DE3150160C2 - - Google Patents
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- G01C19/58—Turn-sensitive devices without moving masses
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Ringlaserkreisel
nach dem Gattungsbegriff des Anspruchs 1.
Bei einem Ringlaserkreisel pflanzen sich beispielsweise
in einem dreieckförmigen Laserpfad zwei entgegengesetzt
umlaufende Lichtwellenzüge fort. Während
der eine Lichtwellenzug im Uhrzeigersinn (cw) sich
fortpflanzt, weist der andere Lichtwellenzug eine
hierzu entgegengesetzte Fortpflanzungsrichtung (ccw)
auf. In einem Inertial-Bezugssystem haben der cw-
und ccw-Lichtwellenzug der selben Mode die gleiche
Frequenz γ. Rotiert jedoch der Ringlaserkreisel
in einem Inertialraum, so besitzen nach der allgemeinen
Relativitätstheorie der cw- und ccw-Lichtwellenzug
folgende Differenzfrequenz:
Δ γ = K₀ · Ω (1)
wobei
In diesen Gleichungen bedeuten:
Δ γ= Ausgangs-DifferenzfrequenzΩ= Eingangs-Drehrateλ₀= Vakuum-Wellenlänge des Laserlichts
L₀= Optische Resonatorlänge
F₀= Resonatorfläche senkrecht zur Drehachse
des Kreisels
Diese Differenzfrequenz Δ γ kann durch teilweise Spiegel-Auskopplung
des cw- und ccw-Lichtwellenzugs mittels verschiedener
Methoden als Ausgangssignal gemessen werden
und liefert sodann nach Gleichung (1) die gesuchte Eingangs-Drehrate
Ω bzw. den Drehwinkel ϕ, wenn ein zeitintegrierendes
Impulszählverfahren angewandt wird.
Im Idealfall kann man die beiden entgegengesetzt umlaufenden
Lichtwellenzüge als voneinander unabhängig auffassen. In
der Praxis sind jedoch in jedem Ringlaserkreisel der cw-
und ccw-Lichtwellenzug in Folge von Energieaustausch miteinander
gekoppelt, wobei die Kopplung im wesentlichen
durch die geringfügige Lichtrückstreuung von einem Lichtstrahl
in den anderen an den Spiegeln erfolgt. Nach der
Theorie gekoppelter Oszillatoren stellt sich die tatsächliche
Ausgangs-Differenzfrequenz folgendermaßen dar:
Δ γ = ₀ für Ω Ω L
Die Aussage der Gleichung (1a) ist in Fig. 1 der Zeichnung
graphisch veranschaulicht, wobei die gestrichelte Kurve
den idealen Verlauf und die ausgezogene Kurve den tatsächlichen
Verlauf der Ausgangs-Differenzfrequenz Δ γ
in Abhängigkeit von der Eingangs-Drehrate Ω darstellt.
Aus Fig. 1 erkennt man, daß bei Eingangs-Drehraten,
die kleiner als die sogenannte Mitzieh-Schwelle Ω
(lock-in) sind, der Ringlaserkreisel kein Ausgangssignal
Δ γ liefert. Die gegenläufigen Lichtwellenzüge sind
bei kleiner Differenz ihrer Eigenfrequenz in einer gleichen
Schwingungsfrequenz miteinander verriegelt, d. h.
ihre Frequenzen ziehen sich mit. Dieser bekannte Mitzieheffekt
hat zur Folge, daß erst bei Eingangs-Drehraten Ω
oberhalb der Lock-in-Schwelle Ω L die Frequenzen der
beiden Lichtwellenzüge entkoppelt sind und man ein Ausgangssignal
Δ γ erhält.
Zur Vermeidung dieses Lock-in-Effektes bei niedrigen
Eingangs-Drehraten Ω ist es bekannt, den Ringlaserkreisel
um seine Eingangsdrehachse in mechanische Drehschwingungen
zu versetzen. In diesem Zusammenhang sei auf
die DE-PS 12 92 899, die DE-OS 28 39 066
und die US-PS 38 41 758 verwiesen. Die dem Ringlaserkreisel
mitgeteilte Zitterbewegung (Dither) ist hierbei
so zu bemessen, daß die momentane Drehrate Ω des Kreisels
auch ohne äußere Drehrate während des größten Teils der
Meßzeit über der Lock-in-Schwelle Ω L und im linearen
Teil der Kurve Δ γ ( Ω ) liegt. Der Nullpunktversatz des Ausgangssignales
Δ γ infolge der Zitterbewegung muß bei der
Signalauswertung korrigiert werden.
