DE4337857C2

DE4337857C2 - Verfahren für die Auswertung der Drehung der Polarisationsebene eines Meßwandlers

Info

Publication number: DE4337857C2
Application number: DE19934337857
Authority: DE
Inventors: Hartwig Dipl Ing Senftleben
Original assignee: Felten and Guilleaume Energietechnik AG
Current assignee: Luna Innovations Germany GmbH
Priority date: 1993-11-05
Filing date: 1993-11-05
Publication date: 1997-09-18
Anticipated expiration: 2013-11-06
Also published as: DE4337857A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren für die Auswertung der Drehung der Polarisationsebene eines Meßwandlers nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs. Die Erfindung geht von einem Meßwandler des Typs aus, der in der Veröffentlichung "Electronic-Digital Detection System . . ." von Valente et al. (SPIe VOl. 1584 Fiber Optic and Laser Sensors IX, 1991 pp 96-102) beschrieben wurde.

Solche Meßwandler arbeiten in der Regel auf der Basis des magnetooptischen und/oder elektro-optischen Effekts. In der genannten Veröffentlichung handelt es sich um einen Faraday- Stromwandler. Der Meßfühler des zitierten Meßwandlers ist ein um einen stromdurchflossenen Leiter gewundenen Lichtwellenleiter. In der polarimetrischen Anordnung mit einem Polarisator und zwei Analysatoren werden zwei optische Signale erzeugt. Diese werden gewandelt und einer Einrichtung zur Auswertung zugeführt, wo die Drehung der Polarisationsebene ermittelt wird.

Meßwandler nach dem Oberbegriff erzeugen ein Signal, dessen Intensität I gemäß Gesetz von Malus I = I₀ cos²(ϕ-α) vcon der zum Drehwinkel ϕ proportionalen Meßgröße abhängt. Zur Bestimmung des Meßwerts muß daher die inverse Übertragungsfunktion verwendet werden, hier also die arccos-Funktion. Die allen polarimetrischen Sensoren gemeinsame, cos-förmige Sensorcharakteristik ist allerdings für große Werte des Drehwinkels ϕ(|ϕ|<±45°) mehrdeutig.

Einen sehr einfachen Ansatz zur Lösung dieser Mehrdeutigkeit stellt das in der Patentschrift EP 0 125 329 B1 beschriebene Zählverfahren dar. Ein zur Meßgröße proportionales Ausgangssignal entsteht, indem die Halbwellen der cos-förmigen Sensorcharakteristik gezählt werden. Prinzipiell sind dazu mindestens zwei Kanäle mit unterschiedlich orientierten Analysatoren erforderlich, damit aus den resultierenden, phasenverschobenen Intensitätsverläufen die Zählrichtung bestimmt werden kann. Während dieses Verfahren zwar auf einfache Weise realisiert werden kann, besitzt es jedoch nur eine grobe Winkelauflösung. Bei dem Zählverfahren ergibt sich z. B. aus den drei Kanälen mit unterschiedlich orientierten Analysatoren eine minimale Winkelauflösung von nur ϕ_min=30°.

Bei dem Verfahren von Valente et al. werden zusätzlich zu einem Zählverfahren mit einer Auflösung von 180° Zwischenwerte erzeugt. Es werden die arccos-Werte des einen Fotodetektorsignals und das Vorzeichen des zweiten Fotodetektorsignals zur Umrechung benutzt. Damit bildet das Verfahren, zu deren technischen Umsetzung auch digitale Komponenten eingesetzt werden, die arccos-Funktion mit erweitertem Wertevorrat nach.

Da wegen der Quantisierung des Fotodetektorsignals durch die eingesetzten digitalen Komponenten zur Analog-digital-(A/D)-Wandlung (mit 8 bit) nur eine begrenzte Anzahl (256) von Werten auftreten kann, wird ein Festwertspeicher zur Realisierung der arccos-Funktion verwendet. Das Ergebnis der abschnittweisen Linearisierung steht dann am Datenausgang dieses Festwertspeichers an und bildet (unter Voraussetzung einer Dualzahlendarstellung) die niederwertigen Bit des zum Drehwinkel ϕ proportionalen Ausgangssignals, das sich hierdurch und durch den Ausgang des Zählers (höherwertige Bit) zusammensetzt.

Bei einer linearen Sensorcharakteristik ergäbe sich theoretisch eine gleichmäßige Quantisierung dieses Signals mit einer maximalen Winkelauflösung von 0,7° (180°/2⁸). Aufgrund der cos- förmigen Sensorcharakteristik ergibt sich jedoch als Nachteil des Verfahrens nach Valente et al. eine starke Abhängigkeit der Genauigkeit vom Wert der Meßgröße sowie eine reduzierte Winkelauflösung für bestimmte Drehwinkel.

Es ist Aufgabe der Erfindung, die Genauigkeit, insbesondere die Winkelauflösung des Verfahrens zu verbessern.

Die Erfindung besteht in dem im Merkmal des Hauptanspruchs angegebenen Verfahren. Vorteilhafte Weiterbildungen werden in den Unteransprüchen aufgezeigt.

