Die Erfindung betrifft einen Faserkreisel, bei dem zur Erzeugung einer Phasen¬ modulation der gegensinnig in einer Lichtleitfaser umlaufenden Lichtstrahlen ein optischer Phasenmodulator vorgesehen ist, dem eine Modulationsspannung zugeführt wird. Aus den überlagerten Lichtstrahlen wird durch phasenempfindlic Gleichrichtung ein Drehratensignal gewonnen. Zur Optimierung der Phasenmodula¬ tion sind Schaltmittel vorgesehen die aus dem Ausgangssignal des Faserkreisels ein Regelsignal gewinnen.

Zur Phasenmodulation kann in bekannter Weise (EPA 0160 450) ein piezoelektri¬ scher Körper, auf den ein Teil der Lichtleitfaser aufgewickelt ist und der durc die Modulationsspannung erregt wird, verwendet werden, jedoch sind auch inte¬ griert optische Phasenmodulatoren verwendbar, bei denen die Lichtbrechzahl durc die Modulationsspannung variiert wird.

In einer älteren Anmeldung P 36 28 409.2 ist vorgeschlagen worden, die Phasenmo dulation durchzuführen mit Hilfe eines piezoelektrischen Körpers, an dem Meßwer geber zur Bestimmung des Schwingungszustands angebracht sind, eines Differ¬ enzverstärkers, zum Vergleich der Amplitude des Meßwertgebersignals mit einer Referenzgröße und mit einem Steuerglied zur Beeinflussung der Amplitude der Er¬ regerspannung in Abhängigkeit vom Differenzverstärker-Ausgangssignal.

Bei diesem Phasenmodulator wird am piezoelektrischen Körper direkt festgestellt ob der Modulationshub konstant bleibt und die Erregung des piezoelektrischen Körpers entsprechend geregelt.

Nicht auεgeregelt werden z.B. dabei:

1. Kopplungsänderungen zwischen piezoelektrischem Körper und der Licht¬ leitfaser, die auftreten, wenn der für das Verkleben der Lichtleit¬ faser auf dem piezoelektrischen Körper verwendete Kleber mit der Zeit seine. Eigenschaft ändert,

2. Frequenzänderungen der Modulationsfrequenz f, die aufgrund der Pro¬ portionalität des Modulationshubes zu sin πfT zu einer Variation des Modulationshubes führen. Frequenzänderungen können auftreten z.B. durch Temperaturschwankungen und damit verbundene Volumenänder¬ ungen des piezoelektrischen Körpers.

3. Wellenlängenänderungen des Laserlichts der Laserdiode durch Alterung oder Temperaturschwankungen, die auch zu Änderungen des Modulations¬ hubes führen, da dieser umgekehrt proportional zur Wellenlänge ist.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, den eingangs beschriebenen Phasenmodulator dahingehend zu verbessern, daß auch diese erwähnten Komponen¬ ten ausgeregelt werden.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteil der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und aus den Unteransprüchen.

Bei einem Faserkreisel, wie in Fig. 1 dargestellt, erhält man am Ausgang der Photodiode ein Signal I(t), das durch die Funktion

T

I(t) = I ₀ cos ² [ΔΛ f cos 2τrf _mod (t-")]

darstellbar ist. Hierin sind I eine Konstante, die zu messende, zur Drehrate proportionale Sagnacphase, Y die Amplitude der Phasenmodulation, f die Modula- tionsfrequenz und T die Zeit, die die Lichtstrahlen zum Durchlaufen der Licht¬ leitfaser benötigen.

Um zu ermitteln, wird von der Vielzahl der in diesem Signal enthaltenen Komponenten unterschiedlicher Frequenzen z.B. die Komponente

T 3 ₁ (2Y) sin 2Δ / cos 2ττf _mod t' mit t ¹ = t- ^~

durch phasenempfindliche Gleichrichtung ausgewertet und man erhält

wobei J-, (2Y) die Besselfunktion 1. Ordnung in Abhängigkeit vom Argument 2Y is Die Besselfunktion 1. Ordnung hat ein Maximum bei 2Ψ = 1,84 (siehe Fig. 3.). E ist günstig, die Auswertung bei diesem Wert vorzunehmen, da man dann die maxim le Ausgangsspannung U erhält. Außerdem muß darauf geachtet werden, daß das Max mum eingestellt bleibt. Hierzu dient die erfindungsgemäße Ausbildung, die dafü sorgt, daß bei vorhandener Drehrate J das Maximum immer eingestellt ist.

