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tin
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Physical
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Publication
_________________________________________________________________
Number FR2518741A1
Family ID 3063539
Probable Assignee Honeywell Gmbh
Publication Year 1983
Title
_________________________________________________________________
FR Title GYROSCOPE A LASER ANNULAIRE
Abstract
_________________________________________________________________
DANS LE GYROSCOPE A LASER ANNULAIRE MONTE ELASTIQUEMENT DE
L'INVENTION, AU LIEU DE CREER UNE OSCILLATION SINUSOIDALE A LA
FREQUENCE DE RESONANCE, ON ASSURE UNE STIMULATION EN DESSOUS DE LA
FREQUENCE DE RESONANCE AVEC GENERATION D'UN MOUVEMENT OSCILLANT DE LA
FORME SINUSOIDALE, A L'AIDE D'UN DISPOSITIF PIEZOELECTRIQUE
D'ENTRAINEMENT A EMPILAGE 21 QUI EST COMMANDE PAR UNE TENSION DE FORME
TRIANGULAIRE. DU FAIT DES GRANDES FORCES DE DEPLACEMENT ENGENDREES PAR
CE DISPOSITIF D'ENTRAINEMENT 21, SON MOUVEMENT PEUT EFFICACEMENT AGIR
SUR LE GYROSCOPE MONTE ELASTIQUEMENT ET LORSQUE LE TAUX D'ELASTICITE
EST CHOISI EN CORRESPONDANCE; UN MOUVEMENT D'OSCILLATION DE FORME
TRIANGULAIRE EN DESSOUS DE LA FREQUENCE DE RESONANCE DIMINUE
NOTABLEMENT LE TEMPS-MORT DU SYSTEME.
Description
_________________________________________________________________
La presente invention concerne un gyroscope a laser annulaire
comprenant
un dispositif pour transmettre
une oscillation tournante a un trajet de laser en vue d'empe-
cher un effet de verrouillage En particulier, elle se rapporte a un
dispositif pour empecher l'effet de verrouillage. Dans un gyroscope a
laser annulaire, deux trains d'ondes lumineuses se propagent dans des
directions opposees suivant un trajet de forme triangulaire Tandis
qu'un train d'ondes lumineuses se propage dans le sens des aiguilles
d'une montre, l'autre train d'ondes lumineuses a une direction opposee
de propagation Dans un systeme de reference a inertie, le train
d'ondes lumineuses de propageant dans le sens des aiguilles d'une
montre et dans le sens contraire et du meme mode ont la meme frequence
yr Cependant, si on fait tourner le gyroscope a laser annulaire dans
un espace a inertie, les trains d'ondes lumineuses se propageant dans
le sens des aiguilles d'une montre et dans le sens contraire ont
alors, en concordance avec la theorie generale de -relativite, la
frequence differentielle suivante V= k_ o ( 1)
K 4 F O
A o L O Dans ces equations, les termes utilises ont les significations
suivantes AV= frequence differentielle de sortie Q= vitesse de
rotation d'entree Xi longueur d'onde sous vide de la lumiere laser L O
longueur optique du resonateur F = surface du resonateur normale a
l'axe de rotation du gyroscope. Cette frequence differentielle A V
peut etre mesuree comme un signal de sortie au moyen de differentes
methodes
par decouplage partiel des trains d'ondes lumineuses se propa-
t 8741 geant dans le sens des aiguilles d'une montre et dans le sens
contraire au moyen d'un miroir et cette frequence differentielle
definit alors, en concordance avec l'equation ( 1), la vitesse de
rotation d'entree desiree Q ainsi que l'angle de rotation 21 dans le
cas o une methode de comptage d'impulsions d'in-
tegration temporelle est appliquee.
