Wandler ein WechseLspannungssignaI mit der Frequenz f ab. f ist die Frequenz/mit der bei den Ansteuersignalen von einer zur anderen Frequenz umgeschaltet wird. Dieses WechseIspannungssignal wird, wie anhand der Fig. 2 näher erläutert wird, zu null geregelt. Die Rotationsgeschwindigkeit wird aus dem Regelsignal ermittelt (beispielsweise mittels der Frequenzen der Ansteuersignale, deren Frequenzen vom Regelsignal gesteuert werden.

Wie bereits in der Beschreibungseiη Leitung erwähnt, wird bei der Regelung die durch den Sagnac-Effekt bedingte zusätzliche Phasendifferenz 0 kompensiert. Hierzu ist eine FrequenzdifferenzΔf notwendig.

Das Ansteuersignal f it) hat den in Fig. 2a dargestellten Verlauf, wenn bei der Anordnung nach Fig. 1 nur eine Bragg-Zelle vorhanden ist. Das Modulationssignal ist ein Signal, bei dem mit der Frequenz f periodisch zwischen einem ersten und einem zweiten Frequenzwert Cdiese sind um die Frequenz 2F gestrennt) umgeschaltet wird. Beim ersten Frequenzwert wird zwischen den beiden Teilstrahlen eine Phasendifferenz von (2v +3)- ■=· und beim zweiten Frequenzwert eine Phasendifferenz von (2V +1)· ■=■ erzeugt.

Bei dem in Fig. 2a dargestellten Beispiel ist zur Vereinfachung V =-1 , d. h. es werden alternierend Phasendifferenzen

ÖAD'IORIGINAL

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"Π" 'if

von + ■=■ und - -r- erzeugt. Bei-Q = Q ist" die mittlere Frequenz f_ (bei den hier gewählten Phasendifferenzen ist f =0). Bei einer Rotation wird die mittlere Frequenz zu f „ + Δ. f verschoben, hier also zu A f.

Sind, wie in Fig. 1 dargestellt, zwei Bragg-Zellen vorhanden, dann benötigt man zwei Modulationssignale fCt.) und f_(t). Die beiden Modulationssignale sind um eine halbe Periodendauer gegeneinander verschoben. Während der Zeit, während der die Frequenz des einen Modulationssignals f_,_T(t) größer als f„+ ■=— ist, ist die Frequenz des anderen Modulationssignals f__TT(t) gleich f_n—=■=·. Während der zweiten Hälfte einer Periode gilt dies sinngemäß umgekehrt. Beijf2 = 0 ist ^f= 0, d. h. die Mittenfrequenzen für beide Modulationssignale sind gleich. Beiil # 0, d. h. Af Φ O₇ wird die Mittenfrequenz des ersten Modulationssignals f_n + —r- und die des zweiten

Λ "f Uc

f &ΐ Frequenzsprünge innerhalb eines Modulationssignals sind

jetzt nicht mehr wie beim (einzigen) Modulationssignal gemäß Fig. 2a 2F sondern nur noch jeweils F.

Nachfolgend wird erläutert, wie die bekannte Einrichtung abgeändert werden muß, damit eine kontinuierliche Eichung möglich ist.

Die neue Einrichtung kann, wie die bekannte Einrichtung, mit einer oder mit zwei Bragg-Zellen realisiert werden. Es muß lediglich wiederum dafür gesorgt werden, daß die erforder-Lichen Phasendifferenzen zwischen den beiden Teilstrahlen nach dem Durchlaufen des Lichtwellenleiters vorhanden sind.

Bei der neuen Einrichtung werden nacheinander die folgenden Phasendifferenzen erzeugt:

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1 . (2v> +1) " —

2. (2V +3) - Y

3. (2V +5)

