DE3929239A1 - Ringlaserkreisel - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Ringlaserkreisel entsprechend den Merkmalen des Oberbegriffs der nebengeordneten Patentansprüche 1 und 2.

Bei Ringlaserkreiseln nach dem Stand der Technik werden die auf einem Aus­ koppelprisma aus den beiden umlaufenden Lichtstrahlen erzeugten Interferenz­ streifenmuster von zwei z.B. direkt auf dem Auskoppelprisma angeordneten Fotodioden erfaßt. Der Abstand der Fotodioden auf dem Auskoppelprisma zuein­ ander beträgt 1/4 des Interferenzstreifenabstandes. Das ergibt zwei um 90° zu­ einander phasenverschobene sinusförmige Signale. Die Bewegungsrichtung der auf dem Auskoppelprisma durchlaufenden Interferenzstreifenmuster entspricht dabei der Drehrichtung, die Bewegungsgeschwindigkeit entspricht der Drehrate des Kreisels.

Da bei beiden Signalen die Nulldurchgänge ausgewertet werden, wird eine relativ grobe Auflösung der Drehrate erreicht.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Auflösung und damit die Meßgenauigkeit eines Ringlaserkreisels mit einfachen Mitteln wesentlich zu erhöhen.

Diese Aufgabe wird durch die in den kennzeichnenden Teilen der Ansprüche 1 und 2 angegebenen Merkmale gelöst.

Bei einer ersten erfindungsgemäßen Ausführung werden zur Auflösungssteige­ rung auf dem Auskoppelprisma des Ringlaserkreisels n Fotodioden im Bereich eines halben Interferenzstreifenabstandes in gleichen Abständen zueinander angeordnet. Werden z. B. statt der bekannten Anzahl von zwei Fotodioden vier in gleichen Abständen zueinander auf dem Auskoppelprisma aufgebracht, verdoppelt sich die Auflösung des Laserkreisel-Ausgangssignals.

Die Auflösung läßt sich vervierfachen, indem acht Fotodioden so auf dem Auskoppelprisma angeordnet werden, daß der Abstand zweier benachbarter Fotodioden ¹/₁₆ des Interferenzstreifenabstandes beträgt. Die Anzahl der Nulldurchgänge des Laserkreisel-Ausgangssignals wird dadurch vervierfacht. Die Nulldurchgänge des Ausgangssignals liegen in diesem Fall in einem Ab­ stand von 180°/8 = 22,5°. Mit fortschreitender Entwicklung der Mikroelek­ tronik sind Fotodioden-Anordnungen möglich, die innerhalb des halben Inter­ ferenzstreifenabstandes noch mehr Fotodioden zulassen, so daß die Auflösung des Laserkreisels weiter gesteigert werden kann.

Den Fotodioden wird eine Phasenkorrekturschaltung nachgeschaltet. Die Pha­ senkorrekturschaltung ermöglicht eine Korrektur aller Fotodioden-Ausgangs­ signale. Die Fotodioden-Anordnungen werden auf dem Auskoppelprisma aufge­ klebt. Während des Aushärtens des Klebers wird die Fotodioden-Anordnung durch den Aushärtungsvorgang geringfügig dejustiert, so daß die Ausgangs­ signale der Fotodioden zueinander einen fehlerhaften Phasenwinkel aufwei­ sen. Durch die Phasenkorrekturschaltung werden die prozentual um den glei­ chen Betrag und in gleicher Richtung verschobenen Ausgangssignale der Foto­ dioden auf den korrekten Wert abgeglichen.

Die Phasenkorrekturschaltung besteht im wesentlichen aus einem mit einem einstellbaren Spannungsteiler rückgekoppelten Inverter und weiteren n-1 festen Spannungsteilern. Die Ausgangssignale der Fotodioden werden an den Inverter bzw. an die Spannungsteiler geschaltet. Durch Überlagerung der in der Phase zu korrigierenden Signale mit einem zwischen 0° und 180° ein­ stellbaren Signal werden alle Ausgangssignale der Fotodioden um den prozen­ tual gleichen Betrag und in gleicher Richtung in der Phase korrigiert.

