Zusammenfassung: Faseroptische Gyroskope stellen eine neuartige Art von Winkelgeschwindigkeitssensoren dar. Dieser Artikel beschreibt detailliert das Funktionsprinzip eines faseroptischen Gyroskops und eines eingebetteten faseroptischen Gyroskop-Verformungsmesssystems auf Basis einer PC/104-Plattform. Zudem werden die Hardware-Zusammensetzung und die Software-Designmethode des Systems vorgestellt. Schlüsselwörter: Faseroptisches Gyroskop; PC/104; Verformungsmessung. I. Überblick: Faseroptische Gyroskope sind eine neuartige Art von Winkelgeschwindigkeitssensoren, die auf dem optischen Sagnac-Interferenzeffekt basieren und die Winkelgeschwindigkeit bewegter Objekte messen können. Durch die Bewegung des Messgeräts des faseroptischen Gyroskops entlang der zu messenden Kurve oder Oberfläche und die Aufzeichnung der Winkelgeschwindigkeitsänderung lässt sich die Trajektorie des Messgeräts und somit die Oberflächenkurve des Messobjekts bestimmen. Da für diese Messmethode lediglich eine Messstrecke eingerichtet werden muss, ist der Referenzpunkt (basierend auf dem Startpunkt) leicht zu bestimmen. Sie ermöglicht kontinuierliche, langfristige und wiederholte Messungen bei gleichzeitig hoher Messgenauigkeit und stellt somit eine neuartige Messmethode mit breiten Anwendungsmöglichkeiten dar. Die meisten praktischen Ingenieurprojekte finden jedoch im Freien statt, wobei sich das Messobjekt oft Dutzende oder sogar Hunderte von Kilometern vom Messraum entfernt befindet. Die Umgebungsbedingungen sind rau, insbesondere bei Unterwasserprojekten, wo eine Datenübertragung per Kabel unmöglich ist. Daher muss das faseroptische Gyroskop in einem geschlossenen Gehäuse („Blackbox“) untergebracht werden und über eine eigene Stromversorgung sowie die Fähigkeit zur automatischen Datenaufzeichnung und -speicherung verfügen. Eingebettete PCs arbeiten auch unter rauen Umgebungsbedingungen (wie hohen Temperaturen, hoher Luftfeuchtigkeit und Vibrationen) zuverlässig über längere Zeiträume. Die Verwendung des eingebetteten PC/104 als Plattform und ein modularer Designansatz bieten daher die optimale Lösung für das faseroptische Gyroskop-Verformungsmesssystem. Der PC/104 ist der mechanische und elektrische Standard für eingebettete PCs. Er übernimmt die Vorteile der offenen IBM-PC-Busarchitektur, ist vollständig kompatibel mit PC/AT-Rechnern und zeichnet sich durch seine extrem kompakte Bauweise, den geringen Stromverbrauch, die hohe Störfestigkeit, die gute Beständigkeit gegenüber rauen Umgebungsbedingungen und die kurzen Entwicklungszyklen aus. Es zeichnet sich durch eine kompakte, selbststapelbare und modulare Struktur aus. Die Software verwendet modulare Sprachen (wie C und C++) und objektorientierte Programmiermethoden. Die gesamte Embedded-PC-Architektur fungiert als Superchip mit allen Motherboard-Funktionen, RAM und BIOS, wodurch BIOS-Modifikationen entfallen. Das PC/104-CPU-Modul verfügt zudem über ein Solid-State-Drive (SSD), was die Notwendigkeit von Programmkorrekturen beseitigt. Die Verwendung des PC/104 als Mess- und Steuerungsplattform für das faseroptische Gyroskop vereinfacht die Hardwarestruktur des Steuerungssystems, erweitert dessen Funktionalität, erleichtert die Softwareprogrammierung und vereinfacht Systemwartung und -aktualisierung. II. Systemzusammensetzung