Im bekannten Fall (DE-OS 28 39 066) ist
der Laser an, nach Art eines Speichenrades angeordneten
Blattfedern aufgehängt, und das gesamte System wird durch
einen Antrieb in seiner Resonanzfrequenz sinusförmig in
Schwingungen versetzt, wobei der Antrieb durch Piezoelemente
erfolgt, die auf die Blattfedern aufgeklebt
sind und entsprechend angesteuert werden. In der
US-PS 38 41 758 versetzt ein elektromagnetischer Antrieb
den Laser in eine Zitterbewegung um eine Achse. Bei einer
sinusförmigen Drehschwingung mit der Kreisfrequenz
ω=2π γ ist der Drehwinkel ϕ des Laserkreisels folgendermaßen
vorgegeben:
ϕ = ϕ max · sin ω t (2)
Durch Ableitung nach der Zeit erhält man folgende momentane
Winkelgeschwindigkeit des Ringlaserkreisels:
oder
Ω = Ω max · cos ω t mit Ω max = ϕ max · ω (3a)
Der Verlauf der Signale ϕ und Ω ist in den Fig. 2a
und 2b dargestellt. Unter Bezugnahme auf diese Figuren und
die Gleichung (3a) läßt sich die Nicht-Totzeit für eine
Drehschwingungs-Viertelperiode folgendermaßen angeben:
Da die Gesamt-Meßzeit t gesamt durch vorgegeben ist,
stellt sich das Verhältnis von Nicht-Totzeit zur Gesamt-Meßzeit
folgendermaßen dar:
Das Verhältnis von Gesamt-Meßzeit zu Totzeit ist dann durch
folgenden Ausdruck gegeben:
Aus Gleichung (5) ist erkennbar, daß bei einer sinusförmigen
Dither-Drehschwingung die Zitteramplitude ϕ max
und die Zitterkreisfrequenz ω=2π γ so groß wie möglich gemacht
werden müssen, damit die Nicht-Totzeit ein Maximum erreicht.
Der sich gemäß Gleichung (6) ergebende Wert für V *
stellt ein wichtiges Gütekriterium für Ringlaserkreisel
dar.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher, bei einem Ringlaserkreisel
die Güte V *, d. h. das Verhältnis von Gesamt-Meßzeit
zu Totzeit, zu verbessern. Die Lösung dieser Aufgabe
gelingt gemäß der im Anspruch 1 gekennzeichneten Erfindung.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen
entnehmbar.
Der erfindungsgemäß formschlüssig an dem Ringlaserkreisel
angreifende Antrieb ist ein piezoelektrischer
Linearantrieb. Greift ein solcher Antrieb an einem als
Torsionsfeder ausgebildeten Träger des Ringlaserkreisels
an und spannt man diese Torsionsfeder vor, so folgt der
Kreisel der über den Antrieb befohlenen Bewegung, wobei
diese Bewegung von der Sinusform abweichen kann und die
Zitteramplitude und Zitterkreisfrequenz maximale Werte
erreichen können.
Aus der Zeitschrift "mikrowellen magazin", Heft 5, 1980,
S. 422, ist es bereits bekannt, durch einen im Laserpfad
angeordneten und entsprechend angesteuerten Magnetspiegel
abweichend von der Sinusform eine rechteckförmige Vorspannung
zu erzielen. Diese Magnet-Spiegel wirken sich
aber ebenso wie Faraday-Zellen aus anderen Gründen leistungsmindernd
auf Laserkreisel aus.
Ferner ist es aus der DE-OS 29 00 609 bereits bekannt,
einen piezoelektrischen Stapelantrieb für die Verstellung
eines Eckspiegels bei einem Laser und somit für die
Steuerung der Laserstrahllänge einzusetzen.
Anhand eines in den Figuren der beiliegenden Zeichnung
dargestellten Ausführungsbeispieles sei im folgenden die
Erfindung näher beschrieben. Es zeigt:
Fig. 1 ein Diagramm zur Veranschaulichung des
Lock-in-Effektes;
Fig. 2a und 2b Diagramme zur Veranschaulichung
der Totzeit im Verhältnis zur Meßzeit bei
einer sinusförmigen Dither-Bewegung;
Fig. 3a und 3b eine Draufsicht und eine Schnittansicht
eines erfindungsgemäßen Ringlaserkreisels;
Fig. 4a und 4b zwei für die Erzielung der Dither-Bewegung
verwendbare Piezo-Stapelantriebe;
und
Fig. 5a und 5b Diagramme zur Veranschaulichung des
Verhältnisses von Totzeit zu Meßzeit bei
einem in Schwingung versetzten
Ringlaserkreisel gemäß der Erfindung.
