Faseroptische Rotationssensoren (Faserkreisel, Faseroptische Gyroskope, abgekürzt: FOG) sind hochpräzise Sensoren zur Messung der Rotationsgeschwindigkeit. Sie gehören zur Klasse der Inertialsensoren. Aufgrund ihrer herausragenden Präzision stellen sie neben Laserkreiseln die Standardsensoren für die Drehratenmessung dar, die in inertialen Navigationssystemen der Luft- und Raumfahrt zum Einsatz kommen. Ihre hohe Robustheit, außerdem ihre im Vergleich zu konkurrierenden Sensortypen geringe Warmlaufzeit sind Eigenschaften, wegen deren sie auch für militärische Anwendungen eingesetzt werden. Ein wichtiges Kriterium für die genannten Anwendungen ist die Nullpunktstabilität der FOGs, die Drift. Unter der Nullpunktstabilität versteht man die Forderung, dass zunächst bei völligem Stillstand des Sensors dessen Ausgangssignal ebenfalls "null ist", und dass diese Bedingung auch unter variierenden Betriebsbedingungen sowie bei Alterung erfüllt bleibt. In der Praxis wird unter der Wirkung verschiedener Einflussgrößen und durch elektronisches Rauschen jedoch immer eine stochastische Fluktuation (Rauschen und Drift) des Nullsignals auftreten, die natürlich so klein wie möglich sein sollte, da sie die untere Unsicherheitsschwelle, somit die Auflösungsgrenze des Messsystems darstellt. Optimierte Labormuster von Faserkreiseln erreichen extrem kleine Driftwerte von 10-3°/h und darunter. In der realen Anwendungsumgebung verschlechtern dagegen Einflüsse wie elektrische und magnetische Felder, Vibration und Temperaturfluktuationen diese Daten beträchtlich, sodass handelsübliche FOGs eine Genauigkeit von nur noch etwa 1°/h aufweisen. Da zur Langstreckennavigation Driften von weniger als 10-2°/h nötig sind, können Faserkreisel für viele Navigationsanwendungen noch nicht eingesetzt werden. Während optische und elektromagnetische Effekte im Faserkreisel sehr gut untersucht sind, erfuhren die Wirkungsmechanismen mechanischer Einflüsse auf den Faserkreisel bisher wenig Interesse bzw. Analyse. Nicht nur die Recherche von Veröffentlichungen zum Thema Faserkreisel, sondern auch Gespräche mit der Industrie zeigten, dass hier ein Wissensdefizit besteht. Dieses möchte die vorliegende Arbeit mindern. Das Ziel der hier vorgestellten Untersuchungen ist, den Einfluss der Störfaktoren Temperatur und Vibration zu untersuchen. Es sollten mathematische Modelle entwickelt werden, mit denen die Entwicklung neuer Sensoren auf eine zuverlässigere Grundlage gestellt werden kann. Dadurch sollen die bisher weitgehend üblichen experimentellen Verfahren durch leistungsfähigere Tools ersetzt werden können.

    Fiberoptic rotation rate sensors (Fiberoptic Gyroscopes, abbr. FOG) are highly precise sensors to measure rotation rates. They belong to the class of inertial sensors. Due to their extraordinary precision, FOGs are, besides Ring Laser Gyroscopes, the most common choice for rotation rate sensors in inertial navigation systems for aeronautics and space flight. Their robustness and low warmup time make them a desirable choice for military applications. An important criterion for the applications mentioned before is the zero point stability of FOGs, i.e. its drift. This is equivalent to demanding the sensor output to be zero if the sensor is absolutely still, thereby not being affected by external influences and aging effects. In practice, this will not be the case. Several external effectors and internal noise will always lead to statistical fluctuations (noise and drift) of the "zero signal", thus defining the sensor's accuracy. Optimized laboratory setups reach extremely low drifts below 10-3°/h. In real world applications, however, external influences like electric and magnetic fields, vibration, temperature fluctuations, etc. deteriorate this value considerably. It is due to those and other influences that commercial FOGs show drifts that are usually not better than about 1°/h. Since long distance navigation applications demand drifts of less than 10-2°/h, FOGs cannot be used in this area, yet. While optical and electromagnetic effects in FOGs are very well understood, mechanical and thermal effects have received little interest in the scientific community. Research of scientific papers about FOGs and discussions with industry experts in this field both clearly show a deficit of scientific knowledge of the afore mentioned subject. It is this work's objective to improve this situation. The goal of the present work is to investigate the effects of temperature variations and vibration on FOGs. Models are presented based on analytical calculations and Finite Element simulations that aim to assist the development of new and the refinement of existing FOGs. The usual "trial and error" approach shall ideally be replaced, more realistically be assisted by simulations based on the presented models.


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    Titel :

    Physikalische Modellierung und Analyse thermisch und mechanisch bedingter Messabweichungen in faseroptischen Rotationssensoren


    Beteiligte:
    Schadt, Frank (Autor:in)

    Erscheinungsdatum :

    2012


    Format / Umfang :

    129 Seiten, 82 Bilder, 9 Tabellen, 74 Quellen


    Medientyp :

    Hochschulschrift


    Format :

    Print


    Sprache :

    Deutsch




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