專利名稱：用光和電信號的相位差在短光程內(nèi)測量光速的方法和系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種測量光速的方法和系統(tǒng)，特別是一種用光和電信號的相位差在短光程內(nèi)測量光速的方法和系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有教學(xué)用的光速測量方法多根據(jù)位相法測光速的原理設(shè)計(jì)。一類屬于光強(qiáng)調(diào)制型，參見西德PHY WE公司樣本P.535。一類屬于調(diào)頻型，參見南京大學(xué)《近代物理實(shí)驗(yàn)講義》實(shí)驗(yàn)三十二，以及南京大學(xué)、南京激光儀器廠CG-II型光速儀說明書。前者只涉及光強(qiáng)調(diào)制的概念，用不可見光。后者涉及聲光互相作用，光頻移和光拍等多種物理概念，用可見光。這些光速儀需用光電倍增管及配套的高壓電源，測量光速時需要高頻示波器，光路不易于調(diào)節(jié)。
實(shí)用新型專利85201061中的多用途光速測量儀使用了He-Ne激光器和電動機(jī)驅(qū)動的斬光器，通過分光光路和感光器形成光拍電信號。該光速儀光路復(fù)雜，由于使用了機(jī)械斬光器，使得光信號頻率低且不穩(wěn)定。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種用光和電信號的相位差在短光程內(nèi)測量光速的方法和系統(tǒng)，滿足物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需要。
為達(dá)到上述的目的，本發(fā)明采用下述方案一種用光和電信號的相位差在短光程內(nèi)測量光速的方法，其特征操作步驟為(1)將高振蕩頻率f的電信號分為同頻同相的兩路信號。一路經(jīng)光電發(fā)射系統(tǒng)發(fā)射經(jīng)可調(diào)距離的光程Δs由光電接收系統(tǒng)接收，另一路由電信號發(fā)射系統(tǒng)經(jīng)由固定長度的電纜，由電信號接收系統(tǒng)接收。
(2)上述接收到的兩路電信號，分別與一次高振蕩頻率f′的電信號相乘，經(jīng)濾波而分別測量信號和參考信號。
(3)將分別測得的測量電信號和參考信號分別輸入雙蹤示波器，利用示波器測量兩信號的時間差Δt1。
(4)下式求得光速
c=ΔsΔt1·T1·f]]>式中T1=1100KHz=10ms]]>f＝60.000MHz在上述方法中，高振蕩頻率f為60,000MHZ±2.000MHZ，次高振蕩頻率f′比高振蕩頻率f低100±20KHZ。
在上述方法中，采用一個有源晶體振蕩器產(chǎn)生所述的60.000MHZ高振蕩頻率的電信號，采用另一個有源晶體電振蕩器(5)產(chǎn)生所述的次高振蕩頻率的電信號。
在上述方法中，所述的光電發(fā)射系統(tǒng)是所述的高振蕩頻率為60.000MHZ的電信號經(jīng)一個激光調(diào)制器(2)，將電信號調(diào)制在一個激光二極管(3)上，輸出波長為600-780nm，功率小于5mW的紅色激光束，所述的光接收系統(tǒng)是采用激光信號接收電路(4)。
在上述方法中，所述的光程Δs為激光二極管(3)與激光信號接收電路之間的距離，調(diào)整其距離即改變光程大小。
在上述方法中，所述的電信號發(fā)射系統(tǒng)采用一個電信號發(fā)送器(9)，所述的電信號接收系統(tǒng)采用一個電信號接收器(11)。