Der Phasenkorrekturschaltung ist eine Auswerteschaltung nachgeschaltet. Die Auswerteschaltung enthält n/2 erste EXOR-Glieder, n/4 zweite EXOR-Glieder, n/8 dritte EXOR-Glieder usw. bis zur Bildung von nur zwei Ausgangssignalen.

Den ersten EXOR-Gliedern werden jeweils zwei um 90° gegeneinander in der Phase verschobene Signale zugeführt. Den zweiten EXOR-Gliedern werden die Ausgangssignale der ersten EXOR-Glieder zugeführt, wobei diese wiederum 90° gegeneinander in der Phase verschoben sind. Den dritten, und, wenn vor­ handen, weiteren folgenden EXOR-Gliedern, werden ebenfalls jeweils zwei um 90° gegeneinander verschobene Ausgangssignale der vorgeschalteten EXOR- Glieder zugeführt.

Die Anzahl der EXOR-Stufen ergibt sich aus der Anzahl der vorgeschalteten Fotodioden und somit der gewünschten Auflösung. Die letzte EXOR-Stufe be­ steht aus zwei EXOR-Gliedern, deren Ausgangssignale sowohl Winkelinkrement als auch Drehrichtungsinformation enthalten.

Bei einer zweiten erfindungsgemäßen Ausführung sind auf dem Auskoppelpris­ ma wenigstens zwei um 90° phasenverschoben angeordnete Fotodioden vorhan­ den. Aus dem 0°-Signal wird durch einen Inverter ein 180°-Signal erzeugt. Bei ungenauer Justage der Fotodioden wird das 90°-Signal durch eine Phasen­ korrekturschaltung korrigiert. Dabei wird zum dejustierten 90°-Signal ein geringer Anteil des 0°- bzw. 180°-Signals addiert. Die Ausgangssignale die­ ser Fotodioden und das 180°-Signal werden zur Steigerung der Auflösung auf einen Spannungsteiler mit n Widerständen geschaltet. Der Spannungsteiler erzeugt, mit einem bestimmten Verhältnis der Widerstände zueinander, an seinen Ausgängen Ausgangssignale, die zueinander um gleiche Beträge in der Phase verschoben sind.

Die Phasenkorrekturschaltung besteht im wesentlichen aus zwei Spannungstei­ lern. Dem ersten Spannungsteiler wird das in der Phase zu korrigierende Ausgangssignal der bei etwa 90° des Interferenzstreifenabstandes angeordne­ ten Fotodiode zugeführt. Der andere Punkt des ersten Spannungsteilers ist mit dem Abgriff eines zweiten, vom Ausgangssignal der bei 0° und 180° des Interferenzstreifenabstandes angeordneten Fotodiode erregten, Spannungstei­ lers verbunden. Das, wie in der ersten Ausführung durch Überlagerung gewon­ nene exakte 90°-Ausgangssignal der Phasenkorrekturschaltung wird am Abgriff des ersten Spannungsteilers abgenommen.

Durch die Anzahl der im Spannungsteiler angeordneten Widerstände läßt sich in dieser zweiten Ausführung die Auflösung des Ausgangssignals des Ring­ laserkreisels bestimmen.

Die Ausgangssignale des Spannungsteilers werden über Schmitt-Trigger einer Auswerteschaltung zugeführt, die, abhängig von der Anzahl der vorhandenen Signale, so aufgebaut sein kann wie die in der ersten Ausführung verwendete Auswerteschaltung.

