DE3009796C2

DE3009796C2 - Drehgeschwindigkeitssensor auf der Basis eines Ringlasers

Info

Publication number: DE3009796C2
Application number: DE3009796A
Authority: DE
Inventors: Hans Dipl.-Phys. Dr. 3300 Braunschweig Bentlage; Rüdiger Dipl.-Phys. Dr. Rodloff
Original assignee: Deutsche Forschungs und Versuchsanstalt Fuer Luft und Raumfahrt EV 5000 Koeln; Deutsche Forschungs und Versuchsanstalt fuer Luft und Raumfahrt eV DFVLR
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 1980-03-14
Filing date: 1980-03-14
Publication date: 1984-04-12
Also published as: US4432646A; FR2478319B1; DE3009796A1; GB2071905B; FR2478319A1; GB2071905A

Abstract

Die Dichtungsrahmen für alternierend angeordnete Anionen- und Kationen-Austauschermembranen eines Membranstapels für die Elektrodialyse umschließen einen netzförmigen Abstandshalter für die dort zur Anlage kommenden Membranen. Um bei diesen Rahmen die netzförmigen Abstandshalter sicher in ihrer Lage zu halten, ohne dabei die Dicke der Dichtungsrahmen zu vergrößern, wird gemäß der Erfindung vorgeschlagen, die Ränder (1a) des netzförmigen Abstandshalters (1) auf einen die Dicke des Rahmens (3) unterschreitenden Wert komprimiert in den aus Kunststoff bestehenden Rahmen (3) so einzuformen, daß die Dicke des in der Kammer liegenden nichtkomprimierten Teiles des Abstandshalters (1) im wesentlichen mit der Dicke des mit linienförmigen Dichtungen (10-16) versehenen Dichtrahmens entspricht. Auf diese Weise entstehen sehr dünne Dichtrahmen mit einer Dicke von etwa 1,0 mm, so daß sich der Wirkungsgrad eines Elektrodialyse-Gerätes von vorgegebenem Volumen erheblich vergrößert.

Description

dadurch gekennzeichnet, daß

e)

der Ringlaser so ausgebildet ist, daß der zu vermessende Drehgeschwindigkeitsbereich innerhalb des Lock-in-Bereichs liegt und
zur Bestimmung der Größe und des Vorzeichens der Drehgeschwindigkeit eine Einrichtung zur Ermittlung der Größe und des Vorzeichens des Ausgangssignals des Subtrahierers (14) vorgesehen ist.

Die Erfindung bezieht sich auf einen Drehgeschwindigkeitssensor auf der Basis eines Ringlasers mit

a) zwei Fotoaufnehmern für ausgekoppelte Strahlanteile der beiden gegenläufigen Wellenzüge,

b) einem Addierer für die Ausgangssignale der beiden Fotoaufnehmer,

c) einer Anordnung, mit der in Abhängigkeit vom dem Summensignal die Hohlraumlänge des Ringlasers stabilisierbar ist und

d) einem Subtrahierer für die Ausgangssignale beider Fotoaufnehmer.

Für einen Argon-Ionen-Ringlaser ist ein Versuchsaufbau bekannt, mit dem die Voraussetzungen für eine Stabilisierung eines derartigen zum Driften neigenden Ringlasers untersucht werden (IEEE, J. Qu. EU Vol.QE-8, No. 9, 1972, Seite 744-749). Bei diesem Versuchsaufbau erfolgt eine Modenselektion über einen angekoppelten Hilfs-Ringresonator.

Die Länge des Strahlenweges des Ringlasers wird über wenigstens einen senkrecht zu seiner Ebene verstellbaren Eckspiegel konstant gehalten. Die Lage dieses Eckspiegels wird in Abhängigkeit vom Summensignal von zwei Fotoaufnehmern für die ausgekoppelten Strahlanteile geregelt. Diese Hohlraumlängenstabilisierung hat sich in der Technik der Drehgeschwindigkeitssensoren auf der Basis eines Ringlasers als Standard durchgesetzt (US-PS 34 U 849, DE-OS 19 22 870 und 28 04 290).

Bei dem genannten Versuchsaufbau wird der Ringresonator über einen Bereich der Frequenz ν durchgestimmt und dabei die Differenz der beiden Ausgangsstrahlintensitäten gebildet. Der Nulldurchgang der Differenz dient dabei als Indikator für die Resonatorfrequenz v„ auf der Mitte der Atomlinie. Driftprobleme in Ringlasern sind seither durch Verwendung entsprechender Gasmischungen weitgehend gelÖSL

Bei Drehgeschwindigkeitssensoren auf der Basis von Ringiasern besteht ein wesentliches Problem darin, daß die Mindestdrehrate durch den sogenannten »Lock-in-Bereich« beschränkt ist. Der Lock-in-Bereich kann dadurch eingeengt werden, daß mit Hilfe elektro- oder magneto-optischer Elemente eine Phasenverschiebung ein sogenannter Bias erzeug: wird.