Gemäß den Fig. 3a und 3b besteht der eigentliche Ringlaserkreisel
aus einem dreieckförmigen Zerodurblock 10,
in den in bekannter Weise eine Laserröhre integriert
bzw. modular eingesetzt ist und der einen dreieckförmigen
Strahlengang aufweist, was jedoch nicht dargestellt ist.
In den Eckpunkten des Zerodurblockes 10 sitzen drei
Spiegel als Reflektoren mit Piezotreibern zum Resonatorlängenausgleich,
was durch Blöcke 11, 11′ und 11′′ angedeutet ist. An
einem der Spiegel erfolgt zudem eine Auskopplung der Lichtwellenzüge.
Der Zerodurblock 10 ist zwischen Scheiben 12 und 13 eingespannt.
Die Einspannung erfolgt hierbei am äußeren Rand
der Scheiben 12 und 13, indem diese im Randbereich eine
vergrößerte Dickenabmessung aufweisen. Zur Vorgabe des Verhaltens
einer Torsionsfeder sind beide Scheiben mit auf
einem Kreis angeordneten und durch Stege 14 getrennten Ausnehmungen
15 versehen. Die Scheiben bestehen vorzugsweise
aus Metall.
Ein ortsfester Lagerblock 16 weist einen zentralen, nach
oben gerichteten Gewindezapfen 17 auf. Über diesen Gewindezapfen
17 wird die untere Scheibe 13 mit einer zentralen
Ausnehmung geschoben und in Zapfennähe durch Schrauben 18 mit
dem Lagerblock 16 verbunden. Ein Absatz 19 an dem Lagerblock
16 verhindert einen Kontakt der unteren Scheibe 13 mit
dem Lagerblock 16 in einem Bereich, der sich von den Ausnehmungen
15 radial nach außen erstreckt. Die untere Scheibe
13 weist wenigstens einen sich radial nach außen erstreckenden
Arm 20 auf, an dem in tangentialer Richtung ein Abtrieb 21 angreift, der
auf Druck oder auf Zug arbeitet. Die obere Scheibe 12 ist mit einer
zentralen Gewindebohrung versehen, mit der sie auf den Gewindezapfen
17 aufgeschraubt wird, so daß sie den mittels
einer zentralen Öffnung 22 über den Gewindezapfen 17 geschobenen
Zerodurblock 10 zwischen sich und der unteren
Scheibe 13 im Randbereich einspannt.
Im Prinzip können mehrere synchron angesteuerte Antriebe
21, 21′ und 21′′ an mehreren radial gerichteten Armen 20, 20′
und 20′′ angreifen; es hat sich aber gezeigt, daß ein
einziger linearer piezoelektrischer Antrieb 21 ausreichend
ist, um die Ditherbewegung vorzugeben. Hierbei ist die
Torsionsfeder 12, 13 leicht vorgespannt, so daß der Antrieb
spielfrei und formschlüssig erfolgt.
Als Antriebe werden die in den Fig. 4a und 4b dargestellten
longitudinalen bzw. transversalen piezoelektrischen
Stapelantriebe 21 verwendet. Diese Antriebe besitzen sehr
hohe Stellkräfte, so daß mit ihnen gegen eine sehr hohe
Last ohne starke Abnahme des Stellwegs gearbeitet werden
kann. Daher kann man bei Verwendung eines solchen Antriebes 21
die Torsionsfeder 12, 13 extrem hart auslegen, so daß man
aufgrund der vergrößerten Federkonstanten gegenüber bekannten
Ditherantrieben eine sehr viel höhere Resonanzfrequenz des
Systems erzielen kann und mit Vorteil unterhalb der Resonanzfrequenz
arbeiten kann.
Unter bewußtem Verzicht auf Resonanzüberhöhungen kann man
aufgrund der großen Stellkraft des Motors auch unterhalb
der Resonanzfrequenz eine hinreichende Amplitude erzielen,
wobei sich eine von der Sinusform abweichende Ansteuerung
als besonders vorteilhaft erweist.