Der zweite Spannungsteiler kann auch vom Signal einer bei 0° des Interfe­ renzstreifenabstandes angeordneten Fotodiode und von ihrem invertierten Signal erregt werden.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 den prinzipiellen Aufbau eines Ringlaserkreisels,

Fig. 2 ein sinusförmiges Interferenzsignal mit einer Fotodioden-Anordnung zur Steigerung der Auflösung,

Fig. 3 ein Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels mit 90°-Phasenkorrek­ tur und der Auflösungssteigerung durch Spannungsteiler,

Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel einer Phasenkorrekturschaltung für eine Auflösungssteigerung durch eine Fotodiodenanordnung mit vier Fotodioden,

Fig. 5 ein Ausführungsbeispiel einer Phasenkorrekturschaltung für eine Auflösungssteigerung durch einen Spannungsteiler,

Fig. 6 ein Ausführungsbeispiel einer Auswerteschaltung,

Fig. 7 die Ausgangssignale eines Spannungsteilers, bzw. einer Fotodioden- Anordnung, entsprechend der zweiten erfindungsgemäßen Ausführung, vor der Rechteckwandlung durch die Schmitt-Trigger-Stufe, die Eingangssignale der Auswerteschaltung entsprechend Fig. 6,

Fig. 8 die Signalverarbeitung der Eingangssignale nach Fig. 7 mit einer Auswerteschaltung entsprechend Fig. 6.

Die Fig. 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines Ringlaserkreisels mit den für diese Erfindung wesentlichen Teilen wie den Glaskeramik-Grundkörper 1, den Anoden 2, 14, den gasgefüllten Bohrungen 3, 7, 12 für die gegensinnig umlaufenden Lichtstrahlen, die Lichtstrahlen 4, 13, die Spiegel 5, 15, den teildurchlässigen Spiegel 9, das Piezoelement 6 zur Regelung der Licht­ strahlpfadlänge, die Kathode 8, das Auskoppelprisma 10, sowie die auf dem Auskoppelprisma angeordnete Fotodioden-Anordnung 11.

Die Fotodioden-Anordnung 11 kann, abhängig von der Ausführung der Erfindung, aus einer Vielzahl (n) von Fotodioden bestehen oder aus zwei oder drei Fotodioden.

Die Funktionsweise eines Ringlaserkreisels wird als bekannt vorausgesetzt und deswegen hier nicht näher erläutert.

Fig. 2 zeigt ein sinusförmiges Interferenzsignal mit einer Fotodiodenanord­ nung nach der ersten erfindungsgemäßen Ausführung zur Auflösungssteigerung.

Die Fotodioden-Anordnung 11 ist bei diesem Ausführungsbeispiel in der ersten Hälfte des sinusförmigen Interferenzstreifenmusters angeordnet. Zur Stei­ gerung der Auflösung des Kreiselsignals sind acht Fotodioden gewählt worden. Eine weitere Steigerung der Auflösung durch z.B. einer Verdopplung der acht Fotodioden ist problemlos möglich. Im vorliegenden Beispiel sind die Foto­ dioden in gleichmäßigen Abständen (22,5°) zueinander angeordnet. Die erste Fotodiode liegt bei 0°, die zweite bei 22,5°, die dritte bei 45° usw. Die achte Fotodiode, die zur Auflösungssteigerung des Kreiselsignals dient, ist bei 157° des Interferenzsignals angeordnet. Eine neunte Fotodiode liegt bei 180°. Die neunte Fotodiode dient zur Justage der Fotodiodenanordnung 11.

Die Fig. 3 zeigt ein Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels nach der zweiten erfindungsgemäßen Ausführung. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind auf dem Auskoppelprisma des Ringlaserkreisels zwei Fotodioden angeordnet. Die Fotodioden liefern die beiden gegeneinander um etwa 90° phasenverscho­ benen Signale 0° und ≈ 90° an die Eingangsklemmen A, B dieser Schaltung. Das 0°-Signal wird zur Erregung eines aus acht Widerständen bestehenden Spannungsteilers 19 über einen Verstärker 16 und über einen Inverter 17 geführt. Das gegenüber dem 0°-Signal um ≈ 90° phasenverschobene Signal liegt zusammen mit den zwei weiteren Ausgängen des Verstärkers 16 und des Inverters 17 an einer 90°-Phasenkorrektur 18 (Fig. 5). In dieser 90°-Phasen­ korrektur 18 wird das um ≈ 90° phasenverschobene Signal der bei ca. 90° des Interferenzsignals angeordneten Fotodiode exakt auf 90° eingestellt und als Eingangssignal des folgenden Spannungsteilers 19a verwendet. Der an einer Seite weiter mit einem 0°- und an der anderen Seite mit einem 90°-Signal erregte Spannungsteiler 19a liefert mit einem bestimmten Widerstandsverhält­ nis vier um jeweils 22,5° gegeneinander phasenverschobene Signale A bis D. Analog hierzu werden aus dem 90°-Signal und dem 180°-Signal durch den Span­ nungsteiler 19b die Signale E bis H erzeugt. Die Signale A bis H werden an die Eingänge der acht Schmitt-Trigger 20 gelegt.