Bei einem bekannten Drehgeschwindigkeitssensor

κι (Phys. Rev, Vol. 152, No. 1, 1966, Seiten 467 bis 473) werden Strahlanteile durch Reflexion an den unter einem Brewsterwinkel liegenden Stirnseiten eines im Strahlungsgang liegenden Faradayelementes ausgekoppelt und von jeweils einer Fotodiode aufgenommen.

ι ϊ Bei den ausgeführten Drehgeschwindigkeitssensoren auf der Basis eines Ringlasers ist es bisher üblich, die Ausgangssignale über eine Überlagerungsoptik zu leiten. Die überlagerten Strahlanteile werden dabei auf einen Fotoaufnehmer gerichtet, auf dem dabei ein

2t) Interferenzstreifensystem entsteht, welches in Abhängigkeit von der Drehgeschwindigkeit ω an einem einzigen Fotoaufnehmer vorbeiläuft. Eine derartige Überlagerungsoptik ist ein optisches Präzisionsbauteil und die Justierung des Auslesesystems muß interferometrischer Genauigkeit erfolgen.

Drehgeschwindigkeitssensoren auf der Basis eines Ringlasers aus derzeitiger Fertigung sind daher aufvenoig in ihrem Aufbau und damit in ihrer Anwendung beschränkt auf Fälle, bei denen die Forderungen an eine hohe Auflösung den Aufwand rechtfertigen.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Drehgeschwindigkeitssensor aufzuzeigen, der eine Meßgenauigkeit aufweist, die größer ist als die, die bisher mit

3") Glasfaseriiiterferometern und passiven Ringresonatoren erreichbar ist, und der dabei einfach in seinem Aufbau ist.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß

e) der Ringlaser so ausgebildet ist, daß der zu vermessende Drehgeschwindigkeitsbereich innerhalb des Lock-in-Bereichs liegt und

Q zur Bestimmung der Größe und des Vorzeichens der Drehgeschwindigkeit eine Einrichtung zur Ermittlung der Größe und des Vorzeichens des Ai'sgangssignals des Subtrahieren vorgesehen ist.

Im nachstehenden wird unter Bezug auf die 5" Zeichnung ein Geschwindigkeitssensor im einzelnen beschrieben.

Fig. 1 zeigt ein Schaltschema eines Drehgeschwindigkeitssensors der gattungsgemäßen Art mit einer Auswertung des Differenzsignales der Ausgangssignale der beiden Fotoaufnehmer zur Anzeige der Drehrate.

F i g. 2 zeigt in Diagrammen die Drehgeschwindigkeit und die Differenz der Strahlintensitäten über der Zeit.

Der in F i g. 1 dargestellte Ringlaser wird gebildet aus

den drei Eckspiegeln 2,4 und 6 und dem Lasermedium 8.

«ι Im vorliegenden Falle ist die Resonanzraumgestaltung — Art und Zahl der verwendeten Spiegel —, die Ausführung der optischen Wellenleiter sowie der Typ des verwendeten Lasermediums und die Art der Integration des Mediums in den Resonanzraum ohne

^h"> Bedeutung. Der Resonanzraum kann in bekannter Weise gestaltet und optimiert sein.

Der Betrieb des Ringlasers ist allgemein bekannt und braucht an dieser Stelle nicht im einzelnen beschrieben

zu werden.

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Eckspiegel 6 teildurchlässig. In Fortsetzung der auf den Eckspiegel auftreffenden Strahlen sind Fotoaufnehmer 10 bzw. 12 angeordnet, die durch einen Strahlantei! beaufschlagt werden, der durch den Eckspiegel 6 hindurchtritt. Über den Fotoaufnehmer 10 wird der Strahlanteil gemessen, der im Ringlaser im Uhrzeigersinn umläuft und mit dem Fotoaufnehmer 12 der Strahlanteil, der entgegen dem Uhrzeigersinn umläuft. Aus den von den beiden Fotoaufnehmern 10 und 12 abgegebenen Signalen wird in dem Subtrahierer 14 die Differenz (Λ — I₂) gebildet.

Die von den beiden Fotoaufnehmern 10 und 12 abgegebenen Signale können gleichzeitig dazu verwendet werden, ein Stützsignal für einen Regelkreis zur Stabilisierung der Resonanzraumlänge zu schaffen. Zu diesem Zweck werden die Signale /i und /2 einem Summierer 24 aufgegeben, dessen Ausgangssignal über einen Hochspannungsverstärker 26 einen Piezoantrieb 28 an dem Eckspiegel 4 antreibt und dabei den Spiegel 2 parallel zu sich selbst verschiebt und damit die Resonanzraumlänge verändert.