Durch die Verwendung beider Signale x und y wird gegenüber dem zitierten Verfahren von Valente et al. eine höhere Genauigkeit und damit eine feinere Winkelauflösung bei deutlich geringerer Abhängigkeit von der Meßgröße erreicht.

Nach gängiger Technik werden zur Wandlung der optischen Signale Fotodetektoren eingesetzt, es ist aber auch denkbar, andere Elemente (nicht-elektronische) zu verwenden. Unabhängig jedoch von der Art der Wandlung werden im folgenden die gewandelten optischen Signale als Fotodetektorsignale bezeichnet. Die Erfindung kann nicht nur für Faraday- Stromwandler oder verwandte Typen angewendet werden; sie kann überall dort eingesetzt werden, wo ein optischer Effekt vorliegt, bei dem eine Meßinformation direkt in einen Polarisationsebenendrehwinkel überführt wird, oder wie beispielsweise beim Pockels-Effekt möglich, indirekt durch Überführung einer Phasenverschiebung in eine Polarisationsebenendrehung.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird bei gleichzeitig feiner Winkelauflösung der Meßgröße auch der Bereich abgedeckt, in dem zwischen Fotodetektorsignal und Meßgröße (ϕ) aufgrund der cos-förmigen Sensorcharakteristik ein mehrdeutiger Zusammenhang besteht. Darüber hinaus liefert die Erfindung Maßnahmen, welche die maximale Genauigkeit der Signalauswertung unabhängig vom Wert der Meßgröße sicherstellen.

Bei einer polarimetrischen Anordnung nach der Erfindung mit zwei bezüglich der nicht gedrehten Polarisationsebene (ϕ=0°) (z. B. Strom=0) symmetrisch orientierten Analysatoren (Analysatorwinkel+α und -α) haben die Fotodetektorsignale die Form:

U₁ = γ₁SI₀cos² (ϕ-α) = ½γ₁SI₀(1+cos(2(ϕ-α)))

und

U₂ = γ₂SI₀cos² (ϕ+α) = ½γ₂SI₀(1+cos(2(ϕ+α)))

mit I₀ als Strahlungsintensität vor den Analysatoren und den Dämpfungswerten γ₁, γ₂ der optischen Übertragungsstrecken zwischen Analysatoren und Fotodetektoren und mit der Steilheit S der Fotoverstärker.

Für den Fall gleicher Dämpfung auf beiden Übertragungswegen (γ₁=γ₂=γ) lassen sich die Fotodetektorsignale U₁ und U₂ auf einfache Weise mit folgender Beziehungen zu U_1N und U_2N normieren:

U_1N = 2U₁/(γ₁SI₀)-1 und U_2N = 2U₂/(γ₂SI₀)-1 (Gl.1)

bzw. durch Benutzung der zuvor geschriebenen Beziehungen entsteht:

U_1N = cos(2(ϕ-α)) und U_2N = cos(2(ϕ+α)) (Gl.2).

Die normierten Signale U_1N und U_2N sind dann Wechselsignale, die zwischen den Werten 1 und -1 oszillieren.

Für voneinander abweichende Dämpfungen der Übertragungswege (γ₁≠γ₂), mit denen bei Verwendung von Lichtwellenleiter-Übertragungsstrecken zwischen Analysatoren und Fotodetektoren zu rechnen ist, sind andere Maßnahmen zur Erzeugung der normierten Signale erforderlich.

Es wird daher vorgeschlagen, die Analysatorsignale U₁ und U₂ auf ihre (positiven) Amplituden U_1S und U_2S zu normieren. Für den technisch wichtigen Fall eines sin-förmig verlaufenden Drehwinkels ϕ(t)=ϕ_Ssinωt sind die Amplitudenwerte U_1S=γ₁SI₀/k(ϕ_S) und U_2S=γ₂SI₀/k(ϕ_S), wobei ein Normierungsfaktor k(ϕ_S) auftritt. Dieser ist k(ϕ_S) = 1/cos²(ϕ_S-α) für ϕ_S<α und k(ϕ_S)=k=1 für ϕ_Sα.

Für eine große Drehwinkelamplitude ϕ_Sα ist damit die Normierung durch

U_1N = 2U_x-1 sowie U_2N = 2U_y-1 mit U_x = U₁/U_1S und U_y = U₂/U_2S (Gl. 3)

auf einfache Weise realisierbar. Für kleinere Drehwinkelamplituden als die Größe des Analysatorwinkels (ϕ_S<α) ergibt sich jedoch durch die Abhängigkeit von der Drehwinkelamplitude ϕ_S eine systematische Abweichung, so daß U_1N, U_2N nach Gl. 3 nicht mehr der Bedingung der Gl. 2 gehorchen. Trotzdem erfüllen die Signale U_1N=2U_x-1 und U_2N=2U_y-1 die Forderung |U_1N|<1 bzw. |U_2N|<1. Eine Korrektur der systematischen Abweichung kann durchgeführt werden, da z. B. für ϕ(t)=0 gilt: U_x=U_y=k(ϕ_S)cos²α. Aufgrund des festen Analysatorwinkels α ergibt sich hieraus der Normierungsfaktor k(ϕ_S). Nach Zwischenspeicherung dieses Werts kann durch Division darauf normiert werden, so daß die Abhängigkeit von der Drehwinkelamplitude ϕ_S und damit die Abweichung von Gl. 2 entfällt: U_1N=2U_x/k(ϕ_S)-1 und U_2N=2U_y/k(ϕ_S)-1.