Die Schmitt-Trigger 20 dienen zur Sinus-Rechteck-Wandlung der Signale. Die Ausgänge der Schmitt-Trigger 20 sind mit den Eingängen der Auswerteschaltung (Fig. 6) verbunden.

In den Fig. 4 und 5 sind Ausführungsbeispiele von Phasenkorrekturschaltun­ gen für beide Ausführungen detaillierter dargestellt.

Die Phasenkorrekturschaltung nach Fig. 4 dient zur Phasenkorrektur von, in diesem vereinfachten Fall, nur vier auf der Fotodioden-Anordnung 11 angeord­ neten Fotodioden entsprechend der ersten erfindungsgemäßen Ausführung.

Die Phasenkorrekturschaltung nach Fig. 5 dient zur Phasenkorrektur des 90°- Signals der bei ≈ 90° des Interferenzsignals angeordneten Fotodiode entsprechend der zweiten erfindungsgemäßen Ausführung.

Aus Fig. 4 ersieht man, daß die Ausgangssignale 0°, ∼45°, ∼90° und ∼135° der in diesem Fall vier auf der Fotodioden-Anordnung 11 befindlichen Foto­ dioden den Eingängen 24, 25, 26, 27 der Spannungsteiler 21, 22, 23, 32 zu­ geführt werden. Das Signal der bei 0° des Interferenzsignals angeordneten Fotodiode wird außerdem noch über einem Inverter 31 zur Erregung des Span­ nungsteilers 32 verwendet. Die anderen Punkte 28, 29, 30 der Spannungstei­ ler 21, 22, 23 sind zusammengeschaltet und auf den Abgriff des Spannungs­ teilers 32 geführt. Die in der Phase korrigierten Signale werden an den Spannungsteileranschlüssen 33, 34, 35 abgenommen.

Da an den Anschlüssen des im Rückkopplungskreis des Inverters 31 liegenden Spannungsteilers 32 ein 0°- und ein 180°- Signal anliegt, kann über den Abgriff des Spannungsteilers 32 ein Signal mit 0° oder 180° und einstell­ barer Amplitude abgenommen und den phasenverschobenen Signalen überlagert werden.

Diese Methode der Phasenkorrektur wird dadurch möglich, daß davon auszu­ gehen ist, daß alle auf der Fotodioden-Anordnung 11 befindlichen Fotodioden um einen prozentual gleichen Betrag in der gleichen Richtung phasenverscho­ ben sind. Sollte dies z.B. bei Anordnung von einzelnen Fotodioden auf dem Auskoppelprisma 10 nicht der Fall sein, so ist eine Einzel-Phasenkorrek­ tur, etwa nach Fig. 5, durchzuführen.

Bei der in Fig. 5 dargestellten Phasenkorrektur sind die Ausgangssignale 0° und ≈ 90° der bei 0° und 90° des Interferenzsignals auf dem Auskoppel­ prisma 10 angeordneten Fotodioden auf die Eingänge 36, 38 der Spannungs­ teiler 37, 39 geführt. Das zusätzlich von einem Inverter 17 (Fig. 3) invertierte Signal der 0°-Fotodiode erregt die andere Seite des Spannungs­ teilers 39. Die andere Seite des Spannungsteilers 37 ist mit dem Abgriff 41 des Spannungsteilers 39 verbunden. Das in der Phase korrigierte Signal wird am Spannungsteileranschluß 42 abgenommen. Auch bei dieser Phasenkor­ rekturschaltung kann über den Abgriff 41 des Spannungsteilers 39 ein Signal mit 0° oder 180° und einstellbarer Amplitude abgenommen und dem phasenver­ schobenen Signal ≈ 90° überlagert werden.