4. (2v> +3) - γ-

Diese FoLge stellt eine Periode dar. V ist eine beliebig wählbare positive oder negative ganze Zahl. Bei den in den Figuren 2c und 2d dargestellten Ansteuersignalen ist V = -1. Somit ergeben sich die Phasendifferenzen - -z , + -z , + —=■, + -=■ , wenn, wie bei Fig. 2a, zur Vereinfachung f_n ⁼ 0 gewählt wird. Entsprechend diesem treppenförmigen Verlauf der zu erzeugenden Phasendifferenzen werden die Frequenzen des Modulationssignals treppenförmig und zwar jeweils um Sprünge von 2F geändert. Verwendet man zwei Bragg-Zellen, dann sind wieder, entsprechend Fig. 2b, zwei Modulationssignale f_o Ct)

und f Ct) notwendig. Beide Modulationssignale weisen einen BII

sich rechteckf örmi g ändernden Frequenzverlauf auf. Die ',-

beiden Modulationssignale sind um eine viertel Periode gegeneinander verschoben. Das eine Modulationssignal hat die Frequenzen f_n+ —p· + F und f_n + -=— - ?} das andere die Frequenzen f_n - —j + F und f_n - —~ - F. Hierdurch sind zwischen den Modulationssignalen in den vier Teilen einer Periode Frequenzdifferenzen von Δ f/ Af + 2F, Af und Af-2F vorhanden, wo-

T TT 3T ψ

durch die Phasendifferenzen - -= , + y , + -r— und -j erzeugt werden.

Sind also zwei Bragg-Zellen vorhanden, dann erhält man diese Phasendifferenzen auf einfache Weise dadurch, daß man die Bragg-Zellen mit jeweils einem Ansteuersigna I,dessen Frequenzverlauf eine Rechteckkurve darstellt, ansteuert.

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Bei der bekannten Einrichtung, bei der Phasendifferenzen von + ■=■ und - -r erzeugt werden, erhält man am Ausgang des optisch/eLektrisehen WandLers 2 ein auszuregelndes Signal, das die Frequenz f hat. Die Frequenz f ist diejenige Frequenz, mit der sich die Phasendifferenzen zwischen den Teilstrahlen, bedingt durch die Modulation in den Bragg-ZeLlen^ ändert. Bei der neuen Einrichtung gibt der Wandler ein Signal ab, das drei voneinander zu trennende Signa läntei Ie enthält. Die Trennung dieser Signale und die weitere Signalverarbeitung wird nachfolgend anhand der Fig. 3, 4 und 6 erläutert.

Die neue Einrichtung zur Messung der Rotationsgeschwindigkeit geht aus von der bekannten, anhand der Fig. 1 beschriehenen Einrichtung. Anhand der Fig. 3 und 4 wird erläutert, wie die AnsteuersignaLe für die Bragg-Zellen erzeugt werden.

In dem Blockschaltbild der Fig. 3 sind wieder, wie in der Fig. 1, die beiden Bragg-Zellen 5, 6 sowie der optisch/elektrische Wandler 2 dargestellt. Der optisch/elektrische Wandler 2 gibt ein Ausgangssignal ab, das drei phasenempfind-Lichen Gleichrichtern 13, 16, 17 zugeführt wird. Diese phasenempfindlichen Gleichrichter trennen die drei Signalanteile, die, wie bereits erwähnt, im Ausgangssignal des Wandlers enthalten sind. Hierzu werden den drei phasenempfindlichen Gleichrichtern 13, 16, 17, die als Lock- in- Verstärker mit Integrierverhalten realisiert sind, unterschiedliche Bezugssignale zugeführt, und zwar dem ersten Lock-in-Verstärker 17 ein rechteckforraig.es Bezugssignal Bl, das aus einem Signal sin £O t abgeleitet wird, dem zweiten Lock-in-Verstarker 16 ein rechteckf örjni ges Bezugssignal B2, das aus einem Signal cosiOt abgeleitet wird, und dem dritten Lock-in-Ver-

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- J2 -

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stärker ein rechteckförmiges BezugssignaL B3, das aus einem Signal sin 20) t abgeleitet wird. Die Bezugssignale sind zueinander synchron und werden von einer Einrichtung 20 abgegeben. Die Frequenz ist ein beliebiger Wert im kHz-Bereich, der vorzugsweise gleich einem ganzzahligen Bruchteil des Kehrwerts der Laufzeit des Lichtstrahls im Lichtwellenleiter i st.