Mit der eingangs geschilderten vorgeschlagenen Lösung, bei der der Modulations hub des piezoelektrischen Körpers konstant gehalten und hierzu die Erreger¬ spannung entsprechend geregelt wird, ist zwar schon eine Verbesserung der Pha¬ senmodulation des Faserkreisels erreichbar, jedoch bleiben eine Reihe von Einflußgrößen, wie oben bereits angeführt, unberücksichtigt. Die erfindungsgem ße Lösung berücksichtigt auch diese Einflußgrößen.

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 den schematischen Aufbau eines Faserkreisels,

Fig. 2 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäße

Faserkreisels, Fig. 3 eine Kennlinie einer Besselfunktion 1. Ordnung mit den Arbeitspunkten

API und AP2. Fig. 4 ein Blockschaltbild einer Weiterbildung eines erfindungsgemäßen

Faserkreisel.

Der in Fig. 1 gezeigte schematische Aufbau eines Faserkreisels ist allgemein bekannt und soll hier nur der Vollständigkeit halber nochmals kurz aufgezeigt werden.

Das von einer Laserdiode 1 erzeugte Licht gelangt über zwei faseroptische Koppler 2 und 3, wo das Licht aufgeteilt wird, zur Sensorspule 4, die von den Lichtwellen entgegengesetzt durchlaufen wird. Das umlaufende Licht wird durch eine Modulationseinrichtung 5 phasenmoduliert und gelangt über die beiden Koppler 3 und 2 zur Photodiode 6. Das von der Photodiode aufgenommene Licht dient als Eingangssignal eines Vorverstärkers 8 (siehe Fig. 2) . Die Zusammen¬ schaltung von Photodiode 6 und Vorverstärker 8 dient somit der optoelektroni¬ schen Ξignalwandlung.

Die Fig. 2 zeigt ein Blockschaltbild eines Ausfuhrungsbeispiels eines Faserkrei sels 7, dessen Photodiode 6 mit dem Vorverstärker 8 verbunden ist. Im Block 7 ist mit 21 ein piezoelektrischer Körper mit den Erregerelektroden und den Meßwertgeberelektroden dargestellt. Der piezoelektrische Körper 21 wird von einem Steuerglied 10 mit der Modulationsfrequenz f_ _0(j erregt. Das Signal der Meßwertgeberelektroden des piezoelektrischen Körpers 21 wird auf einen Diffe¬ renzverstärker 9 geführt, der die Amplitude dieses Signals mit einer Referenz- große eines Referenzwertgebers 17, die über den Summenverstärker 14 zugeführt wird, vergleicht und eine vorhandene Differenz als Stellsignal dem Steuerglied 10, zur Beeinflussung der Amplitude der Erregerspannung des piezoelektrischen Körpers 21, zuführt.

In einem Oszillator 18 wird ein Hilfsmodulationssignal mit der Frequenz f ₂ erzeugt und zur Stellgröße des Differenzverstärkers 9 addiert. Hierdurch wird das Äusgangssignal des Steuerglieds 10 in seiner Amplitude mit der Hilfsmodula- tionsfrequenz f ₂ moduliert.

Das bei einer Drehung des Faserkreisels 7 vom phasenempfindlichen Gleichrich¬ ter 11 empfangene und in Bezug auf die Referenzfrequenz f _mod phasenempfindlich gleichgerichtete Signal enthält im wesentlichen das Drehratensignal J, (2Y) sin Δ J des Faserkreisels 7 sowie im auszuregelnden Fall (der Arbeitspunkt AP befindet sich nicht mehr auf dem Extremwert der Besselfunktion (siehe Fig. 3)) das Hilfsmodulationssignal f-, und Vielfache davon (siehe Fig. 3).

Ein dem phasenempfindlichen Gleichrichter 11 folgender Tiefpaß 12 filtert die im Ausgangssignal des phasenempfindlichen Gleichrichters 11 eventuell noch vorhandenen unerwünschten Signale mit der Frequenz f _mocj aus.