Eine schaltungstechnische Lösung wird in Fig. 1 skizziert. Das Steuersignal zur Zwischenspeicherung von k ergibt sich aus den Schnittpunkten U_x=U_y, die mit dem bei ϕ=0 vorliegenden Wert übereinstimmen. Für α<45° sind U_x=U_y größer als 0,5 und für 45°<α<90° sind U_x=U_y kleiner als 0,5. Dieser Wert k(ϕ) wird durch Einsatz eines Fensterkomparators (F-K) in Zusammenhang mit einem Sample (S) mit einem Verstärkungsfaktor v=1/cos²α bereitgestellt.

Die Erfindung wird in den Figuren näher beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 eine Normierungsschaltungsanordnung,

Fig. 2 eine Auswerteschaltungsanordnung,

Fig. 3 den Aufbau des Logikbausteins L1 aus Fig. 2,

Fig. 4 den Impulslaufplan,

Fig. 5 den Aufbau des Bausteins "Zeitsteuerung/Fehlerunterdrückung" und

Fig. 6 den Signalverlauf und die Fehlerabweichung.

Eine digitale Auswerteschaltung mit abschnittweise abwechselnder Auswertung von x und y wird im Blockschaltbild der Fig. 3 beschrieben. Bei dieser Ausgestaltung werden die normierten Signale U_1N und U_2N zunächst mit A/D-Wandlern in die zeitlich diskretisierten, digitalisierten Signale x und y gewandelt. Zur optimalen Ausnutzung aller Bits der A/D- Wandler ist gegebenenfalls eine Anpassung (Verstärkung) der normierten Signale U_1N und U_2N auf den Eingangsspannungsbereich der verwendeten A/D-Wandler sinnvoll. Die Signalverarbeitung wird hierdurch jedoch nicht beeinträchtigt, weil Maximum und Minimum der digitalisierten Signale x bzw. y für die weiteren Betrachtungen als 1 bzw. -1 (= Definitionsbereich der arccos-Funktion) aufgefaßt werden und damit den Extremwerten der normierten Signale U_1N und U_2N entsprechen.

Eine Logikschaltung L1 erzeugt aus den digitalen Signalen x und y im wesentlichen ein abschnittweise aufbereitetes Linearisierungssignal L sowie Steuersignale CLK (Zählimpuls) und U/D* (Zählrichtungs-Bit) für einen Zähler COU. Der dem Drehwinkel ϕ entsprechende Meßwert S setzt sich (auch entsprechend dem Verfahren von Valente et. al.) zusammen aus dem Ausgang (Zählwert Z) des Zählers COU (höherwertige Bits) und dem Linearisierungswert L (niederwertige Bits). Das entspricht bei Verwendung der Dualzahlendarstellung der Addition S=Z+L.

Die Analysatorwinkel α₁, α₂ sind in Abstimmung mit dem Auswerteverfahren frei wählbar. In jedem Fall muß jedoch der Fall α₁, α₂=±45° mi einer Phasenverschiebung von 180° zwischen den Fotodetektorsignalen ausgenommen werden, weil hierfür die Bestimmung der Zählrichtung nicht möglich ist. Die Zählrichtung ergibt sich aus der Phasenverschiebung zwischen den Taktsignalen T1 und T2 (siehe unten); für α₁,α₂ = ±45° beträgt diese Phasenverschiebung immer 180° und die Absolutwerte der Steigung der Signale sind immer gleich.

Das Verfahren zur Erzeugung dieser Signale wird nachfolgend mti den zugehörigen Schaltskizzen beispielhaft angegeben. Das Kernstück der Meßsignalauswertung bildet die genannte Logikschaltung L1 mit den Ausgängen L, CLK und U/D*. Für die Beschreibung der Abläufe wird dabei, ohne die Erfindung einzuschränken, eine symmetrische Stellung der Analysatorwinkel gewählt, wobei eine besonders günstige Stellung bei α₁=+22,5° und α₂=-22,5° liegt. Dann besteht die günstigste Phasenverschiebung (90°) zwischen den Fotodetektorsignalen. Die Fotodetektorsignale verhalten sich in diesem Fall bezüglich ihrer Steigungen komplementär, d. h. die Steigung des einen ist maximal, wenn die des anderen minimal (null) ist.

Erfindungsgemäß wird vorzugsweise jeweils das Fotodetektorsignal mit der momentanen absoluten größeren Steigung zur Berechnung des Linearisierungssignals L benutzt.

