CN110531103A - 一种基于利萨如图形的光速测量方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于利萨如图形的光速测量方法与装置，属于光速测量领域，本发明的方法步骤如下：获取光拍频波；将光拍频波分成远程光和近程光分别照射到光电接收盒内；光电接收盒对接收的远程、近程光拍转化为光拍频高频信号并进行滤波、放大处理，获得两束频率相同的光拍信号；对频率相同相位不同的两束光拍进行电磁波分离；分离获得的光拍信号分别输入示波器，利用利萨如图形判断远近程光拍的相位差。本发明基于利萨如图形测量光速，实现准确判断远近光拍的相位差和光程差，提高光速测量的精度，通过多次反射光拍的反射镜组的设计实现减小光速测定仪的尺寸和重量。

Description

一种基于利萨如图形的光速测量方法与装置

技术领域

本发明属于光速测量技术领域，具体涉及一种基于利萨如图形的光速测量方法与装置。

背景技术

光拍法测光速时，远近光拍接入示波器同一个通道，显示为两个正弦波。目前同过两束正弦波同向和反向状态的比较，来测量两束光拍的相位差，从而确定光拍的波长，判断同向和反向需要波峰或波谷对齐，此时容易出现较大的误差，可参见图1、2所示。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于利萨如图形的光速测量方法与装置，本发明基于利萨如图形测量光速，实现准确判断远近光拍的相位差和光程差，提高光速测量的精度，通过多次反射光拍的反射镜组的设计实现减小光速测定仪的尺寸和重量。

本发明为实现上述目的所采取的技术方案为：一种基于利萨如图形的光速测量方法，步骤如下：

-获取光拍频波；

-将光拍频波分成远程光和近程光分别照射到光电接收盒内；

-光电接收盒对接收的远、近光转化为光拍频高频信号并进行滤波、放大处理，获得两束频率相同的电磁波；

-对频率相同相位不同的两束光拍进行电磁波分离；

-分离获得的光拍信号分别输入示波器，利用利萨如图形判断远近程光拍的相位差。

在现有教学使用的光速测量设备中，远程光需要经过两个全反镜、三个三棱镜、一个半反镜的精细调节，光束才能到达光电接收器的光敏面，调节难度较大。因此，会导致使用者经过调试使示波器上显示信号波形时即认为光速测量试验获得成功，但是两束光拍所对应正弦波的重合度判断时会存在误差，即每次观察正弦波波峰和波谷对齐时容易出现误差，例如将远程光的波形相对近程光的波形偏移1毫米，此条件下计算光速和两束波波峰完全对齐的情况下计算光速，其结果为两正弦波完全对齐时光速计算误差在0.1％，而两束波相距1毫米时光速计算误差达到1.2％，因此，本发明通过对频率相同相位不同的两束光拍的电磁波分离，并将分离获得的两束光拍信号分别输入示波器，利用正负斜率直线的利萨如图形的出现来判断两束光拍信号的相位同向和反向，从而确定光拍信号的波长。本发明使用利萨如图形确定远近程光的相位差和光程差从而来测量光速可以提高测量的精度。

可选的，频率相同相位不同的两束光拍的电磁波分离后分别输入双踪示波器纵向输入端的第一通道和第二通道，选择示波器X-Y模式。

可选的，利用利萨如图形判断远近程光拍的相位差过程为：

当利萨如图形是一三象限直线时，直线斜率为正，此时远近光程同向，相位差是2π.当利萨如图形是二四象限直线时，直线斜率为负，此时远近光程反向，相位差是π，通过改变远程光光程来改变远近光的相位差。

可选的，利用光拍处理器对频率相同相位不同光拍的电磁波分离，光拍处理器利用波叠加原理实现将频率相同相位不同的电磁波进行分离，具体为：在波的重叠区域里各点的振动的物理量等于各列波在该点引起的物理量的矢量和。在两列波重叠的区域里，任何一个质点同时参与两个振动，其振动位移等于这两列波分别引起的位移的矢量和，当两列波振动方向在同一直线上时，这两个位移的矢量和在选定正方向后可简化为代数和。