Der Ausgang des Tiefpasses 12 ist mit einem Tiefpaß 13, zur Unterdrückung der in diesem Signal vorhandenen Signale mit den Frequenzen nf ₂ mit einem Bandpaß 16, für die Frequenz nf ₂ , und mit einer Vorzeichenerkennung 15, zur Erkennung des im Drehratensignal sin Δ/ vorhandenen Vorzeichens, (siehe Fig. 3 verbunden. Am Ausgang des Tiefpasses 13 steht das Drehratensignal J-^ (2Y) sin Δ als Nutzsignal des Faserkreisels 7 zur weiteren Verwendung zur Verfügun Das am Ausgang des Bandpasses 16 im auszuregelnden Fall (siehe Fig. 3) vorhand ne Hilfsmodulationssignal mit der Frequenz f ₂ und Vielfachen davon wird in ein phasenempfindlichen Gleichrichter 20 mit der Referenzfrequenz f ₂ des Oszillato 18 oder einem ungeradzahligen Vielfachen davon, phasenempfindlich gleichgerich¬ tet, wobei nur Signale mit den Frequenzen f ₂ und ungeradzahligen Vielfachen davon verarbeitet werden, und in einem Multiplizierer 19 in Abhängigkeit vom Ausgangssignal der Vorzeichenerkennung 15 multipliziert. Der phasenempfindlich Gleichrichter 20 und der Multiplizierer 19 bilden hier zusammen einen Propor¬ tionalregler. Das am Ausgang des Summenverstärkers 14 anstehende Korrektursig¬ nal führt somit zu einer Verlagerung des Arbeitspunktes (Modulationshub) in die gewünschte Richtung, so daß im ausgeregelten Fall der Signalanteil mit der Frequenz f ₂ oder einem Vielfachen davon am Ausgang des Tiefpasses 12 näherungs¬ weise zu Null wird.

Das Ausgangssignal des Multiplizierers 19 wird im Summierverstärker 14 zum Referenzwertgebersignal von 17 addiert, um hierdurch die Korrektur des Amplitudensollwerts durchzuführen.

In Fig. 3 ist eine Besselfunktion 1. Ordnung mit den Arbeitspunkten API und AP2 dargestellt.

Im Koordinatensystem ist auf der Abszisse der Modulationshub 2Y und auf der Ordinate das Drehratensignal des Faserkreisel J-, (2Y) sin h J in Abhängigkeit vom Modulationshub dargestellt.

Der Modulationshub des piezoelektrischen Körpers 21 (siehe Fig. 2) soll auf den Extremwert der Besselfunktion (Modulationshub 1,84, API) stabilisiert werden. Schwingt der piezoelektrische Körper 21 mit einer Amplitude, die dem Extremwert der Besselfunktion entspricht (Modulationshub 1,84, API) so tritt am Ausgang des phasenempfindlichen Gleichrichters 11 (siehe Fig. 2) außer dem Drehratensignal J, (2Y) sin L l , ein Signal mit den geradzahligen Vielfachen (2f ₂ , 4f ₂ -..) der Hilfs odulationsfrequenz f ₂ auf. Dieses Signal führt in der weiteren Ξignalverarbeitung (siehe Fig. 2) zu keinem Ausgangssignal am phasenempfindlichen Gleichrichter 20, da 1. der Bandpaß 16 nur die Signale mit der Frequenz nf ₂ passieren läßt und 2. der phasenempfindliche Gleichrichter 20 nur Signale mit der Frequenz f ₂ und ungeradzahlige Vielfache davon verarbei¬ tet. Die Folge ist, daß der piezoelektrische Körper 21 (siehe Fig. 2) in seinem Modulationshub nicht verändert wird.

Hat sich dagegen aus den in der Einleitung genannten Gründen der Arbeitspunkt des piezoelektrischen Körpers 21 (siehe Fig. 2) aus dem Extremwert der Bes¬ selfunktion z.B. zum hier mit AP2 bezeichneten Punkt verschoben, so treten am Ausgang des phasenempfindlichen Gleichrichters 11 außer dem Drehratenεignal J^ (2Y) sin Δ7, ein Signal mit Frequenz f ₂ und Vielfache davon auf, was über die folgende Signalverarbeitung am Ausgang des Steuerglieds 10 zu einer Än¬ derung des Modulationshubs in Richtung des Extremwertes der Besselfunktion 1. Ordnung (API) führt.