Weiterhin wird in einem ersten Multiplizierer 18 das von sin 60 t abgeleiteteBezugssi gna L B1 mit dem Ausgangssignal des zweiten Lock-in-Verstarkers 16 und in einem zweiten Multiplizierer 19 das von cosCOt abgeleitete Bezugssignal B2 mit dem Ausgangssignal des ersten Lock-in-Verstärkers 17 multipliziert. Das Ausgangssignal des ersten Multiplizierers 18 wird einer ersten Addierstufe 14 und das Ausgangssignal des zweiten Multiplizierers 19 wird einer zweiten Addierstufe zugeführt. Beide Addierstufen erhalten jeweils das Ausgangssignal des dritten Lock-in-Verstärkers 13 als zweites Eingangssignal. Die Addierstufen sind in an sich bekannter Weise mit geeignet beschalteten Differenzverstärkern realisiert.

Das Ausgangssignal der ersten Addierstufe 14, das einen rechteckförmigen Verlauf hat, steuert einen spannungsgesteuerten Oszillator 11, der das Ansteuersignal f_D_Ct) für die erste Bragg-Zelle 5 erzeugt, und das rechteckförmige Ausgangssignal der zweiten Addierstufe 15 steuert einen weiteren spannungsgesteuerten Oszillator 12, der das Ansteuersignal f__TT(t) für

oll

die zweite Bragg-Zelle 6 erzeugt.

Diese Einrichtung stellt eine Regeleinrichtung mit drei verkoppelten Regelschleifen dar. Im eingeschwungenen Zustand sind die Eingangssignale für die Lock-in-Verstärker gleich null. Die AnsteuersignaIe f_DT(t) und f__TTCt0 haben dann den

Dl D I I

in Fig. 2d dargestellten Verlauf. Bei der Regelung der

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3244/13

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spannungsgesteuerten Oszillatoren wird der Wert 2 F , um den die Frequenzen der spannungsgesteuerten OsziI latoren 11, 12 springen, sowie die mittlere Frequenzdifferenz ^f zwischen beiden VC0—Ausgangsfrequenzen, geregelt.

Durch diese Regelung wird erreicht, daß die durch den Sagnac-Effekt bedingte Phasendifferenz 0 kompensiert wird. Hierzu werden die Mittenfrequenzen der spannungsgesteuerten Oszillatoren 11, 12 von ihrem ursprünglichen Wert f_ zu Werten f„ + y— und f_Q - —=■ verschoben. Die Frequenzen der Ansteuersignale springen um diese neuen Mittelwerte um + F, d. h. jedes Ansteuersignal weist Frequenzsprünge von 2F auf.

Diese Frequenzsprünge 2F werden so geregelt, daß Schwankungen (z. B. der Länge L des Lichtwellenleiters oder des Brechungsindex n) kompensiert werden.

Anstelle der Lock-in-Verstärker können auch Mischer, denen jeweils Regler mit einem I-Anteil nachgeschaltet sind, verwendet werden.

Diese Lösung ist bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. angenommen. Dieses AüsführungsbeispieI unterscheidet sich vom Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 weiterhin dadurch, da 3 zur Erzeugung der Ansteuersignale f(t) und f(t)

Di DlI

im Gegensatz zur Fig. 3 jeweils zwei Oszillatoren 48, 49 und 53, 54 vorgesehen sind. Der Oszillator 54 wird nicht geregelt. Die übrigen Oszillatoren sind spannungsgesteuerte Oszillatoren, deren Schwingungsfrequenzen analog zu dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 geregelt werden.

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Es sind Schalter 41, 42 vorgesehen, die jeweils mit der Frequenz ■=■ f gesteuert werden. Diese Schalter Leiten jeweiLs das Ausgangssignal des einen oder des anderen Oszillators eines Oszillatorpaares zu der jeweiligen Bragg-Zelle weiter. Durch das Umschalten erhält man den gewünschten rechteckförmigen Frequenzverlauf für die Ansteuer signaLe.

Bei diesem Ausführungsbeispiel wird die Frequenz des spannungsgesteuerten Oszillators 48 so geregelt, daß die Sagnac-Phasendifferenz 0 kompensiert wird. Die Frequenz des zweiten spannungsgesteuerten Oszillators 49 dieses Oszillatorpaares wird so geregelt, daß die beiden Ausgangssigna Le einen solchen Frequenzsprung 2F aufweisen, daß die erwähnten Schwankungen kompensiert sind. Die beiden AusgangssignaLe der Oszillatoren 48, 49 werden nicht nur dem Schalter 41 sondern außerdem auch einem Mischer 48 zugeführt.