一种基于利萨如图形的光速测量装置，包括，设置在箱体上的发射模块和接收模块，发射模块包括：

氦氖激光器，氦氖激光器发射方向对应安装有声光移频器，声光移频器对应安装光栏，

全反射镜，与光栏对应安装，全反射镜射光路径上对应安装有用于对光分成远程光和近程光的半反射镜I和斩光器，半反射镜I和斩光器对应安装有半反射镜II和全反射镜II用于反射近程光和远程光，

其中，近程光通过半反射镜II反射路径上对应安装光电接收盒，远程光分别通过第一反射镜组、第二反射镜组、第三反射镜组反射后通过半反射镜II射入光电接收盒，

其中，第二反射镜组、第三反射镜组分别安装在滑块上，箱体上安装有用于与滑块配合的导轨，第一反射镜组为固定设置。本发明通过上述部件在箱体上的结合设置解决了虚假相移产生的问题，具体的说是通过上述部件结合设置使远近程光中的远程光可由第二反射镜组、第三反射镜组与其余部件的相对位置关系调整快速使远近程光均沿L光轴射到光敏面上，使光电管光敏面上各点的电子渡越时间一致，避免虚假相移产生，快速且精准获取远近程光的光程差，降低光速测量实验过程中调节远程光入射到光敏面的难度，避免实验失败或光速测量值不精准。

可选的，接收模块包括：

光电接收盒，光电接收盒上设有与半反射镜II对应安装的分频器，且其内部还设有滤波放大电路，分频器上设有光电二级管，光电二级管表面设光敏面，

光拍处理器，与光电接收盒内的滤波放大电路连接，光拍处理器还和示波器进行连接。根据光电接收盒内的光电二极管将远近程光转化为光拍频的高频电信号，信号被放大后输入到分频器盒中。通过光拍处理器使同频率但相位不同的远程光拍和近程光拍进行分离，分别接入示波器纵向输入端的第一通道和第二通道。同时的，高频超声信号源的另一路信号也输入至分频器盒中，被选频并放大后作为示波器的外部触发信号源。另外，光拍信号的频率是入射超声波频率的两倍，将超声波正弦信号接入到频率计上即可测量光拍信号的频率。

光拍处理器利用波叠加原理实现将频率相同相位不同的电磁波进行分离，具体为：在波的重叠区域里各点的振动的物理量等于各列波在该点引起的物理量的矢量和。在两列波重叠的区域里，任何一个质点同时参与两个振动，其振动位移等于这两列波分别引起的位移的矢量和，当两列波振动方向在同一直线上时，这两个位移的矢量和在选定正方向后可简化为代数和。

可选的，第一反射镜组、第二反射镜组、第三反射镜组均由第一反射镜和连接板体组成，第一反射镜设于连接板体两端部构成等腰梯形状，连接板体两端的第一反射镜分别用于接收远程光和射出远程光。将第一反射镜组、第二反射镜组、第三反射镜组设计成由第一反射镜和连接板体组成的方式这样扩大远程光在连接板体两端第一反射镜之间的光程，以此增加远程光和近程光的光程差，当然还可以在连接板体上设置多个第一反射镜进一步扩大远程光的射程，连接板体两端第一反射镜之间的光程的增加可缩短第二反射镜组、第三反射镜组沿滑块的滑行距离，实现缩短第二反射镜组、第三反射镜组在X轴方向上的调整距离，从而可有效减小光速测量装置的整体尺寸和重量，而且X轴方向的调整距离的缩小，有利于调整精度的提高以及调整时间的缩短。

可选的，连接板体长度大于两第一反射镜呈45°夹角且一端部连接状态下两第一反射镜之间反射光程距离。实现扩大远程光在连接板体两端第一反射镜之间的光程，以此增加远程光和近程光的光程差。

可选的，全反射镜I、全反射镜II、全反射镜III、半反射镜I、半反射镜II上均设有水准仪。保持每个反射镜处于水平状态，从而使光拍可以一直沿着水平方向传输，提高光速测量精准性