In einem Festswertspeicher EPR sind die Werte der Umkehrfunktion (hier arccos) enthalten. Die Momentanwerte der Fotodetektorsignale (oder entsprechend ihre normierten, bzw. digitalisierten Signale x und y) werden abwechselnd auf den Festwertspeicher EPR gegeben, wo die Umrechnung unter Berücksichtigung der Signale x/y* und T1 (s. u.) vorgenommen wird.

Da die Steigung der cos-förmigen Signale für alle Drehwinkel ϕ bekannt ist, wird die Umschaltbedingung direkt aus den Momentanwerten jedes der Signale abgeleitet (also ohne Differentiation). Zur Erzeugung eines den Wechsel zwischen den Signalen herbeiführenden Umschaltsignals x/y* werden die Signale x und y bzw. x und -y verglichen und gemäß der Bedingungen x<y oder x<-y durch ein Exklusiv-ODER verknüpft: x/y*=(x<y) XOR (x<-y). Der Vergleich findet in Komparatoren statt, an deren Ausgängen, abhängig von den genannten Bedingungen, die Taktsignale T1, T2 und CLK anstehen. Für x/y*=1 weist das Fotodetektorsignal x die größere absolute Steigung auf, ansonsten (x/y*=0) weist y die größere absolute Steigung auf. In den Umschaltpunkten ist der Absolutbetrag der Steigungen der Fotodetektor-Signale gleich: |dx/dϕ|=|dy/dϕ|. Die Bildung von -y wird in der Dualzahlendarstellung durch bit-weise Invertierung von y vorgenommen. Aus der Bestimmung des Signals mit der momentan größeren Steigung wird eine Zählrichtung (Zählrichtungssignal U/D*) bestimmt. Der Zeitpunkt zur Erzeugung eines Zählimpulses CLK (CLK=1) wird bestimmt durch die Bedingung x=y. Ist die Bedingung nicht erfüllt, dann ist CLK=0.

Die Signale L, CLK und U/D* sind durch folgende Formeln bestimmt:

L = ½ arcoss(x)+α für (x/y*) = 1 und (x<y) = 1
L = 90°-½ arccos(x)+α für (x/y*) = 1 und (x<y) = 0
L = ½ arccos(y) - α für (x/y*) = 0 und (x<y) = 1
L = 90°-½ arcoss(y) - α für (x/y*) = 0 und (x<y) = 0
CLK = (x≡y); U/D* = x/y*.

Diese Gleichungen gelten zunächst für α<45°. Für 45°<α′<90° finden sie nach Vertauschen von x und y und α=90°-α′ ebenfalls Verwendung. Alle Analysatorwinkel a′′<90° lassen sich auf diese Grundintervalle zurückführen.

Der Wertevorrat des Linearisierungssignals L kann (wie schon erwähnt) durch Tabellen (vorzugsweise in einem Festwertspeicher) zur Verfügung gestellt oder mit einem schnellen Prozeßrechner berechnet werden. Bei dem digitalen Linearisierungswert L entspricht der niedrigste Wert einem Drehwinkel von 0° und der höchste Wert einem Winkel von 90°. Demnach zählt der Zähler in 90°-Schritten.

Anhand des zeitlichen Verlaufs der einzelnen Signale während einer Periode eines sin-förmigen Drehwinkels ϕ(t) veranschaulicht Fig. 4 dieses Verfahren im Detail.

Da mit der Logikschaltung L1 oder mit einem Rechner lediglich Momentanwerte ausgewertet werden, sind keine Zwischenspeicher zur Erzeugung der Signale L, CLK bzw. U/D* erforderlich. Da außerdem eine begrenzte Anzahl von Eingangswerten auf eine ebenfalls begrenzte Anzahl von Ausgangswerten abgebildet wird, wird vorzugsweise vorgeschlagen, alle vorgenannten Verarbeitungsschritte in einem einzigen Festwertspeicher mit geeignetem Inhalt unterzubringen. Eine solche Ausgestaltung ist mit gängigen elektronischen Mitteln und Verfahren machbar; sie wird daher nicht detailliert wiedergegeben, sondern nur in Fig. 3 dadurch angedeutet, daß dort mit dem Bezugszeichen L1 die Zusammenfassung der abgebildeten Bauelemente in einem Festwertspeicher dargestellt ist.

Durch die Verwendung von Festwertspeichern mit typischerweise 16 Adreßleitungn würde sich zunächst eine beschränkte Auflösuung für die Signale x und y auf jeweils 8 bit ergeben. Ob die hieraus resultierende Winkelauflösung den Anforderungen an eine Meßsignalauswertung entspricht, wäre individuell zu prüfen. Bei der Verwendung größerer Halbleiterspeicher ist eine Verbesserung denkbar.