Die Fotoaufnehmer 10 und 12 brauchen keine gesonderten, vom Eckspiegel 6 entfernt liegenden Bauelemente sein. Die Fotoaufnehmer können vielmehr in den Spiegel selbst integriert sein, beispielsweise auf der Rückseite des Spiegels angebracht sein, wobei ein schräger Strahlauffall unerheblich ist, da der Auftreffwinkel für beide Fotoaufnehmer jeweils gleich ist.

Statt einer Auskopplung von Strahlanteilen über einen Eckspiegel, wie im vorstehenden beschrieben, kann die Auskopplung auch an den Enden der zwischen den beiden Eckspiegeln 4 und 6 angeordneten Gasentladungsrohre 8 vorgenommen werden. Eine ; solche Auskopplung der Strahlanteile ist in Fig. 1 strichpunktiert dargestellt mit den Fotoaufnehmern 10' und 12'. Eine solche Anordnung hat den Vorteil, daß praktisch keine Energieauskopplung aus dem Ringlaser erforderlich ist. Für die Weiterverarbeitung genügen die -¹ ohnehin vorhandenen Abfallstrahlanteile. Es brauchen also für die Aufrechterhaltung des Betriebs nur die inneren Verluste des Ringlasers gedeckt zu werden. Ein weiterer Vorteil ist die daraus resultierende kleine Bauweise.

Bei bekannten Drehgeschwindigkeitssensoren wird zur Überwindung des Lock-in-Effektes oder Einrasteffektes insbesondere mit Hilfe magneto-optischer Verfahren eine periodische Phasenverschiebung, ein sogenannter Bias, in den Ringlaser eingebracht. Hierdurch ergibt sich dann der in Fig.2 oben dargestellte Kurvenverlauf für die Drehgeschwindigkeit über der Zeit.

Solange die Drehgeschwindigkeit des Sensors innerhalb des Lock-in- oder Einrasibereiches liegt, wird ein amplitudenmoduliertes Signal abgegeben und der Wert (h — h) ändert sich proportional mit der Drehgeschwindigkeit, und zwar nach Betrag und Vorzeichen. Innerhalb des Lock-in-Bereiches kann deshalb das vom Subtrahierer 14 gelieferte Differenzsignal als Signal eines Wendekreisels interpretiert werden.

Die Lock-in-Schwelle läßt sich zwar mit einem periodischen Bias nicht beliebig dicht an den Nullpunkt heranschieben — als bester Wert wurde bisher 30°/h erreicht. Die Lock-in-Schwelle läßt sich aber durch relativ einfache bekannte Maßnahmen im Ringlaser fast beliebig weit nach oben verschieben. Dadurch ist es möglich, über einen großen Drehgeschwindigkeitsbereich den Sensor unterhalb der Lock-in-Schwelle zu betreiben und zur Messung der Drehgeschwindigkeit das amplitudenmodulierte Signal (1\ — /_>) zu benutzen.

Der Vorteil dieses Ausleseverfahrens besteht darin, daß alle Probleme vermieden werden, die mit dem Lock-in-Effekt verbunden sind. Drehgeschwindigkeitssensoren dieser Art sind extrem einfach im Aufbau, da sowohl auf eine Bias-Technik zur Umgehung des Lock-in-Effektes als auch auf eine Auslese-Optik der bekannten Art verzichtet werden kann. Sie gehören vom Konzept her zu den »Billig-Sensoren« einer niedrigeren Genauigkeitsklasse und können wohl am besten mit den passiven optischen Drehgeschwindigkeitssensoren vom Sagnac-Typ verglichen werden. Mit einem Drehgeschwindigkeitssensor dieser Art konnten Drehgeschwindigkeiten von 2 · 10--"7sec nachgewiesen werden, ein Wert, der deutlich besser ist als alle Werte, die bisher mit Glasfaserinterferometern und passiven Ringresonatoren erreicht wurden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Drehgeschwindigkeitssensor auf der Basis eines Ringlasers mit

a) zwei Fotoaufnehmern für ausgekoppelte Strahlanteile der beiden gegenläufigen Wellen züge.

b) einem Addierer für die Ausgangssignale der beiden Fotoaufnehmer,

c) einer Anordnung, mit der in Abhängigkeit von dem Summensignal die Hohlraumlänge des Ringlasers stabilisierbar ist und

d) einem Subtrahierer für die Ausgangssignale beider Fotoaufnehmer,