一種用光和電信號的相位差在短光程內(nèi)測量光速的系統(tǒng)，其特征在于一個有源晶體電振蕩器(1)的輸出分成兩路一個經(jīng)一個激光調(diào)制器(2)連接一個激光二極管(3)，激光二極管(3)發(fā)射口經(jīng)光程Δs對準(zhǔn)激光信號接收電路(4)的輸入口；另一路由一個電信號發(fā)送器(9)和固定長度電纜(10)連接一個電信號接收器(11)的輸入口；激光信號接收電路(4)和電信號接收器(11)的輸出分別連接兩個乘法器(6、12)的輸入口；另一個有源晶體電振蕩器(5)的輸出分成兩路分別連接兩個乘法器(6、12)的另一個輸入口；兩個乘法器(6、12)的輸出分別經(jīng)兩個濾波器(7、13)分別連接雙蹤示波器(15)的二輸入端。
在上述系統(tǒng)中，所述的兩個濾波器(7、13)、有源晶體電振蕩器(5)、激光信號接收電路(4)和電信號接收器(11)的輸出各連接一個測量端子(8、14、16、17、18)。
本發(fā)明的原理如下如果光信號的調(diào)制頻率為f，周期為T則光信號可以表示為I＝I0+ΔI0·cos(2π·f·t) (1)
如果光接收器和發(fā)射器的距離為Δs，則光的傳播延時為Δt=Δsc---(2)]]>其中c為光速。在Δs的距離上產(chǎn)生的相位為 被光電檢測器接收后變?yōu)殡娦盘?，該電信號被濾除直流后可表示為U＝a·cos(2π·f·t-Δ) (4)將式(2)代入式(3)可得光速 如果光的調(diào)制頻率為非常高，在短的傳播距離Δs內(nèi)也會大的相位差Δ。如果光的調(diào)制頻率f＝60.000MHz，則Δs＝5m就會使光信號的相位移達(dá)到一個周期Δ＝2π。然而高頻信號的測量和顯示是非常不方便的，普通的教學(xué)示波器不能用于高頻信號的相位差測量。
設(shè)在接收端還有一個高頻電信號f′＝59.900MHz作為參考信號。表示為U′＝a′·cos(2π·f′·t)(6)將U和U′相乘得到 可見經(jīng)乘法器后將得到和頻f+f′＝60.000+59.900＝119.000MHz和差頻f1＝f--f′＝60.000-59.900＝100KHz的混合信號。將該混合信號通過一個中心頻率為100KHz的帶寬為10KHz的濾波器后，和頻信號將被濾除，差頻信號將保留。(7)式將變?yōu)閁1＝a1·cos(2π.f1·t-Δ) (8)該信號的頻率僅為100KHz，可以很容易地被低頻示波器觀測到。(8)式中Δ沒有被改變與(4)式相同，Δ與信號f1的傳播時間Δt1相關(guān)，Δt1可以從示波器上觀測到。設(shè)f1的周期為T1，則 將(9)式帶入(5)式得光速c=ΔsΔt1·T1·f---(10)]]>依上面的條件T1=1100KHz=10ms]]>，f＝60.000MHz。測得Δs，Δt1即可由(10)式計(jì)算出光速。
本發(fā)明與現(xiàn)有的技術(shù)相比較，具有如下顯而易見的突出實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明提供的光測速方法和系統(tǒng)是利用光和電位差，在5米距離的短光程內(nèi)可實(shí)現(xiàn)對光速的測量，高精度的達(dá)到光速測量的目的。本發(fā)明中，調(diào)節(jié)激光二極管與激光信號接收電路之間的距離即可達(dá)到調(diào)整光程大小，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，易于構(gòu)建，成本低，便于操作使用，能滿足物理試驗(yàn)教學(xué)的需要。


附圖是本發(fā)明一個實(shí)施例。用光和電信號的相位差在短光程內(nèi)測量光速的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例一參見附圖。本用光和電信號的相位差在短光程內(nèi)測量光速的方法步驟為(1)光電信號發(fā)送系統(tǒng)中采用一個振蕩頻率為60.000MHz的電信號源，該信號被分為同頻同相兩路，一路經(jīng)電信號發(fā)送電路發(fā)送到傳輸電纜上。傳輸電纜的另一端連接光電信號接收系統(tǒng)，該電纜的長度固定；另一路用于調(diào)制激光二極管，使其輸出的激光為高頻調(diào)制光，該光經(jīng)過一個可以調(diào)節(jié)長度的光程也到達(dá)光電信號接收系統(tǒng)。移動光電信號發(fā)送系統(tǒng)和接收系統(tǒng)的距離，可以在傳輸電纜的長度內(nèi)任意改變光程的大小。