Für das Oszillatorpaar 52 und 53 gilt entsprechendes. Die Frequenz des spannungsgesteuerten Oszillators 53 wird so geregelt, daß der gewünschte Frequenzsprung 2F zwischen den Ausgangssignalen der beiden Oszillatoren vorhanden ist. Die Ausgangssignale der beiden Oszillatoren werden außer zu dem Schalter 42 noch zu einem Mischer 43 geleitet. Aus den Mischerausgangssignalen wird die Rotationsgeschwindigkeit-Π. ermittelt.

Anstelle der anhand der Fig. 3 und Fig. 4 erläuterten Möglichkeiten zur Erzeugung der Ansteuer signaIe gibt es noch weitere Lösungen. Nachfolgend eine Aufstellung einiger Realisi erungsmögli chkei ten:

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ό 14 4 / ί J

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a) die gewünschten Phasendifferenzen werden mittels eines AnsteuersignaLs erzeugt. Sein FrequenzverLauf ist treppenförmig mit einer Sprungweite von 2F. Seine Mittenfrequenz ist f_n und gegebenenfalls zur Kompensation der Sagnac-Phasendifferenz 0 um Δ f frequenzverschoben.

b)die gewünschten Phasendifferenzen werden mittels zweier AnsteuersignaLe erzeugt

b1)zwei OsziLLatoren erzeugen jeweiLs ein Ansteuersignal mit einem rechteckförmigen FrequenzverLaufj die Sprungweite ist jeweiLs 2F. Die beiden SignaLe sind um eine viertel Periode gegeneinander phasenverschoben.

- die Mittenfrequenz der beiden AnsteuersignaLe ist f„ - Diese Frequenz ist gegebenenfa LLs für die beiden SignaLe um + bzw. - f/2 verschoben.

- die Mittenfrequenz der beiden AnsteuersignaLe ist f„. Die Frequenz eines Ansteuersi gna Ls ist gegebenenf a L Ls um £± f verschoben.

b2)vier OsziLLatoren erzeugen jeweiLs ein Signal mit einer (ge rege L ten.) konstanten Frequenz. Zwei OsziLLatoren bi Lden jeweiLs ein Paar und die beiden SignaLe eines Paares werden jeweiLs zu einem SchaLter geführt, der das eine oder andere SignaL aLs Teil des AnsteuersignaLs weiterLeitet. Dadurch werden zwei AnsteuersignaLe mit einem sich rechteckförmigen FrequenzverLauf erzeugt.

- für die jeweiligen Frequenzyerschiebungen giLt das oben Gesagte.

-16-BÄD'OBiGlNÄLV,

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Bei der neuen Einrichtung erfolgt also eine Regelung, bei der zur Kompensation der Sagnac-Phasendifferenz 0 eine Frequenzversc.hi ebung umAf erzeugt wird und eine Regelung, bei der die Frequenzsprünge um 2F des bzw. der Ansteuersignale so geregelt werden, daß die erwähnten Schwankungen kompensiert werden. Um die Regelungen zu ermöglichen, müssen die bereits erwähnten Phasendifferenzen (2V + 1)· ■=- , (2V +3) ■ ■=■ und

1Γ
(2v> +5) · ■=■ erzeugt werden.

Im eingeregelten Zustand schließlich wird bei allen Ausführungsbeispielen die Rotationsgeschwindigkeit gemäß der Gleichung

(2V> +I)F-Af

oder aus einer daraus abgeleiteten G Leichung.ermitte It, z. B. in einem Rechner.

Hi erbei sind

\ : Vakuumlichtwellenlänge
C : Vakuumlichtgeschwindigkeit

R : Radius des spulenförmig angeordneten Lichtwellenleiters
L : Länge des Lichtwegs

Die Größen des ersten Ausdrucks sind Konstanten. Eventuelle Abweichungen sind in F enthalten,^ ist ebenfalls eine bekannte Größe. Es sind also noch F undAf zu bestimmen. Diese beiden Größen können auf einfache Weise durch Mischen geeigneter Signale erhalten und danach gemessen werden.