Es sind Abweichungen des Ausgangssignals (Meßwert S) vom tatsächlichen Drehwinkel ϕ vorhanden, die durch systematische Fehler zustande kommen. Diese sind zum Teil korrigierbar. Während der Quantisierungsfehler prinzipiell auftritt, kann eine Fehlerabweichung ϕ-S erfindungsgemäß vergleichmäßigt und in symmetrische Lage zu null gebracht werden. Die Abweichung rührt her von der cos-Charakteristik; durch sie wird ein systematischer Fehler in Abhängigkeit von der Steigung erzeugt. Zur Fehlerbehebung wird bei der Berechnung des Linearisierungswerts L gemäß der folgenden Bedingung jeweils der Wert mit der geringsten Abweichung vom Drehwinkel ϕ ausgegeben: L′=f(x,y) mit |ϕ-L′|=min. (⇒|ϕ-S|=min.).

Die Zuordnung L′=f(x, y) unterscheidet sich dabei nur geringfügig von den oben genannten Gleichungen für den Linearisierungswert L, und zwar genau um den korrigierbaren systematischen Fehler. Zur Realisierung bietet sich für diese Verfeinerung des Verfahrens ebenfalls eine Variante mit in Festwertspeicher ausgeführter Logikschaltung an. Diese Ausgestaltung basiert auf der simultanen Auswertung von x und y, d. h. es wird nicht funktional zwischen den Fotodetektorsignalen umgeschaltet.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung kann zu einer wesentlichen Vereinfachung der gesamten Auswerteschaltung durch Vereinfachung der Normierungsschaltung führen. Da sich die durch Digitalisierung von U_1N′=2U_x-1 sowie U_2N′=2U_y-1 (entspricht Gl. 3) entstehenden Wertepaare (x, y)′ für alle Drehwinkelamplituden ϕ_S - auch für ϕ_S<α - eindeutig einem Drehwinkel ϕ zuordnen lassen, kann die Korrektur der bei der Normierung auftretenden systematischen Abweichung von Gl. 2 anstatt durch die zweite Normierung ebenso durch Anpassung des Festwertspeicher-Inhalts realisiert werden. Dadurch entfällt die in Fig. 1 strichliert umrandete Schaltung L0 und es ergibt sich bei maximaler Ausnutzung der Fotodetektorsignale eine schaltungstechnische Minimalkonfiguration (bestehend aus Scheitelwertmesser, Dividierer, A/D-Wandler, Festwertespeicher und Zähler).

Hinsichtlich einer praktischen Realisierung der Erfindung sind noch verschiedene Randbedingungen zu beachten.

Zeitliche Steuerung

Für die Steuersignale des Zählers COU gilt allgemein, daß die Information über die Zählrichtung U/D* um eine von den Spezifikationen des Zählers abhängige Zeitspanne τ eher als der Zählimpuls eintreffen muß. Dazu wird vorgeschlagen, eine Verzögerung des Zählimpuls- Signals CLK um den kleinen Betrag τ und die Zwischenspeicherung des Zählrichtungssignals U/D* bei jeder positiven Flanke des CLK-Signals vorzunehmen, so daß gilt: CLK′=CLK(t-τ) und U/D*′=U/D*(↑CLK).

Darüber hinaus werden Linearisierungswert L und Zählwert Z synchronisiert, weil aus der zeitlichen Diskretisierung bzw. Quantisierung von x bzw. y beim Auftreten des Zählimpulses ein zeitlicher Versatz zwischen Linearisierungswert L und Zählwert Z auftritt, so daß der Meßwert S kurzzeitig fehlerhaft ist. Mit Hilfe des verzögerten Zählrichtungssignals CLK′ und dem üblicherweise von A/D-Wandlern zur Verfügung gestellten DR-Signal (DR=Data Ready), das die Gültigkeit der Daten anzeit, wird ein die Zwischenspeicherung des Linearisierungswerts L und des Zählwerts Z verzögernder Steuerimpuls DR′ abgeleitet:

DR′ = (CLK′*).

Fehlererkennung und -unterdrückung

Aufgrund der Sensorcharakteristik sind bei vorgegebenen Analysatorwinkeln nur bestimmte Kombinationen von x und y möglich. Tritt ein davon abweichendes Wertepaar (x, y) auf (vgl. Gl. 2), weist das auf eine Fehljustierung der Analysatoren oder eine Störung in den elektronischen Signalen hin (z. B. Rauschen). Durch Nutzung des Festwertspeicherausgangs ERR kann dieser Fehler beispielsweise angezeigt werden und/oder durch Berücksichtigung in verzögerte Steuersignale DR′ gemäß: DR′=(ERR*′*) zur Unterdrückung des Ausgangssignals benutzt werden. Dadurch bleibt der jeweils letzte (gültige) Meßwert S am Ausgang bestehen, bis das nächste gültige Wertepaar x, y auftritt. Außerdem steht es dem Anwender frei, durch die im Festwertspeicher gespeicherten Werte alle Wertepaare x, y gemäß der Abbildungsvorschrift L′=f(x, y) auf das Ausgangssignal zu geben oder nur die gültigen oder aber andere Strategien zu verfolgen. Eine in Fig. 5 skizzierte Schaltung übernimmt die beiden beschriebenen Funktionen Zeitliche Steuerung und Fehlererkennung/unterdrückung.