(2)在光電信號接收系統(tǒng)內(nèi)用一個振蕩頻率為59.900MHz的電信號源，該信號被分為同頻同相兩路。接收系統(tǒng)有一個激光信號接收電路，用于將接收到的激光信號變?yōu)殡娦盘枺贿@路電信號與59.900MHz信號相乘，又經(jīng)窄帶濾波器濾波得到測量信號。
在光電信號接收系統(tǒng)內(nèi)還用一個電信號接收電路，用于接收由電纜發(fā)送過來的電信號。這電信號也與59.900MHz相乘，也經(jīng)窄帶濾波器濾波得到參考信號。
(3)將測量信號和參考信號分別輸入雙蹤示波器的二輸入端，利用示波器測量信號的時間差。
(4)按下式求得光速c=ΔsΔt1·T1·f]]>式中T1=1100KHz=10ms]]>，f＝60.000MHz實(shí)施例二參照附圖。本用光和電信號的相位差在短光程內(nèi)測量光速的系統(tǒng)，源晶體電振蕩器(1)生頻率為60.000MHz的高頻正弦信號，該信號分為a1和a2兩路，a1經(jīng)激光調(diào)制器(2)，將交流電信號調(diào)制在激光二極管(3)上，輸出波長為600-780nm、功率小于5mW的紅色激光束，經(jīng)光程s1到達(dá)激光信號接收電路(4)。激光信號接收電路(4)將光信號變?yōu)殡娦盘朾1；有源晶體電振蕩器(5)產(chǎn)生頻率為59.900MHz的高頻正弦信號，該信號分為c1和c2兩路。信號b1和c1經(jīng)乘法器(6)相乘后再經(jīng)過中心頻率為100KHz，帶寬為10KHz的濾波器(7)濾波，保留b1×c1的差頻信號，輸出給測量端子(8)作為測量信號d1(頻率為100KHz，幅度為2.5Vp_p正弦波)。
信號a2經(jīng)電信號發(fā)送器(9)，將60.000MHz的高頻正弦信號變?yōu)榈碗妷翰罘中盘朙VDS(共模電壓小于2V，差模電壓大于100mVpp)，通過電纜(10)到達(dá)電信號接收器(11)。電信號接收器(11)將LVDS變?yōu)橥l率(60.000MHz)的電信號b2。
信號b2和c2經(jīng)乘法器(12)相乘后再經(jīng)過中心頻率為100KHz，帶寬為10KHz的濾波器(13)濾波，保留b2×c2的差頻信號，輸出給測量端子(14)作為參考信號d2(頻率為100KHz，幅度為2.5Vp_p正弦波)。
信號d1，d2分別送示波器的Y軸輸入端Y1，Y2。調(diào)節(jié)示波器的電壓衰減量，和X軸掃描時間，使d1，d2完整顯示在示波器上。
設(shè)當(dāng)光程為s1時，得d2相對與d1的時間差為t1；增加光程，使變?yōu)閟2，得d2相對與d1的時間差為t2；計(jì)算Δt1＝t2-t1，Δs＝s2-s1帶入c=ΔsΔt1·T1·f]]>式即可得光速。
權(quán)利要求
1.一種用光和電信號的相位差在短光程內(nèi)測量光速的方法，其特征操作步驟為(1)將高振蕩頻率f的電信號分為同頻同相的兩路信號。一路經(jīng)光電發(fā)射系統(tǒng)發(fā)射經(jīng)可調(diào)距離的光程Δs由光電接收系統(tǒng)接收，另一路由電信號發(fā)射系統(tǒng)經(jīng)由固定長度的電纜，由電信號接收系統(tǒng)接收。(2)上述接收到的二路電信號，分別與一次高振蕩頻率f′的電信號相乘，經(jīng)濾波后分別測量信號和參考信號。(3)將分別測得的測量電信號和參考信號分別輸入雙蹤示波器，利用示波器測量兩信號的時間差Δt1。(4)按下式求得光速c=ΔsΔt1·T1·f]]>式中T1=1100KHz=10ms,f=60.000MHz.]]>