可选的，箱体侧面设有操作按钮，光电接收盒上设有旋钮I、旋钮II、窗口。通过调节旋钮I和旋钮II可实现远近程光到达光敏面的同一空间位置，避免产生虚假相移。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明通过对对频率相同相位不同的两束光拍的电磁波分离，并将分离获得的电磁波分别输入示波器，利用相位比较法使用利萨如图形中的斜率正、负直线的出现判断两束光拍信号的相位同向和反向。本发明使用利萨如图形确定远近程光的相位差和光程差从而来测量光速可以提高测量的精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是背景技术中描述的两束正弦波同向状态在在示波器中波形存在偏差的示意图；

图2是背景技术中描述的两束正弦波反向状态在在示波器中波形存在偏差的示意图；

图3是本发明的基于利萨如图形的光速测量方法流程示意图；

图4是利萨如图形随相位差的变化图；

图5是本发明的基于利萨如图形的光速测量装置示意图；

图6是近程光、远程光将产生虚假相移造成误差的示意图；

图7是第一反射镜组、第二反射镜组、第三反射镜组的结构示意图；

图8是第一反射镜组、第二反射镜组、第三反射镜组的俯视图；

图9是基于利萨如图形的光速测量装置的光路图；

图10是基于利萨如图形的光速测量装置的原理图；

图11是实施例3采用另一基于利萨如图形的光速测量装置的光路图；

图12是实施例3采用另一基于利萨如图形的光速测量装置的原理图；

图13是实施例3中另一第一反射镜组、第二反射镜组、第三反射镜组的结构俯视图。

附图标记说明：1氦氖激光器；2声光移频器；3操作按钮；4光栏；5全反射镜I、6全反射镜II、7全反射镜III；8半反射镜I、9半反射镜II；10第一反射镜组；11第二反射镜组、12第三反射镜组；13斩光器；14、15导轨；16箱体；17光电接收盒；18分频器；19窗口；20旋钮I；21旋钮II；22光电二极管；23光敏面；24箱体；25水准仪；50第一反射镜体；60连接板体。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

参见图3、4所示：

一种基于利萨如图形的光速测量方法，步骤如下：

-获取光拍频波；

-将光拍频波分成远程光和近程光分别照射到光电接收盒内；

-光电接收盒对接收的远、近光转化为光拍频高频信号并进行滤波、放大处理，获得两束频率相同的电磁波；

-对频率相同相位不同光拍的电磁波分离；

-分离获得的电磁波分别输入双踪示波器纵向输入端的第一通道和第二通道，选择示波器X-Y模式，利用利萨如图形判断远近程相位差。

利用利萨如图形判断远近程相位差过程为：

当利萨如图形是一三象限直线时，直线斜率为正，此时远近光程同向，相位差是2π.当利萨如图形是二四象限直线时，直线斜率为负，此时远近光程反向，相位差是π，通过改变远程光光程来改变远近光的相位差。

在现有教学使用的光速测量设备中，远程光需要经过两个全反镜、三个三棱镜、一个半反镜的精细调节，光束才能到达光电接收器的光敏面，调节难度较大。因此，会导致使用者经过调试使示波器上显示信号波形时即认为光速测量试验获得成功，但是两束光拍对应正弦波的重合度判断时会存在误差，即每次观察正弦波波峰和波谷对齐时容易出现误差，例如将远程光的波形相对近程光的波形偏移1毫米，此条件下计算光速和两束波波峰完全对齐的情况下计算光速，其结果为两正弦波完全对齐时光速计算误差在0.1％，而两束波相距1毫米时光速计算误差达到1.2％，因此，本发明通过对频率相同相位不同的两束光拍的电磁波分离，并将分离获得的两束光拍信号分别输入示波器，利用正负斜率直线的利萨如图形的出现来判断两束光拍信号的相位同向和反向，从而确定光拍信号的波长。本发明使用利萨如图形确定远近程光的相位差和光程差从而来测量光速可以提高测量的精度。