Offsetkorrektur

Aufgrund der integrierenden Eigenschaft des in jedem Fall verwendeten Zählers ist dem Zählwert Z und damit dem Meßwert S im allgemeinen ein Offset überlagert, wenn die Meßsignalauswertung bei der Messung periodischer Größen zu einem vom Nulldurchgang abweichenden Zeitpunkt eingeschaltet wird. Maßnahmen, um diesen Offset zu eliminieren, sind dem Fachmann geläufig. Besonders effektiv ist eine Korrektur des Offsets direkt am Zähler. Dies kann einerseits durch Bestimmung des Offsets und nachträglicher Subtraktion oder andererseits durch Bestimmung des Nulldurchgangs und Rücksetzen des Zählers zu diesem Zeitpunkt geschehen. Wird darüber hinaus der Zähler aus zwei Einzelzählern Z1, Z2 gebildet, dann liefert die Summe dieser beiden Zähler Z1 und Z2 ein Offset-freies Signal, wenn der Zähler Z1 in einem Maximum und der Zähler Z2 im darauf folgenden Minimum des Signalverlaufs gestartet wird. Zur Bestimmung der Maxima bzw. Minima bieten sich die negativen bzw. positiven Flanken des Zählrichtungs-Bits U/D*′ an. Bei einem sin-förmigen Signalverlauf ϕ(t)=Φsin(ωt) gilt:

Z1(t) = Φsin(ωt) - Φ und Z2(t) = Φsin(ωt)+Φ,

so daß die Offset-Korrektur wird zu:

Z(t)=(Z1(t)+Z2(t))/2=Φsin(ωt).

In Fig. 1 wird ein Beispiel einer Normierungsschaltungsanordnung dargestellt. Mit ihr werden die aus den optischen Signalen (I1, I2) stammenden Fotodetektorsignale U1, U2 auf ihre positiven Amplituden U_1S, U_2S normiert, dazu werden die Fotodetektorsignale U1, U2 einerseits den Scheitelwertmessern SW1, SW2 bzw. direkt den Dividierern DV11, DV21 zugeführt. Der Amplitudenwert U_1S, U_2S wird jeweils als Divisor im Dividierer verwendet. Das Ergebnis sind die Signale U_x, U_y. Diese Signale U_x, U_y werden in der Schaltungsanordnung L0 weiterverarbeitet.

Es werden die Elemente Sample S mit Verstärkungsfaktor v=1/cos²α, Fenster- Komparator F-K und zwei Dividierer DV12, DV22 eingesetzt. Nach Division durch den Normierungsfaktor k(ϕ) und Multiplikation mit 2 werden die Signale in Addierern AD1, AD2 um den Wert 1 vermindert; dann liegen die normierten Fotodetektorsignale U_1N, U_2N vor.

In Fig. 2 wird eine Ausführung einer Schaltungsanordnung zur Auswertung der normierten Fotodetektorsignale U_1N, U_2N gezeigt. Diese werden zuerst in Analog-Digitalwandlern A/D in die digitalen Signale x, y gewandelt. Der Baustein L1 verarbeitet dieses Signal in der zuvor beschriebenen Weise und liefert die Signale L, CLK, U/D*, ERR. Der Zwischenspeicher LA dient als Synchronisator.

U/D*′ und CLK′ sind verzögerte Signale, die in einer Zusatzschaltung ZF, die in Fig. 5 näher beschrieben wird, erzeugt werden können. DR ist das data-ready-Signal des A/D- Wandlers, bzw. DR′ das entsprechend verzögerte Signal. Die Zusatzschaltung ZF übernimmt die beiden beschriebenen Funktionen zeitliche Steuerung und Fehlerunterdrückung. Der Zählerausgang Z und das Linearisierungssignal L bilden schließlich den zum Drehwinkel ϕ proportionalen Meßwerts S.

In Fig. 3 ist der Aufbau des Logikbausteins L1 aus Fig. 2 gezeigt. Dieser berechnet das Linearisierungssignal L und erzeugt die Zählimpulse CLK und das Zählrichtungs-Bit U/D* zur Ansteuerung des Zählers COU. Das digitale Signal x wird mit dem Signal y dem Komparator KO1 bzw. mit dem invertierten Signal -y dem Komparator KO2 zugeführt. Der Vergleichsvorgang dient dazu, das Signal mit der momentan absolut größeren Steigung festzustellen. Die Komparatorausgänge liefern die Taktsignale T1 bzw. T2 gemäß den Bedingungen x<y bzw. x<-y. Aus den Taktsignalen T1 und T2 wird in einem XOR- Gatter das Umschaltsignal x/y* erzeugt, welches angibt, ob das Signal x oder das Signal y die absolut größere Steigung aufweist und welches die Umschaltung zwischen x und y durch den Multiplexer MUX steuert. Es wird dann das Signal mit der absolut größeren Steigung zum Festwertspeicher EPR durchgeschaltet. Der Ausgang des Festwertspeichers EPR bildet daraus, aus dem Taktsignal T1 und aus dem Umschaltsignal x/y* das Linearisierungssignal L als niederwertigen Anteil des digitalen Meßwerts S. Das Umschaltsignal x/y* steuert gleichzeitig als Zählrichtungs-Bit U/D* den Zähler COU an. Die Zählimpulse CLK werden durch den Ausgang x=y erzeugt. Wie schon erwähnt, kann auch die Gruppe der Bauelemente in L1 durch einen Festwertspeicher ersetzt werden, der alle logischen Verknüpfungen zur Berechnung des Signals L und zur Erzeugung der Signale CLK, U/D*, ERR anhand von Tabellen vornimmt und darüber hinaus auch die Normierungsschaltung überflüssig machen kann.