Die in Fig. 6 beispielsweise dargestellte Auswerteschaltung kann für beide erfindungsgemäße Ausführungen angewendet werden. Das dargestellte Beispiel ist für die Ausführungsbeispiele vorgesehen, bei denen die hohe Auflösung durch acht Fotodioden auf dem Auskoppelprisma 10 oder durch acht Widerstän­ de in den Spannungsteilern 19a und 19b erreicht wird. Die Auswerteschaltung enthält vier erste EXOR-Glieder 43. Diesen ersten EXOR-Gliedern 43 werden Signale, die exakt um 22,5° phasenverschoben sind (Fig. 8, A bis H), zuge­ führt, wobei an den beiden Eingängen jedes einzelnen EXOR-Gliedes zwei ge­ geneinander um 90° verschobene Signale anliegen. Die Ausgangssignale (Fig. 8, J, K, L, M) der ersten EXOR-Glieder 43 sind so mit den Eingängen der folgenden EXOR-Glieder 44 verbunden, daß jeweils zwei gegeneinander um 90° verschobene Signale an den Eingängen eines EXOR-Gliedes anliegen. Die Ausgangssignale (Fig. 8, N, O) der folgenden EXOR-Glieder 44 enthalten Winkel­ inkrement und Drehrichtung des Ringlaserkreisels. Das Winkelinkrement ist dabei in der Anzahl oder Impulse der am Ausgang der EXOR-Glieder 44 anste­ henden Signale enthalten. Die Drehrichtung ist daran zu erkennen, welches der beiden Signale gegenüber dem anderen vor- bzw. nacheilt.

Selbstverständlich ist die Auswerteschaltung erweiterbar für noch höhere Auflösungen, indem beispielsweise die Anzahl der zugeführten Signale und Anzahl der EXOR-Glieder verdoppelt wird. In diesem Fall sind acht erste, vier zweite und zwei dritte EXOR-Glieder vorhanden.

Bezugszeichenliste

 1 Glaskeramik-Grundkörper
 2 Anode
 3 Bohrung
 4 Lichtstrahl
 5 Spiegel
 6 Piezoelement
 7 Bohrung
 8 Kathode
 9 teildurchlässiger Spiegel
10 Auskoppelprisma
11 Fotodioden-Anordnung
12 Bohrung
13 Lichtstrahl
14 Anode
15 Spiegel
16 Verstärker
17 Inverter
18 90°-Phasenkorrektur
19a, 19b Spannungsteiler
20 Schmitt-Trigger
21, 22, 23 Spannungsteiler
24, 25, 26, 27 Spannungsteiler-Eingang
28, 29, 30 Spannungsteiler-Abgriff
31 Inverter
32 Spannungsteiler
33, 34, 35 Spannungsteiler-Ausgang
36 Spannungsteiler-Eingang
37 Spannungsteiler
38 Spannungsteiler-Eingang
39 Spannungsteiler
40 Spannungsteiler-Eingang
41 Spannungsteiler-Abgriff
42 Spannungsteiler-Ausgang
43, 44 EXOR-Glieder

Claims (10)

1. Ringlaserkreisel, bei dem aus den beiden umlaufenden Lichtstrahlen Interferenzstreifenmuster erzeugt werden, deren Bewegungsrichtung ein Maß für die Drehrichtung und deren Bewegungsgeschwindigkeit ein Maß für die Drehrate des Kreisels ist, bei dem die Interferenz­ streifenmuster mittels Fotodioden abgetastet und die Signale der Fotodioden einer Auswerteschaltung zur Darstellung der Drehrate zugeführt werden, dadurch gekennzeichnet, daß n Fotodioden (in 11) im Bereich eines halben Interferenzstreifenabstandes in gleichen Abständen zueinander angeordnet sind.