实施例2：

参见图5-10所示，一种基于利萨如图形的光速测量装置，包括，设置在箱体24上的发射模块和接收模块，发射模块包括：

氦氖激光器1，氦氖激光器1发射方向对应安装有声光移频器2，声光移频器2对应安装光栏4，

全反射镜5，与光栏4对应安装，全反射镜5射光路径上对应安装有用于对光分成远程光和近程光的半反射镜I8和斩光器13，半反射镜I8和斩光器13对应安装有半反射镜II9和全反射镜II6用于反射近程光和远程光，

其中，近程光通过半反射镜II9反射路径上对应安装光电接收盒17，远程光分别通过第一反射镜组10、第二反射镜组11、第三反射镜组12反射后通过半反射镜II9射入光电接收盒17，

其中，第二反射镜组11、第三反射镜组12分别安装在滑块上，箱体24上安装有用于与滑块配合的导轨14、15，第一反射镜组10为固定设置。本发明通过上述部件在箱体24上的结合设置解决了虚假相移产生的问题，具体的说是通过上述部件结合设置使远近程光中的远程光可由第二反射镜组11、第三反射镜组12与其余部件的相对位置关系调整快速使远近程光均沿L光轴射到光敏面上，使光电管光敏面上各点的电子渡越时间一致，避免虚假相移产生，快速且精准获取远近程光的光程差，降低光速测量实验过程中调节远程光入射到光敏面的难度，避免实验失败或光速测量值不精准。

接收模块包括：

光电接收盒17，光电接收盒17上设有与半反射镜II9对应安装的分频器18，且其内部还设有滤波放大电路，分频器18上设有光电二级管22，光电二级管22表面设光敏面，

光拍处理器，与光电接收盒17内的滤波放大电路连接，光拍处理器还和示波器进行连接。根据光电接收盒内的光电二极管22将远近程光转化为光拍频的高频电信号，信号被放大后输入到分频器盒中。通过光拍处理器使同频率但相位不同的远程光拍和近程光拍进行分离，分别接入示波器纵向输入端的第一通道和第二通道。同时的，高频超声信号源的另一路信号也输入至分频器盒中，被选频并放大后作为示波器的外部触发信号源。另外，光拍信号的频率是入射超声波频率的两倍，将超声波正弦信号接入到频率计上即可测量光拍信号的频率。

光拍处理器利用波叠加原理实现将频率相同相位不同的电磁波进行分离，具体为：在两列波重叠的区域里，任何一个质点同时参与两个振动，其振动位移等于这两列波分别引起的位移的矢量和，当两列波振动方向在同一直线上时，这两个位移的矢量和在选定正方向后可简化为代数和。

本发明的光拍处理器中采用单片机控制来对频率相同相位不同的两束光拍进行电磁波分离，分离后两束光拍分别接入双踪示波器纵向输入端的第一通道和第二通道。

第一反射镜组10、第二反射镜组11、第三反射镜组12均由第一反射镜50和连接板体60组成，第一反射镜50设于连接板体60两端部构成等腰梯形状，连接板体60两端的第一反射镜50分别用于接收远程光和射出远程光。将第一反射镜组10、第二反射镜组11、第三反射镜组12设计成由第一反射镜50和连接板体60组成的方式这样扩大远程光在连接板体60两端第一反射镜50之间的光程，以此增加远程光和近程光的光程差，当然还可以在连接板体60上设置多个第一反射镜50进一步扩大远程光的射程，连接板体60两端第一反射镜50之间的光程的增加可缩短第二反射镜组11、第三反射镜组12沿滑块的滑行距离，实现缩短第二反射镜组11、第三反射镜组12在X轴方向上的调整距离，从而可有效减小光速测量装置的整体尺寸和重量，而且X轴方向的调整距离的缩小，有利于调整精度的提高以及调整时间的缩短。如：现有光速测量器使用第二反射镜组11或第三反射镜组12沿X轴方向偏移1mm远程光1L的距离，使用本发明的装置使用第二反射镜组11或第三反射镜组12沿X轴方向偏移1mm远程光1L以上的距离，以此可实现提高调整效率，并缩小装置体积。