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用光和電信號的相位差在短光程內(nèi)測量光速的方法，其特征在于所述的高振蕩頻率f為60.000MHZ±2.000MHZ，次高振蕩頻率f′比高振蕩頻率f低100±20KHZ。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的用光和電信號的相位差在短光程內(nèi)測量光速的方法，其特征在于用一個有源晶體電振蕩器(1)產(chǎn)生所述的60.000MHZ高振蕩頻率的電信號，采用另一個有源晶體電振蕩器(5)產(chǎn)生所述的次高振蕩頻率的電信號。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的用光和電信號的相位差在短光程內(nèi)測量光速的方法，其特征在于所述的光電發(fā)射系統(tǒng)是所述的高振蕩頻率為60.000MHZ的電信號經(jīng)一個激光調(diào)制器(2)，將電信號調(diào)制在一個激光二極管(3)上，輸出波長為600-780nm，功率小于5mW的紅色激光束，所述的光接收系統(tǒng)是采用激光信號接收電路(4)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的用光和電信號的相位差在短光程內(nèi)測量光速的方法，其特征在于所述的光程Δs為激光二極管(3)與激光信號接收電路之間的距離，調(diào)整其距離即改變光程大小。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用光和電信號的相位差在短光程內(nèi)測量光速的方法，其特征在于所述的電信號發(fā)射系統(tǒng)采用一個電信號發(fā)送器(9)，所述的電信號接收系統(tǒng)采用一個電信號接收器(11)。
7.一個用光和電信號的相位差在短光程內(nèi)測量光速的系統(tǒng)，其特征在于一個有源晶體電振蕩器(1)的輸出分成兩路一個經(jīng)一個激光調(diào)制器(2)連接一個激光二極管(3)，激光二極管(3)發(fā)射口經(jīng)光程Δs對準(zhǔn)激光信號接收電路(4)的輸入口；另一路由一個電信號發(fā)送器(9)和固定長度電纜(10)連接一個電信號接收器(11)的輸入口；激光信號接收電路(4)和電信號接收器(11)的輸出分別連接兩個乘法器(6、12)的輸入口；另一個有源晶體電振蕩器(5)的輸出分成兩路分別連接兩個乘法器(6、12)的另一個輸入口；兩個乘法器(6、12)的輸出分別經(jīng)兩個濾波器(7、13)分別連接雙蹤示波器(15)的二輸入端。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的用光和電信號的相位差在短光程內(nèi)測量光速的系統(tǒng)，其特征在于所述的兩個濾波器(7、13)、有源晶體電振蕩器(5)、激光信號接收電路(4)和電信號接收器(11)的輸出各連接一個測量端子(8、14、16、17、18)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用光和電信號的相位差在短光程內(nèi)測量光速的方法和系統(tǒng)。本發(fā)明的方法是——把高振蕩頻率f的電信號分為兩路，一路經(jīng)光程Δs的光電信號傳輸，一路經(jīng)固定長度電纜的電信號傳輸，其輸出電信號分別與一次高振蕩頻率f′的電信號相乘，再經(jīng)濾波后分別輸入一臺雙蹤示波器的兩個輸入口，由其測量兩信號的時間差Δt，按c=Δs/Δt·T
文檔編號G01J7/00GK1945245SQ20061011732
公開日2007年4月11日 申請日期2006年10月19日 優(yōu)先權(quán)日2006年10月19日
發(fā)明者薛雷, 李向亭 申請人:上海大學(xué)