2. Ringlaserkreisel, bei dem aus den beiden umlaufenden Lichtstrahlen Interferenzstreifenmuster erzeugt werden, deren Bewegungsrichtung ein Maß für die Drehrichtung und deren Bewegungsgeschwindigkeit ein Maß für die Drehrate des Kreisels ist, bei dem die Interferenz­ streifenmuster mittels Fotodioden abgetastet und die Signale der Fotodioden einer Auswerteschaltung zur Darstellung der Drehrate zugeführt werden, dadurch gekennzeichnet, daß mit Hilfe wenigstens zweier Fotodioden (in 11) und n Widerständen (19a, 19b) jeweils n um 180°/n gegeneinander phasenverschobene Spannungen erzeugt und der Auswerteschaltung zugeführt werden.

3. Ringlaserkreisel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangssignale der n Fotodioden (in 11) einer Phasenkorrekturschal­ tung (21 bis 35) zugeführt werden.

4. Ringlaserkreisel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß je­ weils eine Fotodiode (in 11) bei 0° und 90° eines Interferenz­ streifenabstandes angeordnet ist.

5. Ringlaserkreisel nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal der bei 90° des Interferenzstreifenabstandes ange­ ordneten Fotodiode (in 11) in der Phase korrigiert wird.

6. Phasenkorrekturschaltung, insbesondere für einen Ringlaserkreisel nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenkorrektur­ schaltung (21 bis 35) n-1 Spannungsteiler (21, 22, 23) enthält, deren einem Punkt (25, 26, 27) die in der Phase zu korrigierenden Ausgangssignale von n-1 Fotodioden (in 11) zugeführt werden, deren andere Punkte (28, 29, 30) zusammengeschaltet und an einem Abgriff eines in einem Inverter (31)-Rückkopplungskreis liegenden Spannungs­ teilers (32) angeschaltet sind, wobei dem Inverter (31) das Ausgangs­ signal einer Fotodiode (in 11) als Referenzspannung zugeführt wird und die in der Phase korrigierten Signale am den n-1 Spannungstei­ leranschlüssen (33, 34, 35) abgenommen werden.

7. Phasenkorrekturschaltung, insbesondere für einen Ringlaserkreisel nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenkorrektur­ schaltung (36 bis 42) einen ersten Spannungsteiler (37) enthält, dessen einem End-Punkt (38) das in der Phase zu korrigierende Aus­ gangssignal der bei 90° des Interferenzstreifenabstandes angeordne­ ten Fotodiode (in 11) zugeführt wird, dessen anderer End-Punkt (41) mit dem Abgriff eines vom Ausgangssignal der bei 0° angeordneten Fotodiode und dem dazu invertierten Signal erregten zweiten Span­ nungsteilers (39) verbunden ist und daß das in der Phase korri­ gierte Signal an dem Abgriff des ersten Spannungsteilers (42) abge­ nommen wird.

8. Ringlaserkreisel nach den Ansprüchen 1, 3 und 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Phasenkorrekturschaltung (21 bis 35) eine Aus­ werteschaltung (43, 44) nachgeschaltet ist.

9. Ringlaserkreisel nach den Ansprüchen 2, 4, 5 und 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die um 180°/n gegeneinander phasenverschobenen Span­ nungen einer Auswerteschaltung (43, 44) zugeführt werden.

10. Auswerteschaltung, insbesondere für einen Ringlaserkreisel nach den Ansprüchen 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteschal­ tung n 1, digitale Glieder (43) enthält denen jeweils zwei um 90° gegeneinander versetzte Signale zugeführt werden, daß den 1. digita­ len Gliedern (43) weitere 2., 3. usw. digitale Glieder (44) bis zur Bildung von zwei Ausgangssignalen so nachgeschaltet sind, daß die Anzahl der weiteren 2., 3. usw. digitalen Glieder gegenüber der Anzahl der vorherigen digitalen Glieder halbiert ist, daß den wei­ teren digitalen Gliedern die Ausgangssignale der vorherigen digi­ talen Glieder zugeführt wird, daß der Flankenabstand der beiden Ausgangssignale ein Winkelinkrement und die Phasenlage der beiden Ausgangssignale zueinander die Drehrichtung des Ringlaserkreisels darstellt.