连接板体60长度大于两第一反射镜50呈45°夹角且一端部连接状态下两第一反射镜50之间反射光程距离。实现扩大远程光在连接板体60两端第一反射镜50之间的光程，以此增加远程光和近程光的光程差。

全反射镜I5、全反射镜II6、全反射镜III7、半反射镜I8、半反射镜II9上均设有水准仪25。保持每个反射镜处于水平状态，从而使光拍可以一直沿着水平方向传输，提高光速测量精准性

箱体24侧面设有操作按钮3，光电接收盒17上设有旋钮I20、旋钮II21、窗口19。通过调节旋钮I20和旋钮II21可实现远近程光到达光敏面的同一空间位置，避免产生虚假相移。

实施例3：

本实施例提供另一种基于利萨如图形的光速测量装置，与实施例2的一种基于利萨如图形的光速测量装置区别在于：组成第一反射镜组10、第二反射镜组11、第三反射镜组12的组成方式不同，取消的连接板体60的设计，在滑块上分别设置多块第一反射镜50，使远程光在第一反射镜组10或第二反射镜组11或第三反射镜组12上可进行多次反射，例如在第一反射镜组10上可进行4次反射，如图13所示，相比较于现有的反射棱镜两次反射来说增加了两次反射并扩大了远程光光程，通过分别设计图13结构的第一反射镜组10、第二反射镜组11、第三反射镜组12可实现减小远程光单次反射时的光程，减小光速测量装置的整体尺寸和重量，而且X轴方向的调整距离的缩小，有利于调整精度的提高以及调整时间的缩短。

实施例4：

本发明的装置在测光前需进行调试，其调试具体步骤如下：

a接通总电源的开关。

b使激光器可以发射出激光束。

c按照示波器的详细使用说明书，将示波器的每个旋钮和开关选择合适的位置，Y轴的衰减系数和扫描的速度按照输入信号的强度和信号频率适当地进行选择。示波器必须设置为外触发的工作状态，否则示波器中远近光程的相位差不能正确比较。

d接通稳压电源的开关，使两个指示灯亮起，则表示±15V的电源供电正常。

e务必使激光束可以毫无障碍地通过声光频移器的通光孔中心，达到与声光介质声场相互作用的目标(可以通过调节声光频移器底座的六个螺丝来完成此操作)，此时在光栏上应看到一排水平衍射光的亮斑。

f让光栏4中心的高度与全反射镜I5的中心等高，使激光束可以无障碍地顺利通过光栏4入射到全反射镜I5，操作此步骤时应该关闭稳压电源开关，避免产生激光的若干个衍射光斑。

g用斩光器13；先挡住远程光，调节全反射镜I5；和半反射镜II9；使近程光经过分频器18后正入射到光电接收器17；光电二极管22的光敏面23上，拨开光电接收器盒上的窗口19；可观察激光束的红色斑点是否可以准确地入射在光敏面的正中间，此时示波器屏幕上应该可以看到清晰的光拍波形出现，调节此步骤时注意打开稳压电源开关。

h再用斩光器13挡住近程光，调节半反射镜I8、全反射镜II6、全反射镜III7、第一反射镜组10、第二反射镜组11、第三反射镜组12，经半反射镜II9，使远程光与近程光在半反射镜II9上的相同方向的光线入射到光敏面中心点，示波器屏幕上此时也会看到清晰的光拍波形，应该反复调节7，8两个步骤，直至远近程光均达到此要求。

i光电二极管的光敏面方位可通过调节装置旋钮I20和旋钮II21来实现，尽量使正弦波形的振幅最大。

j打开斩光器的电源开源，并旋转斩光器13的频率调节旋钮，从而使示波器屏幕上显示的近程光和远程光信号均稳定。

发射部分：氦氖激光器发射的激光波长是632nm，功率大于1mW，入射到声光频移器中。同时正弦变化的超声波的输出频率在50MHz左右，功率在1w左右，也入射到声光频移器中。超声波使声光频移器的介质中产生驻波，形成一个位相光栅。激光入射声光频移器后，频移器的出射光中具有2种频率以上的衍射光，可以产生“光拍”信号。光拍信号的频率是入射超声波频率的两倍，并经预选和功率放大后进行输出。