Es wird eine dreieckförmige Ditherbewegung
unterhalb der Drehpendel-Resonanzfrequenz vorgeschlagen,
was durch einen geeignet geformten Spannungsverlauf bei
der Ansteuerung des Piezoantriebs (vorprogrammiert oder
über einen Regelkreis) sowie eine geeignet gewählte Drehpendeldämpfung
erreichbar ist.
Aus den Fig. 5a und 5b ist erkennbar, daß bei einer
solchen Ansteuerung eine wesentliche Verringerung der Kreisel-Totzeit
gegenüber den in den Fig. 2a und 2b dargestellten
bekannten Verhältnissen erreicht wird. In den Fig. 5a
und 5b ist durch die ausgezogene Linie jeweils der ideale
Verlauf und durch die gestrichelte Linie der tatsächliche
Verlauf des Drehwinkels und der Drehrate über der Zeit dargestellt.
Um bei einer periodischen Zeitverteilung der Mitzieh-Intervalle
zu verhindern, daß sich bei bestimmten Eingangs-Drehraten
ein Fehlersignal akkumulativ aufbaut, kann mit Vorteil die
Dreieckschwingung moduliert werden. Dies kann einmal geschehen
durch eine statistisch verteilte, symmetrische Frequenzmodulation
der Dreieckschwingung ( Δ γ≈0,1q ) und/oder durch
eine Amplitudenmodulation der Dreieckschwingung mit einer
regellos auftretenden, kleinen Schwingungskomponente.
Es ist festzuhalten, daß die Kreisel-Totzeit minimal wird,
wenn man bei der kleinsten möglichen Periodenfrequenz
der Dreieckkurve den Kreisel in Schwingung versetzt und das
mechanische Drehpendel demgegenüber eine möglichst hohe Eigenfrequenz
besitzt. Die Totzeit wird dann durch die reale Form
der Dreieckspitze bestimmt, deren Krümmungsradius nicht größer
als die Sinusspitze im Resonanzfall sein wird. Gegenüber bislang
bekannten Laserkreiseln kann der eingangs erwähnte Gütefaktor
um einen Faktor in der Größenordnung von zwei Zehnerpotenzen
angehoben werden.
Claims (6)
1. Ringlaserkreisel mit einer den den Laserhohlraum
enthaltenden Block mechanisch in Drehschwingungen
versetzenden Vorrichtung zur Vermeidung eines
Mitzieheffektes, welche Vorrichtung einen als
Torsionsfeder ausgebildeten Träger zwischen einer
ortsfesten Abstützung und dem Block sowie einen an dem
Träger angreifenden piezoelektrischen Antrieb aufweist,
gekennzeichnet durch folgende
Merkmale:
- a) der piezoelektrische Antrieb ist ein als Stapelantrieb ausgebildeter Linearantrieb (21) und greift tangential und formschlüssig an dem Träger (12, 13), der in der Ruhestellung des Linearantriebs (21) vorgespannt ist, an; und
- b) die Erregung des Linearantriebs (21) erfolgt mit einer von der Sinusform abweichenden und gegenüber dieser verkürzte Umkehrintervalle aufweisenden Schwingung.
2. Ringlaserkreisel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der Träger zwei Scheiben
(12, 13) aufweist, die mit auf einem Kreis angeordneten
Ausnehmungen (15) versehen sind und die im Randbereich
eine vergrößerte Dickenabmessung haben, daß der Block
(10) zwischen den beiden Scheiben (12, 13) eingespannt
ist und daß das Zentrum der Scheiben (12, 13) mit der
ortsfesten Abstützung (16, 17) verbunden ist.
3. Ringlaserkreisel nach Anspruch 1, gekennzeichnet
durch eine in ihrem zeitlichen
Verlauf dreieckförmige Schwingungsform.
4. Ringlaserkreisel nach Anspruch 3, dadurch
gekennzeichnet, daß die Erregerfrequenz
unterhalb der Resonanzfrequenz des federnd gelagerten
Kreisels liegt.
5. Ringlaserkreisel nach Anspruch 3, gekennzeichnet
durch eine statistisch verteilte,
symmetrische Frequenzmodulation der Dreieckschwingung.
6. Ringlaserkreisel nach Anspruch 3, gekennzeichnet
durch eine Amplitudenmodulation
der Dreieckschwingung durch Überlagerung einer regellos
auftretenden kleinen Schwingungskomponente.
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