De facon ideale, les deux trains d'ondes lumineuses se propageant dans
des directions opposees peuvent etre consideres comme etant
independants l'un de l'autre Cependant en pratique, dans chaque
gyrosocope a laser annulaire, les trains-d'ondes lumineuses se
propageant dans les directions inverses sont couples l'un avec l'autre
par suite d'un echange d'energie,
ce couplage etant essentife 4,ement imputable a la retro-disper-
sion de lumiere d'un faisceau lumineux vers l'autre faisceau lumineux
sur les miroirs Conformement a la theorie des oscillateurs couples, la
frequence differentielle de sortie effective est representee par la
relation suivante AV Ko Q V 1 (QUI Q)2 avec QV M= O vr 2 Q (la) A V= O
avec L'equation (la) a ete representee graphiquement sur la figure
l-des dessins annexes, o la courbe representee en trait interrompu
indique la reponse ideale tandis que la
courbe en trait plein indique la reponse effective de la fre-
quence differentielle de sortie A V en fonction de la vitesse de
rotation d'entree Q La figure 1 montre que,-pour des vitesses de
rotation d'entree plus petites que ce qu'on appelle le seuil de
verrouillage Q L' le gyroscope a laser annulaire ne produit pas a sa
sortie un signal t V Les trains d'ondes lumineuses se propageant dans
des directions opposees-sont verrouilles entre eux, pour de petites
differences de leurs frequences intrinseques, avec la meme frequence
d'oscillation, c'est-a-dire que leurs frequences sont synchronisees
Cet
effet de verrouillage connu conduit aux resultats que, seule-
ment pour des vitesses de rotation d'entree Q depassant le seuil de
verrouillage les frequences des deux trains -L' d'ondes lumineuses
sont decouplees et un signal de-sortie
4 V est recu.
Pour empecher cet effet de verrouillage aux faibles vitesses de
rotation d'entree Q, il est connu, d'apres le brevet allemand DE-1 292
899, de transmettre mecaniquement une oscillation angulaire au
gyroscope a laser annulaire autour de son axe de rotation d'entree Le
mouvement vibratoire imparti au gyroscope a laser annulaire doit etre
etabli de telle sorte que la vitesse angulaire momentanee Q du
gyroscope, et sans que la vitesse de rotation totale depasse la partie
la plus grande du temps de mesure, soit situee au-dessus du seuil de
verrouillage et dans la partie lineaire de la courbe A v (On) Le
decalage du signal de sortie a V du fait du mouvement oscillatoire
doit etre corrige lors de l'evaluation
du signal.
Le laser connu est suspendu sur des lames elasti-
ques et l'ensemble du systeme est mis en oscillation sinusoidale a sa
frequence de resonance au moyen d'un moteur;Pour une oscillation
regulaire sinusoidale de frequence cyclique w= 2 A 1 V, l'angle de
rotation S du gyroscope a laser est represente par la relation
suivante Y) =f -max *sin W t ( 2) En etablissant la differentielle par
rapport au temps, on definit de la facon suivante la vitesse angulaire
momentanee du gyroscope a laser annulaire = f max * W cos W t, ou ( 3)
dt max = cos W t avec N max 5 max ( 3 a) La reponse des signaux * et Q
representee sur
les figures 2 a et 2 b En reference a ces figures et a l'equa-
tion ( 3 a), le temps non-mort pour un quart de la periode
d'oscillation angulaire est represente comme suit: 4 = l c ton mort t
_= arc cos (QL ( 4)
non mort &#x003C;-
Q max 1. = arc cos( L) $ maxw
Puisque le temps total de mesure ttotal est-
represente par T = 1 T, la relation entre le temps non-mort et le
temps total de mesure se presente comme suit: V non-mort 2 arc cos Q 5
v t total ? max La relation entre le temps total de mesure et le temps
mort est alors defini par l'expression suivante: t V = =tk I(l-V) -1 (
6) tmort 6 L'equation ( 5) montre que, pour une oscillation angulaire
sinusoidale, l'amplitude d'oscillation f max ' et la frequence
d'oscillation cyclique W = 2 t V doivent etre rendues aussi grandes
que possible pour atteindre un maximum pour le temps non-mort La
valeur V* resultant de l'equation ( 6) constitue un coefficient de
qualite important
pour un gyroscope a laser annulaire.
L'invention a en consequence pour but d'ameliorer
le coefficient de qualite V* pour un gyroscope a laser annu-
laire, c'est-a-dire d'ameliorer la relation entre le temps total de
mesure et le temps mort Ce probleme est resolu en ce que le dispositif
transmettant une oscillation angulaire a un trajet de laser pour
empecher un effet de verrouillage comprend un moteur qui est
efficacement verrouille-avec le laser. Le dispositif d'entratnement
qui, conformement a l'invention, est effectivement verrouille avec le
gyroscope a laser annulaire, est de preference un moteur lineaire
piezoelectrique Lorsqu'un tel dispositif d'entrainement 251874 i entre
en contact avec un support du gyroscope a laser annulaire agence sous
la forme d'un ressort de torsion, et lorsque ce ressort de torsion est
sollicite, le gyroscope suit alors
le mouvement impose par le moteur, ce mouvement pouvant diffe-
rer de la forme sinusoidale et l'amplitude d'oscillation ainsi que la
frequence d'oscillation cyclique pouvant atteindre
des valeurs maximales.
D'apres le periodique "Mikrowellen Magazin",
volume 5, 1980, page 422, on sait deja obtenir une sollicita-
tion rectangulaire a la place de la forme sinusoidale en pre-
voyant et en commandant en correspondance un miroir magnetique dans le
trajet de laser Cependant, ces miroirs magnetiques, de meme que des
cellules de Faraday pour d'autres raisons,
diminuent l'efficacite du gyroscope a laser.