以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (10)

1.一种基于利萨如图形的光速测量方法，包括：

-获取光拍频波；

-将光拍频波分成远程光和近程光分别照射到光电接收盒内；

-光电接收盒对接收的远、近程光转化为光拍频高频信号并进行滤波、放大处理，获得两束频率相同的光拍信号；

-对频率相同相位不同的两束光拍进行电磁波分离；

-分离获得的两束光拍信号分别输入示波器，利用利萨如图形判断远近程光拍的相位差。

2.根据权利要求1所述的一种基于利萨如图形的光速测量方法，其特征在于：所述频率相同相位不同光拍的电磁波分离后分别输入双踪示波器纵向输入端的第一通道和第二通道，选择示波器X-Y模式。

3.根据权利要求1所述的一种基于利萨如图形的光速测量方法，其特征在于：所述利用利萨如图形判断远近程光拍的相位差过程为：

当利萨如图形是一三象限直线时，直线斜率为正，此时远近光程同向，相位差是2π.当利萨如图形是二四象限直线时，直线斜率为负，此时远近光程反向，相位差是π，通过改变远程光光程来改变远近程光拍的光程差和相位差。

4.根据权利要求1所述的一种基于利萨如图形的光速测量方法，其特征在于：利用光拍处理器对频率相同相位不同的两束光拍进行电磁波分离。

5.一种基于利萨如图形的光速测量装置，包括，设置在箱体(24)上的发射模块和接收模块，所述发射模块包括：

氦氖激光器(1)，所述氦氖激光器(1)发射方向对应安装有声光移频器(2)，所述声光移频器(2)对应安装光栏(4)，

全反射镜(5)，与光栏(4)对应安装，所述全反射镜(5)射光路径上对应安装有用于对光分成远程光和近程光的半反射镜I(8)和斩光器(13)，所述半反射镜I(8)和斩光器(13)对应安装有半反射镜II(9)和全反射镜II(6)用于反射近程光和远程光，

其中，所述近程光通过半反射镜II(9)反射路径上对应安装光电接收盒(17)，所述远程光分别通过第一反射镜组(10)、第二反射镜组(11)、第三反射镜组(12)反射后通过半反射镜II(9)射入光电接收盒(17)，

其中，第二反射镜组(11)、第三反射镜组(12)分别安装在滑块上，所述箱体(24)上安装有用于与滑块配合的导轨(14、15)，所述第一反射镜组(10)为固定设置。

6.根据权利要求5所述的一种基于利萨如图形的光速测量装置，其特征在于：所述接收模块包括：

光电接收盒(17)，所述光电接收盒(17)上设有与半反射镜II(9)对应安装的分频器(18)，且其内部还设有滤波放大电路，

光拍处理器，与光电接收盒(17)内的滤波放大电路连接，所述光拍处理器还和示波器进行连接。

7.根据权利要求5所述的一种基于利萨如图形的光速测量装置，其特征在于：所述第一反射镜组(10)、第二反射镜组(11)、第三反射镜组(12)均由第一反射镜(50)和连接板体(60)组成，所述第一反射镜(50)设于连接板体(60)两端部构成等腰梯形状，所述连接板体(60)两端的第一反射镜(50)分别用于接收远程光和射出远程光。

8.根据权利要求7所述的一种基于利萨如图形的光速测量装置，其特征在于：所述连接板体(60)长度大于两第一反射镜(50)呈45°夹角且一端部连接状态下两第一反射镜(50)之间反射光程距离。

9.根据权利要求5所述的一种基于利萨如图形的光速测量装置，其特征在于：所述全反射镜I(5)、全反射镜II(6)、全反射镜III(7)、半反射镜I(8)、半反射镜II(9)上均设有水准仪(25)。

10.根据权利要求5-9任一权利要求所述的一种基于利萨如图形的光速测量装置，其特征在于：所述箱体(24)侧面设有操作按钮(3)，所述光电接收盒(17)上设有旋钮I(20)、旋钮II(21)、窗口(19)。