Anhand der Fig. 5 wird für das Ausführungsbeispiel gemäß Fig.

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,,-.= :.. BAD ORIGINAL

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eine Lösung zur Bestimmung νοη-Ω. angegeben. Hierbei wird davon ausgegangen, daß zwei Ansteuer signaLe f__(t) und

B I f_DTT(t) (Fig. 3 in Verbindung mit Fig 2d) vorhanden sind.

Die beiden AnsteuersignaLe f (t) und f (t) werden einem Mischer 61, dem ein Tiefpaß 62 nachgeschaLtet ist, zugeführt. Am Ausgang des Tiefpasses ist das SignaL (f -f Mt)

D 1 1 D 1

vorhanden, das einerseits einem weiteren Mischer 64 und andererseits einer PhasenregeLschLeife 63 zugeführt wird. Die PhasenregeLschLeife 63 weist eine so große Zeitkonstante (ca. 0,1 see) auf, daß sie schneLLe Frequenzänderungen nicht mehr foLgen kann und sie sich somit auf die Frequenz Δ f einregelt. Die obere Grenze der Zeitkonstanten ist dadurch bestimmt, daß die PhasenregeLschLeife Änderungen der Rotationsgeschwindigkeit -Ω. folgen kann. Die Phasenregelschleife gibt aLso ein SignaL mit der Frequenz A f ab.

Dieses wird einerseits zu dem weiteren Mischer 64 und andererseits zu.einem SchaLter 09 geLeitet.

Das AusgangssignaL des weiteren Mischers 64 wird einer weiteren PhasenregeLschLeife 71, die einen Mischer 67, ei η Sch Leifenfilter 66, einen spannungsgesteuerten OsziLLator 65 und einen TeiLer 68 enthäLt, zugeführt. Das EingangssignaL für die weitere PhasenregeLschLeife hat die Frequenz F und synchronisiert den spannungsgesteuerten OsziLLator 65, der auf die Mittenfrequenz (2V +1) F abgestimmt ist. Dessen AusgangssignaL wird einerseits dem TeiLer 68 der PhasenregeLschLeife zugeführt. Der TeiLer führt eine Teilung durch (2V +1) durch, so daß dessen Ausgangssigna L, das dem Mischer 67 der zweiten PhasenregeLschLeife 71 zugeführt wird, wieder die Frequenz F hat.

Die beiden PhasenregeLschLeifen sind so realisiert, daß sie

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ÖRiÖINAL

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impuLsförmige Signale abgeben. Diese haben eine ImpuLsf ο Lgef requenz von Af bzw. (2l> +1) F und werden über die Schalter 69 bzw. 70 einem Aufwärts/Abwärtszähler 73 zugeführt. Sie sind die Taktimpulse für diesen Zähler.

Das Ausgangssignal des Teilers 68 wird weiterhin dazu verwendet, die Schalter 69 und 70 zu steuern und den Zähler 73 zurückzusetzen. Das Zurücksetzen des Zählers 73 erfolgt mit der halben Impu lsf ο lgef requenz (·=-.) . Deshalb ist vor den Zähler ein Teiler 72 geschaltet.

Das Zählen geschieht wie folgt:

- der Zähler wird zurückgestellte der Schalter 70 geschlossen, der Schalter 69 geöffnet.

Der Zähler zählt jetzt die Taktimpulse bis zum Zeitpunkt, zu dem die beiden Schalter 69, 70 in ihre jeweils andere SchaItste I Lung gebracht werden.

- beim nächsten Impuls der vom Teiler 68 abgegebenen Impulsfolge wird der Schalter 70 geöffnet; der Schalter 69 geschlossen.

Der Zähler zählt jetzt - mit den TaktimpuIsen^ f ~ rückwärts, bis der nächste Impuls des Teilers 68 wiederum die Schalter 69, 70 umschaltet.
Der Zählerstand ist jetzt ^ ^ Außerdem wird jetzt der Zähler auf null zurückgesetzt.

Der Zählerstand wird in einen Rechner 74 eingelesen und

λ C

dort mit dem konstanten Faktor multipliziert.