D'autres avantages et caracteristiques de l'inven-
tion seront mis en evidence dans la suite de la description,
donnee a titre d'exemple non limitatif, en reference aux dessins
annexes dans lesquels: la figure 1 est un graphique montrant l'effet
de verrouillage, les figures 2 a et 2 b sont des graphiques donnant le
temps mort par rapport au temps de mesure dans un mouvement
d'oscillation sinusoidal
les figures 3 a et 3 b sont respectivement une-
vue en plan et une vue en coupe du gyroscope a laser annulaire
conforme a l'invention;
les figures 4 a et 4 b representent deux moteurs-
superposes piezoelectriques qui sont utilisables pour produire le
mouvement d'oscillation, et les figures 5 a et 5 b sont des graphiques
donnant la relation entre le temps mort et le temps de mesure pour un
gyroscope a laser annulaire auquel une oscillation est
impartie conformement a l'invention.
En reference aux figures 3 a et 3 b, le gyroscope
a laser annulaire reel se compose d'un bloc 10 de forme trian-
gulaire qui est constitue de "zerodur" et dans lequel une ampoule
laser est integree, avec insertion modulaire realisee d'une maniere
connue, ledit gyroscope comprenant un trajet de forme triangulaire
pour les ondes lumineuses, ce trajet n'etant cependant pas represente
Dans les parties d'onde du bloc 10 en "zerodur", il est prevu trois
miroirs associes a des moyens d'entrainement piezoelectrique et
servant de reflecteurs pour equilibrer la longueur du resonateur qui
est represente par les blocs 11, 11 ' et 11 " Sur l'un de ces miroirs,
il se produit en outre un decouplage des trains
d'ondes lumineuses.
Le bloc 10 en "zerodur" est maintenu entre des disques 12 et-13 La
fixation est assuree dans ce cas dans la zone marginale a l'aide des
disques comportant une plus grande epaisseur dans leurs zones
marginales Pour obtenir le comportement d'un ressort de torsion, les
deux disques sont pourvus d'evidements 15, espaces par des nervures 14
et repartis sur un cercle Les disques sont de preference
formes de metal.
Un bloc de montage stationnaire 16 comprend une tige filetee centrale
17 orientee vers le haut Le disque inferieur 13 est engage par
glissement sur la tige filetee par l'intermediaire d'un trou central
et il est fixe sur le bloc de montage 16 au moyen des vis 18 Un gradin
19 prevu sur le bloc de montage 16 empeche un contact entre le disque
inferieur 13 et le bloc de montage 16 dans une zone qui s'etend
radialement vers l'exterieur a partir des evidements Le disque
inferieur 13 comprend au moins un bras 20, s'etendant radialement vers
l'exterieur et entraine par un moteur 21 dans une direction
tangentielle en poussee ou en traction Le disque superieur 12 comprend
un trou central filete a l'aide duquel il-est visse sur la tige
filetee 17 de maniere a maintenir le bloc de "zerodur" 10 entre lui et
le disque inferieur 13 dans la zone marginale, le bloc de "zerodur" 10
etant engage par glissement, au moyen d'une
ouverture centrale 22, sur la tige filetee 17.
En principe, plusieurs moteurs 21, 21 ' et 21 " entraines en
synchronisme pourraient solliciter plusieurs bras 20, 20 ', 20 "
s'etendant radialement; cependant on a trouve qu'un seul moteur
lineaire piezoelectrique 21 etait suffisant pour produire le mouvement
d'oscillation Ainsi le ressort de torsion 12,13-est legerement
sollicite de maniere
qu'il se produise un mouvement sans a-coups et avec verrouil-
lage positif du bloc.
Comme moteurs, on utilise des dispositis piezo-
electriques d'entrainement empiles transversalement 21, comme
indique sur les figures 4 a et 4 b Ces dispositifs d'entrai-
nement produisent de tres grandes forces de deplacement de sorte
qu'ils peuvent agir en opposition a des charges elevees
sans qu'il se produise une reduction notable du deplacement.
En consequence, lors de l'utilisation des dispositifs d'en-
trainement 21, le ressort de torsion 12, 13 peut etre dimen-
sionne de facon extremement compacte de facon qu'on puisse
obtenir, grace a l'orientation du taux d'elasticite par compa-
raison a des moteurs oscillants connus, une bien plus grande frequence
de resonance du systeme et que le systeme puisse avantageusement
fonctionner en dessous de la frequence de resonance. En renoncant
intentionnellement a une augmentation de resonance du fait de la
grande force de deplacement du moteur, on peut egalement obtenir unie
amplitude suffisante
en dessous de la frequence de resonance et, a cet egard, un -
mouvement d'entrainement different de la forme sinusoidale
s'est avere particulierement avantageux.