Fig. 4 zeigt ein Blockschaltbild einer Weiterbildung eines erfindungsgemäßen Faserkreisels. Ein Vorteil dieser Weiterbildung besteht darin, daß durch den Einsatz eines Integralreglers statt eines Proportionalreglers (entsprechend den Bausteinen 19, 20 der Fig. 2) die Optimierung des Modulationshubs des piezo¬ elektrischen Körpers auch bei kleinen Kreiselausgangssignalen mit der gleichen Genauigkeit arbeitet, wie bei großen AusgangsSignalen. Die Regelkreisverstär.- kung wird durch Division der Signalanteile mit der Frequenz f ₂ und ungerad¬ zahligen Vielfachen davon, deren Amplitude proportional zur Drehrate ist, durch das Drehratensignal konstant gehalten und ist nicht mehr von der Drehrate abhängig. Ein weiterer Vorteil dieser Weiterbildung ist, daß die Funktion große Teile der Schaltung von einem Rechner übernommen werden können.

In der Fig. 4 wurden Fig. 2 entsprechende Bauteile mit gleichem Bezugszeichen versehen. Von Fig. 2 abweichende Bauteile wurden entsprechend mit anderen Bezugszeichen versehen.

Wie in Fig. 2 besteht der Faserkreisel 7 aus einem piezoelektrischen Körper 21 mit den Erregerelektroden und den Meßwertgeberelektroden, der Photodiode 6 und dem Vorverstärker 8. Der piezoelektrische Körper 21 wird von einem Steuerglied 10 mit der Modulationsfrequenz f _mod erregt. Das Signal der Meßwertgeberelektro den des piezoelektrischen Körpers wird auf einen Differenzverstärker 9 geführt Der Differenzverstärker 9 hat die Aufgabe, die Amplitude des Signals der Me߬ wertgeberelektroden mit dem Ausgangssignal eines Digital-/Analog-Wandlers (D/A Wandler) 29, als Referenzgröße, zu vergleichen und eine vorhandene Diffe¬ renz als Stellsignal dem Su menverεtärker 14 zuzuführen.

In den Zähler 28 wird beim Einschalten des Gerätes ein Anfangswert aus dem Referenzwertgeber 17 als Sollwertvorgabe geladen. Dieser Anfangswert wurde im Labor des Herstellers ermittelt und eingestellt. Durch zwei weitere Eingänge des Zählers 28, vom Spannungs-/Frequenz-Wandler 26 kommend, kann der Zähler, nach Freigabe durch ein entsprechendes Signal eines UND-Glieds 27, von der Sollwertvorgabe ausgehend, aufwärts oder abwärts zählen, je nach dem Vor¬ zeichen des vom phasenempfindlichen Gleichrichter 20 kommenden Signals ob sich der Arbeitspunkt (AP) des piezoelektrischen Körpers 21 vom API (siehe Fig in Richtung < 1,84 oder > 1,84 verändert hat. Ein Aufwärtszählen kann beispiel weise bedeuten, daß dem D/A Wandler 29 ein größerer Zählerstand zugeführt wird und dadurch der D/A Wandler 29 dem Differenzverstärker 9 einen größeren Refe¬ renzwert zuführt, welches über den Summenverstärker 14 und dem Steuerglied letztendlich dazu führt, daß sich der AP des piezoelektrischen Körpers 21 vom Modulationshub < 1,84 auf den Extremwert der Besselfunktion (Modulationshub 1,84 = API) stabilisiert.

Zählt der Zähler abwärts bedeutet das, daß der Modulationshub von > 1,84 auf den Extremwert der Besselfunktion (Modulationshub 1,84 = API) stabilisiert wir

Im Oszillator 18 wird, ebenfalls nach Freigabe durch ein entsprechendes Frei¬ gabesignal des UND-Glieds 27, ein Hilfsmodulationssignal mit der Frequenz f ₂ erzeugt und zur Stellgröße des Differenzverstärkers 9 addiert. Hierdurch wird das Ausgangsεignal des Steuerglieds 10 in seiner Amplitude mit der Hilfsmodula- tionεfrequenz f ₂ moduliert.

Das bei Drehung des Faserkreiεelε 7 vorhanden Ausgangssignal enthält, wie bei der Beschreibung der Fig. 2 schon erwähnt, im wesentlichen das Drehratensignal J _γ (2Y) sin ΔJdes Faserkreisels 7 sowie, im auszuregelnden Fall, das Hilfs¬ modulationssignal f ₂ und Vielfache davon. Die Verarbeitung zum Drehratenεignal J-, (2Y) εin h -f , welcheε am Ausgang des Tiefpasεeε 13 ansteht, erfolgt eben- fallε in der gleichen Weiεe wie bei Fig. 2, da die verwendeten Bausteine iden¬ tisch sind.