und Funktionsprinzip Dieser Beitrag konzentriert sich auf den spezialisierten und flexiblen Aufbau eines eingebetteten Systems zur Verformungsmessung mit einem faseroptischen Gyroskop. Das System nutzt den PC/104 als Steuerzentrale und ist mit Steuerlogikschaltungen, einer elektronischen Festplatte, einem LCD-Display und einem Speicherchip ausgestattet. Es ermöglicht die Anpassung der Zuggeschwindigkeit des faseroptischen Gyroskops, die Datenspeicherung, die Echtzeit-Winkelgeschwindigkeitsanzeige sowie die Start-/Stopp-Steuerung. Ein externer Monitor und Drucker können die gemessene Verformungskurve anzeigen oder ausdrucken. Das Hauptprinzip des Systems ist in Abbildung 1 dargestellt. 1. PC/104-System: Das erste PC/104-System wurde 1987 entwickelt, seine genauen Spezifikationen wurden jedoch erst 1992 veröffentlicht. PC/104 ist ein industrieller Steuerbus speziell für eingebettete Systeme, während IEEE-P996 die Spezifikation für industrielle PC- und PC/AT-Busse darstellt. Die IEEE definiert ihn als IEEE-P996.1; daher ist PC/104 im Wesentlichen eine kompakte Version von IEEE-P996. Die Signaldefinition entspricht im Wesentlichen der von PC/AT, die elektrischen und mechanischen Spezifikationen unterscheiden sich jedoch grundlegend. Es handelt sich um ein optimiertes, kleines und gestapeltes eingebettetes Steuerungssystem. Die zentrale Steuereinheit des Systems verwendet das Motherboard S104/DX-440 der 486DX-Klasse, das vollständig kompatibel mit gängigen PC/AT-Computern ist und folgende Merkmale aufweist: (1) Es verwendet eine stromsparende 486-CPU, deren Frequenz per Jumper angepasst werden kann. (2) Der Anzeigespeicher wurde von 512 KB auf 1 MB erhöht, wodurch die Grafikdarstellungsfunktionen erweitert werden. (3) Es bietet außerdem eine CRT/LCD-Displayschnittstelle, die verschiedene Displays unterstützt. (4) Es verfügt über einen On-Board-DOC-Sockel (Disk-on-Chip), der 8 MB bis 144 MB große DOCs unterstützt. (5) Das Motherboard unterstützt zwei serielle Schnittstellen. COM1 ist eine Standard-RS-232-Schnittstelle; COM2 kann wahlweise als RS-232, TTL-Pegel oder RS-485 konfiguriert werden. (6) Das DX-440-Motherboard besitzt einen parallelen Port, einen standardmäßigen bidirektionalen LPT-Druckeranschluss. 2. Tastatur und Display: Über die Standard-Tastaturschnittstelle des PC/104-Hauptmoduls wird ein Tastenfeld angeschlossen, um die Zuggeschwindigkeit des Faseroptikgyroskops anzuzeigen, zu steuern und anzupassen. Das Display kann über ein LCD-Modul mit PC/104-Displayschnittstelle die gemessene Winkelgeschwindigkeit des Faseroptikgyroskops und die Verformungskurve des Messobjekts per Softwareprogrammierung anzeigen. 3. Messprinzip der Verformungsmessung mit einem Faseroptikgyroskop: Das im Messsystem eingesetzte Faseroptikgyroskop ist ein Sensor, der auf Winkelgeschwindigkeiten reagiert. Bewegt sich das mit dem Faseroptikgyroskop ausgestattete Messgerät nahe an die Oberfläche des Messobjekts heran, kann die Bewegungsbahn des Geräts und somit die Verformung der Oberfläche des Messobjekts erfasst werden. Angenommen, das Faseroptikgyroskop bewegt sich entlang einer eindimensionalen Kurve (siehe Abbildung) und erreicht zum Zeitpunkt i den Punkt (Xi, Yi). Die lineare Geschwindigkeit des Gyroskops beträgt Vi und die Winkelgeschwindigkeit