Conformement a l'invention, un mouvement oscillant de profil
triangulaire en dessous de la frequence de resonance du pendule
rotatif est propose et peut etre etabli par une incurvation de profil
approprie de la tension entrainant le moteur piezoelectrique
(pre-programme ou bien a l'aide d'un circuit de commande) ainsi que
par une attenuation, choisie
de facon appropriee, du pendule rotatif.
En reference aux-figures 5 a et 5 b, on peut se rendre compte qu'avec
une telle commande, on obtient une reduction remarquable du temps mort
du gyroscope par rapport au comportement connu mis en evidence sur les
figures 2 a et 2 b Sur les figures 5 a et 5 b, chaque courbe en trait
plein represente la reponse ideale tandis que la courbe en trait
interrompu represente la reponse effective de l'angle de rota-
tion et de la vitesse de rotation en fonction du temps.
Pour empecher une accumulation d'un signal d'erreur pour une sequence
periodique des intervalles de verrouillage et-pour certaines-vitesses
de rotation d'entree, l'oscillation
triangulaire peut etre avantageusement modulee Ce resultat-
peut etre obtenu par une modulation de frequence symetrique, avec
distribution stochastique, de -l'oscillation triangulaire
( A 141,1 -1) et/ou par une modulation d'amplitude de l'oscil-
lation triangulaire au moyen d'une petite composante d'oscil-
lation apparaissant de facon aleatoire -
Il est a noter que le temps-mort du gyroscope atteint un minimum si le
gyroscope oscille a la frequence periodique minimale possible de
l'oscillation triangulaire -et si, d'autre part, le pendule rotatif
mecanique a une
frequence intrinseque aussi elevee que possible Le temps-
mort est alors determine par la forme reelle du sommet trian-
gulaire, le rayon de courbure de ce sommet n'etant pas aussi
grand que le sommet sinusoidal dans le cas de resonances.
Par comparaison aux gyroscopes a laser connus jusqu'a mainte-
nant, le facteur de qualite mentionne initialement peut etre
augmente d'un degre de l'ordre de deux puissances de dix.
Bien qu'une oscillation de forme triangulaire du support de gyroscope
endessous de la frequence de resonance donne des resultats
particulierement bons, il est a noter que, l'oscillation de profil
sinusoldal a la frequence de
resonance permet egalement d'obtenir une amelioration impor-
tante par rapport aux gyroscopes connus puisque le moyen
piezoelectrique d'entrainement tangentiel est capable-d'agir en
opposition a des forces elastiques elevees de sorte que, pour une
amplitude d'oscillation ayant approximativement la meme grandeur, on
obtient une frequence de resonance bien superieure.
Claims
_________________________________________________________________
REVENDICATIONS
1 Gyroscope a laser annulaire comprenant un moyen pour transmettre une
oscillation angulaire a un trajet-de
laser en vue d'empecher un effet de verrouillage, caracte-
rise en ce que ledit moyen comprend un moteur ( 21) verrouille
efficacement avec le laser ( 10).
2 Gyroscope a laser annulaire selon la revendi-
cation 1, caracterise en ce qu'il est prevu: a) un support ( 12,13)
pour le laser ( 10), agence sous forme d'un ressort de torsion, et b)
au moins un moteur lineaire piezoelectrique
( 21) sollicitant tangentiellement le support ( 12,13).
3 Gyroscope a laser annulaire selon la revendica-
tion 2, caracterise par une stimulation du moteur lineaire ( 21) par
une oscillation differant du profil sinusoldal et comportant des
intervalles d'inversion raccourcis par
rapport a l'oscillation de profil sinusoidal.
4 Gyroscope a laser annulaire selon la reven-
dication 2, caracterise par une sollicitation du support
( 12,13) dans la position de repos du moteur lineaire piezo-
electrique ( 21).
Gyroscope a laser annulaire selon la revendica-
tin 2, caracterise en ce que le moteur lineaire piezoelectri-
que est agence sous forme d'un dispositif d'entrainement
a empilage ( 21).
6 Gyroscope a laser annulaire selon la revendica-
tion 3, caracterise en ce qu'une oscillation a une forme
triangulaire en fonction du temps.
7 Gyroscope a laser annulaire selon la revendi-
cation 6, caracterise en ce que la frequence de stimulation
est choisie inferieure a la frequence de resonance du gyros-
cope monte elastiquement ( 10).
8 Gyroscope a laser annulaire selon la revendi-
cation 6, caracterise par une modulation de frequence syme-
tric avec distribution stochastique, de l'oscillation
de forme triangulaire.
9 Gyroscope a laser selon la revendication 6, caracterise par une
modulation d'amplitude de l'oscillation de forme triangulaire au moyen
d'une petite composante
d'oscillation apparaissant de facon aleatoire.
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