Der Ausgang des Tiefpasses 12 -ist außer mit dem Tiefpaß 13 mit einem Hochpaß 22 für die Frequenz f ₂ verbunden. Durch den Hochpaß 22 werden Gleichspannungs- εignale und Frequenzen < f ₂ abgetrennt. Signale mit der Frequenz f ₂ oder unge¬ radzahlige Vielfache davon, die im auszuregelnden Fall vorhanden sind, paεεie- ren den Hochpaß 22 und werden als Signal A einem Analogdividierer 23 zugeführt. Als Signal B bekommt der Analogdividierer 23 daε Drehratensignal J-, (2Y) sin Δ vom Ausgang des Tiefpasεeε 13. Der Analogdividierer 23 dividiert das Signal A durch das, dem Signal A im auszuregelnden Fall proportionale, Signal B. In eine anschließenden phasenempfindlichen Gleichrichter 20, dem außerdem die Referenz¬ frequenz f ₂ des Oszillators 18 zugeführt wird, erfolgt die Gleichrichtung. Übe einen Tiefpaß 25, wo Signalanteile mit der Frequenz f ₂ ausgefiltert werden, ge¬ langt das gleichgerichtete Signal als Istwert zu einem Spannung-/Frequenzwandle 26. Der Spannungs-/Frequenzwandler 26 wandelt das Gleichspannungsεignal in ein dem Gleichεpannungssignal proportionale Frequenz um. Das Vorzeichen des vom phasenempfindlichen Gleichrichter 20 kommenden Signals bestimmt die Zählrich¬ tung des folgenden Zählers 28. Beiεpielweiεe kann der Zähler 28 bei einem poεi- tiven Gleichspannungsεignal aufwärtε und bei einem negativen Gleichεpannungs- εignal abwärtε zählen.

Das Signal eines Fensterko parators 24 wird in einem UND-Glied 27 mit einem Reglerfreigabe-Signal verknüpft und zur Freigabesteuerung des Zählers 28 und des Oszillators 18 genutzt. Da es nicht sinnvoll ist, bei der Drehrate Null den Regelkreis zu betreiben, bestimmt der Fensterko parator 24 den Bereich, z.B. von 5% der maximalen Drehrate bis zur maximalen Drehrate, in dem die Regelung des Modulationshubeε auf den Extremwert der Besselfunktion (siehe Fig. 3) arbeiten soll. Ist die Drehrate Null, dann sind die Eingangssignale A uns B des Analogdividierers 23 ebenfalls Null und das Ausgangssignal des Analo dividierers ist unbestimmt. In diesem Fall wird der Regelvorgang durch den Fensterkomparator 24 gesperrt.

Der zweite Eingang "Reglerfreigabe" des UND-Glieds 27 wird dazu genutzt, den Regelvorgang von außen gesteuert einzuleiten. Z.B. wenn durch eine Änderung der Betriebstemperatur des Faserkreisels eine Abweichung des Modulationshubes vom Extremwert der Besεelfunktion angenommen werden kann oder wenn ein über¬ geordneter Rechner die Einleitung der Regelung übernimmt und in bestimmten regelmäßigen Zeitabεtänden die Regelung durch einen Freigabeimpulε einεchaltet

Bezugεzeichenliεte

1 Laεerdiode

2 Koppler

3 Koppler

4 Sensorspule

5 Phasenmodulator

6 Photodiode

7 Faserkreisel

8 Vorverstärker

9 Differenzverstärker

10 Steuerglied

11 phasenempfindlicher Gleichrichter (LIV=Lock In Verstärker)

12 Tiefpaß

13 Tiefpaß

14 Summenverstärker

15 Vorzeichenerkennung

16 Bandpaß

17 Referenzwertgeber

18 Oszillator

19 Multiplizierer

20 phasenempfindlicher Gleichrichter (LIV=Lock In Verstärker)

21 piezoelektrischer Körper

22 Hochpaß

23 Analogdividierer

24 Fensterkomparator

25 Tiefpaß

26 Spannungε-/Frequenz-Wandler

27 UND-Glied

28 Zähler

29 D/A Wandler