Ω. Bei ausreichend kleinem Messzeitintervall lassen sich die Koordinaten des Punktes i+1 näherungsweise mit folgender Formel berechnen: Dabei ist der Winkel zwischen der Geschwindigkeit und der X-Achse: θi = θi-1 + Ωi·Δt, und die vom Messgerät im Messzeitintervall Δt zurückgelegte Strecke ist ΔL = Vi·Δt. In der Ingenieurvermessung wird ein faseroptisches Gyroskop entlang der zu messenden Oberfläche geführt. Die Winkel- und Lineargeschwindigkeitsdaten des Gyroskops werden über PC/104 aufgezeichnet. Anhand dieser Formeln lässt sich die tatsächliche Bahn des Gyroskops berechnen und somit die Verformungskurve des Messobjekts ermitteln. 4. Systemsteuerungssoftware: Die Steuerungssoftware wurde in C programmiert und in der Turbo C++ 3.0-Umgebung entwickelt. Sie besteht aus mehreren Komponenten, darunter das Hauptprogramm, das Datenerfassungsprogramm und das LCD-Anzeigeprogramm, und ist modular aufgebaut. Die Steuerungssoftware ermöglicht die Einstellung und Anzeige von Messparametern, das Starten und Stoppen der Messung, die Aufzeichnung der Ausgabewerte des faseroptischen Gyroskops und des Geschwindigkeitsmessers sowie die Darstellung der eindimensionalen Kurve des Messobjekts. Das Flussdiagramm der Steuerungssoftware ist in Abbildung 3 dargestellt. 5. Experimentelle Ergebnisse: Im Experiment wurde ein digitaler, einachsiger interferometrischer faseroptischer Winkelgeschwindigkeits-Gyroskop der RD-Serie aus dem Ausland verwendet. Die maximale Winkelgeschwindigkeit am Ausgang beträgt ±100°/s, die Messgenauigkeit 0,014°/s, der Skalierungsfaktor 0,00305°/s/Bit und die Datenausgabefrequenz f_out = 10 Hz. Wir haben ein Modell mit Steigung und Durchbiegung für das System erstellt, um eine eindimensionale Kurve zu simulieren. Die Originaldaten des Modells sind durch „ד (helle Linie) und die tatsächliche gemessene Kurvenverläufe durch „–“ (dunkle Linie) dargestellt. Nach mehreren Messungen des Modells zeigen die experimentellen Ergebnisse, dass das System stabil und zuverlässig arbeitet, eine hohe Messgenauigkeit aufweist und die Anforderungen der technischen Messtechnik erfüllt. III. Fazit: Die Popularität der PC-Architektur hat nicht nur die gesamte PC-Industrie hervorgebracht, sondern auch eine neue Richtung für eingebettete Systeme eröffnet. PC/104 bietet das objektorientierte Designkonzept für eingebettete Systeme. Seine einzigartigen Vorteile – geringe Größe, leistungsstarke Funktionen, hohe Performance und niedriger Preis – machen ihn zu einer modularen Komponente, die in verschiedenen eingebetteten Systemen weit verbreitet ist. Das auf der eingebetteten PC/104-Plattform basierende faseroptische Gyroskop-System zur Messung von Verformungen bietet folgende Vorteile: (1) Der modulare Aufbau ermöglicht eine einfache Hardwarestruktur, flexible Steuerung und hohe Anpassungsfähigkeit. (2) Dank des großen LCD-Bildschirms und der kleinen Tastatur ist die Bedienung benutzerfreundlich und einfach. (3) Das miniaturisierte System eignet sich für Feldtests und reduziert den manuellen Arbeitsaufwand. (4) Die Schaltungsintegration erhöht die Zuverlässigkeit des Systems. Vor dem praktischen Einsatz ist eine weitere Verbesserung und Optimierung des Messsystems erforderlich, um den Anforderungen realer, großflächiger Strukturverformungsmessungen gerecht zu werden.