Die so ermittelte Rotationsgeschwindigkeit jot wird von

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(einer nicht dargesteLLtenJ Anzeigeeinrichtung.angezeigt.

Ist bei der Auswerteeinrichtung nach Fig. 5 der Teiler 72 nicht vorhanden, dann erhält man anstelLe der Rotationsgeschwindigkeit jQ, den Drehwinkel.

BAD ORIGINAL

IO Leerseite

Claims

STANDARD ELEKTRIK LORENZ
AKTIENGESELLSCHAFT
STUTTGART

F.Mohr 3

Pat ent ans ρrüche

/ 1. Einrichtung zur Messung der Rotationsgeschwindigkeit mit einer einen Lichtstrahl erzeugenden Einrichtung CFig. 1; 1), bei der dieser Lichtstrahl in zwei TeilstrahLen (I_rur ^rru^' ^^^e ^ei^nen geschlossenen Lichtweg (7) gegensinnig durchlaufen, aufgeteilt wird, bei der zwischen den Tei L-strahlen nach dem Durchlaufen des Lichtwegs (7) eine durch den Sagnac-Effekt bedingte und zur Rotationsgeschwindigkeit (Xl ) proportionale Phasendifferenz C0 ·) vorhanden ist, bei

der die beiden Teilstrahlen nach dem Durchlaufen des Lichtwegs einander überlagert und einem optisch/elektrischen Wandler (2), dem eine Regel- und Auswerteeinrichtung nachgeschaltet ist, zugeführt werden, bei der mindestens ein Modulator (5, 6) vorgesehen ist, der mindestens einen TeiL-strahL so moduliert, daß zwischen den beiden Teilstrahlen nach dem Durchlaufen des Lichtwegs periodisch unterschiedliche Phasendifferenzen vorhanden sind, wobei die Phasendifferenzen so gewählt sind, daß das Ausgangssignal des optisch/elektrischen Wandlers C2) bei den unterschiedlichen Phasendifferenzen gleiche Amplituden aufweist, wenn die Meßeinrichtung in Reihe ist und bei der das Ansteuersignal für den Modulator so geregelt wird, daß das Ausgangssignal des optisch/elektrischen Wandlers auch dann noch eine konstante Amplitude aufweist, wenn eine Rotation vorhanden ist,dadurch gekennzeichnet,daßdas

ZT/Pi-Sra/R

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BAU ORfGiNAL

F.Mohr 3

AnsteuersignaL für den Modulator C5) so gewählt ist, daß periodisch die Phasendifferenzen (2y + 1)·=— , C2W (2V +5)-^— , (2V +3)-=—, wobei W eine beliebige positive oder negative ganze Zahl ist, erzeugt werden, daß das Ansteuersignal (Fig. 2c) Frequenz Sprünge um 2F aufweist und daß die RotationsgeschwindigkeitSX aus der Gleichung

λ C (2V> +HF-A f

8RL F

oder aus einer daraus ableitbaren Gleichung ermittelt wird, mit λ = Vakuumwellenlänge des Lichts, C= Lichtgeschwindigkeit, R= Radius des spulenförmig angeordneten Lichtwegs, L= Länge des Lichtwegs und Λ f gleich Frequenzverschiebung des AnsteuersignaLs, die notwendig ist, um die Sagnac-Phasendifferenz 0 zu kompensieren.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das AnsteuersignaL einen stufenförmigen Verlauf hat.
3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Modulatoren vorgesehen sind, die jeweils ein Ansteuersignal erhalten.
4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,

daß die beiden Ansteuer signaLe jeweils rechteckförmige Signale sind, die um eine viertel Periodendauer gegeneinander phasenverschoben sind.
5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenzdifferenz zwischen den beiden Ansteuersignalen einen treppenförmigen Verlauf hat.

BAD ORlGJNAb

F.Mohr 3
6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6 , dadurch gekennzeichnet, daß zur Kompensation der Sagnac-Phasendifferenz die Frequenz von einem AnsteuersignaL um ^f verschoben wird.
7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kompensation der Sagnac-Phasendifferenz die Frequenz beider AnsteuersignaLe um ^y verschoben wird.

BAD