Fig. 4 ist eine Übersicht über die von der Auswerteanordnung erzeugten Impuls- und Signalfolgen während einer Periode eines sinusförmig verlaufenden Drehwinkels ϕ(t)=500°sin2π 50Hz · t bei symmetrischer Stellung der Analysatoren (α=22,5°). x und y sind die beiden normierten und digital gewandelten Meßsignale. Es wird das jeweils zwischen den strichliert eingezeichneten Festwerten c und -c mit c=½ befindliche Signal x oder y herangezogen, welches die absolut größere Steigung aufweist.

T1 und T2 sind die Taktsignale, die nach den Bedingungen x<y bzw. x<-y aus den Signalen x, y erzeugt werden. Das Zählrichtungs-Bit U/D* entsteht aus den Taktsignalen T1 und T2 und die Zählimpulse CLK entstehen aus dem Vergleich x=y. Das Linearisierungssignal L besteht stückweise aus cos-förmigen Abschnitten, die aus der arc-cos-Beziehung stammen. Z ist ein stufenförmiges Signal, welches vom Zähler COU geliefert wird. Die Addition der Signale L+Z ergibt den zum Drehwinkel ϕ proportionalen Meßwert S.

In Fig. 5 wird der Aufbau des Bausteins ZF aus Fig. 2 mit den dort benutzten Signalbezeichnungen in einer besonderen Ausgestaltung dargestellt. Der Baustein ZF dient der zeitlichen Steuerung im Sinne einer Verzögerung und der Fehlerunterdrückung. Das Zählimpulssignal CLK gelangt sowohl auf die Verzögerungseinheit τ als auch an das Flip-Flop FF. Hinter der Verzögerungseinheit τ steht das verzögerte Zählimpulssignal CLK′ an. In Fig. 6 ist die Fehlerabweichung ϕ-L zwischen dem Drehwinkel ϕ und dem in der Auswerteschaltung berechneten Linearisierungssignal L in Abhängigkeit von ϕ dargestellt. Der korrigierbare systematische Fehler wurde hierbei bereits abgezogen, so daß sich ein vom Drehwinkel ϕ und damit von den Steigungen der Signale x bzw. y unabhängiger und nahezu zu null symmetrischer Verlauf der Fehlerabweichung ϕ-L ergibt. Die Schwankungen (Linearitätsfehler) um die Null-Linie resultieren aus dem stufenartig verlaufenden digitalen Linearisierungssignal L gegenüber dem kontinuierlich verlaufenden Drehwinkel ϕ. Beim Verfahren von Valente et al. bewegt sich die Differenz ϕ-L im Intervall -3,5° bis +3,5°. In Fig. 6 ist weiterhin die cos-förmige Sensorcharakteristik durch die Größen dargestellt.

Claims

1. Verfahren für die Auswertung der Drehung der Polarisationsebene eines Meßwandlers auf der Basis eines optischen, die Drehung der Polarisationsebene bewirkenden Effekts, mit Erzeugung zweier optischer Signale I1, I2 aus einem Meßstrahl in einer aus zwei Analysatoren bestehenden polarimetrischen Anordnung, mit Wandlung der optischen Signale I1, I2 und mit einer Einrichtung (L1) zur Auswertung der gewandelten optischen Signale U1, U2 und Ermittlung der Drehung der Polarisationsebene, wobei zur Bestimmung des Drehwinkels ϕ der Polarisationsebene aus den gewandelten optischen Signalen U1, U2 die inverse Übertragungsfunktion eingesetzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß beide gewandelten optischen Signale (Fotodetektorsignale U1, U2) mit der inversen Übertragungsfunktion umgerechnet werden.

2. Meßwertauswerteverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Signale I1, I2 bei einer symmetrischen Winkelstellung der Analysatoren bezüglich des Polarisatorwinkels (ϕ=0) gewonnen werden.

3. Meßwertauswerteverfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Signale I1, I2 bei einer Winkelstellung der Analysatoren von α₁ = +22,5° und α₂ = -22,5° gewonnen werden.

4. Meßwertauswerteverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß durch Meßwertübertragung dämpfungsbelastete Fotodetektorsignale U1, U2 dämpfungsbereinigt und/oder normiert werden.

5. Meßwertauswerteverfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Fotodetektorsignale U1, U2 auf ihre Amplituden U1S, U2S normiert werden, woraus Signale U_x, U_y entstehen.

6. Meßwertauswerteverfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine weitere Normierung der Signale U_x, U_y durch Division durch einen Wert k vorgenommen wird mit k=U_x/cos²α oder k=U_y/cos²α an der Stelle ϕ=0° und/oder an Stellen des ganzzahligen Vielfachen von ϕ=180°, so daß die Abhängigkeit von der Amplitude der Meßgröße (Drehwinkel ϕ) entfällt.

7. Meßwertauswerteverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Zwischenspeicherung eines Linearisierungswerts L und eines Zählwerts Z bis zu ihrer Weiterverwendung um eine Zeit vorgenommen wird, die größer ist als die Verzögerung für das Eintreffen eines Zählimpulses CLK, wobei Linearisierungswert L, Zählimpuls CLK und Zählrichtungs-Bit U/D* durch folgende Formeln bestimmt sind: L = ½ arccos(x)+α für (x/y*) = 1 und (x<y) = 1
L = 90°-½ arccos(x)+α für (x/y*) = 1 und (x<y) = 0
L = ½ arccos(y) - α für (x/y*) = 0 und (x<y) = 1
L = 90°-½ arccos(y) - α für (x/y*) = 0 und (x<y) = 0CLK=(x≡y), U/D*=x/y*, x, y: zeitlich diskretisierte, digitalisierte Signale, und der Wertevorrat des Linearisierungswerts L durch Tabellen zur Verfügung gestellt wird.

8. Meßwertauswerteverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei Auftreten einer Wertepaarung der mit einem Analog/Digital-Wandler in zeitlich diskretisierte, digitalisierte Signale x, y gewandelten normierten Signale U_1N, U_2N, die nicht die Bedingung x = cos(2(ϕ-α)), y = cos(2(ϕ+α)) erfüllt, die Ausgabe des aktuellen Meßwerts S unterdrückt wird und stattdessen der vohergehende Meßwert ausgegeben wird.

9. Meßwertauswerteverfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Offset der zeitlich diskretisierten, digitalisierten Signale x, y festgestellt und durch Subtraktion oder durch Rücksetzen des Zählwerts Z korrigiert wird.

10. Meßwertauswerteverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß abschnittsweise abwechselnd nur eins der Fotodetektorsignale U1, U2 mit der inversen Übertragungsfunktion umgerechnet wird, wobei bei einer Stellung der Analysatorwinkel nach der Bedingung |α₁ - α₂|≠90° der Abschnittwechsel so erfolgt, daß jeweils das Fotodetektorsignal U1, U2 mit der absolut größeren zeitlichen Änderung herangezogen wird.

11. Meßwertauswerteverfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß beide verarbeiteten Signale x, y kontinuierlich einem Vergleicher (KO1, KO2) zugeführt werden, daß der Vergleicher (KO1, KO2) dasjenige der verarbeiteten Signale x, y mit der momentan absolut größeren zeitlichen Änderung auswählt, daß der Vergleicher (KO1, KO2) ein Taktsignal T1 mit der Bedingung x<y und ein zweites Taktsignal T2 mit der Bedingung x<-y bildet, daß aus beiden Taktsignalen T1, T2 mit einer XOR-Verknüpfung ein Umschaltsignal x/y* zur Steuerung eines Umschalters (MUX) erzeugt wird, daß eins der Argumente [2(ϕ-a) oder 2(ϕ+a)] des durch das Umschaltsignal x/y* ausgewählten Fotodetektorsignals (x oder y) über die Umkehrfunktion berechnet und durch 2 dividiert wird und bei der Bedingung erstes Taktsignal T1 gleich Null das so umgerechnete Argument als Zwischenergebnis invertiert und zu 90° addiert wird, daß durch Addition oder Subtraktion des Analysatorwinkels α in Abhängigkeit vom Umschaltsignal x/y* ein Linearisierungswert L entsteht, daß bei der Bedingung Zählrichtungsbit U/D*=1 und x=y ein Zähler (COU) um 1 hochgesetzt und bei der Bedingung Zählrichtungsbit U/D*=0 und x=y ein Zähler (COU) um 1 herabgesetzt wird und daß der Meßwert S aus der Addition von Linearisierungswert L und Zählwert Z gebildet wird.

12. Meßwertauswerteverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Festwertspeicher die Funktionswerte des Linearisierungswerts L, die Zählimpulse CLK und die Zählrichtungsimpulse U/D* für alle Kombinationen der verarbeiteten Signale x, y abgelegt werden, daß bei der Bedingung Zählrichtungsbit U/D*=1 und CLK=1 ein Zähler (COU) um 1 hochgesetzt und bei der Bedingung Zählrichtungsbit U/D*=0 und CLK=1 ein Zähler (COU) um 1 herabgesetzt wird und der Meßwert S aus der Addition von Linearisierungswert L und Zählwert Z gebildet wird.

13. Meßwertauswerteverfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle der zeitlich diskretisierten, digitalisierten Signale x, y die durch Digitalisierung der auf die Scheitelwerte normierten Fotodetektorsignale gebildeten Signale x′, y′ zur Adressierung des Festwertspeichers benutzt werden.