本发明涉及光速检测技术领域，尤其涉及一种使用锁相放大器测量光速的方法及设备。
背景技术：
光速是最重要的物理常数之一。光速是光波或电磁波在真空或介质中的传播速度。光速是自然界物体运动的最大速度。只有静质量为零的光子，才始终以光速运动着。光速与任何速度叠加，得到的仍然是光速。真空中的光速是一个重要的物理常量。
目前光速的准确测量有重要的物理意义，也有重要的实用价值。常见的办法是将光信号分成两束在示波器上叠加测得，这样的测试方式需要配置一定距离光路，并且需要大量的反射镜来实现延长光路，而且因为设置了大量的反射镜，所以需要对每个反射镜进行调节，事光路满足测量光路的需要。这样导致调节反射镜的难度较大，如果反射镜出现偏差，或者未按照规定配置角度，会影响测量的准确性。
而且分光束的光速测量方法是通过观察示波器上两个图像是否重合来判断，示波器上的图像很难调节到非常细锐，导轨移动一小段距离，人眼很难观察到变化。
技术实现要素：
为了克服上述现有技术中的不足，本发明提供一种使用锁相放大器测量光速的方法，方法包括：
s11，连接仪器；
将高频信号发生器的输出端连接到声光移频率器；
信号发生器的同步输出端连接到锁相放大器的参考信号输入端，光电转换器连接到待测信号输入端；
s12，开启仪器，并预热预设时长；
信号发生器输出频率为f的正弦波信号，将参考通道设置为二次谐波模式，即检测2f模式；选择预设的测量参数；
s13，调节锁相放大器的移相器，使得反射镜在初始位置时信号输出最大，记录最大值v0；
s14，移动反光镜，记录移动后的输出电压v和移动的距离δs；
s15，通过如下公式获取光速数据：
重复步骤s14，距离由小到大测量预设组数据，并取平均值，即为测量的光速数据。
本发明还提供一种使用锁相放大器测量光速的设备，包括：高频信号发生器，声光移频率器，锁相放大器，光电转换器以及反光镜；
高频信号发生器的输出端与声光移频率器连接；
高频信号发生器的同步输出端与锁相放大器的参考信号输入端连接；
高频信号发生器发出光信号，并通过声光移频率器和反光镜之后，传输给光电转换器；
光电转换器的输入端接收待测光信号，并将待测光信号进行光电信号转换，传输给锁相放大器，锁相放大器测量光信号移动路程s后产生的相位变化，测得光速。
进一步需要说明的是，锁相放大器包括：交流放大器，带通滤波器，相敏检波器，低通滤波器，直流放大器，显示器，参考信号接收模块以及方波驱动模块；
交流放大器获取光电转换器传输的输入信号，并通过带通滤波器传输给相敏检波器；
相敏检波器通过方波驱动模块连接参考信号接收模块获取参考信号；相敏检波器将输入信号与参考信号进行处理后，依次通过低通滤波器和直流放大器之后，传输给显示器进行显示。
从以上技术方案可以看出，本发明具有以下优点：
本发明涉及的使用锁相放大器测量光速的方法及设备使用锁相放大器测量光速的方法，利用声光移频率器产生光拍，使用锁相放大器测量光信号移动路程s后产生的相位变化，从而测得光速。相比于分光束的测量方法，实验仪器更加简单，操作更加简便，精度更高。
本发明使用光拍频法原理和锁相放大器来测量光速，相比于现有的分光束的光速测量方法，所需的光路更短，光路调节更简单。若能有40mhzd的信号则只需要大约1m的光程变化范围，相比之前的测量方法光路更短，减少了大量的反射镜，降低调节难度。不需要分光，只有一条光路，也就不需要调节振幅。
测量精度更高，使用锁相放大器的方法，是采用测量电压数值的方法，精度更高，在导轨的整个范围内都能观察到明显的变化。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对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为使用锁相放大器测量光速设备示意图；
图2为光拍频示意图；
图3为光拍的空间分布图；
图4为声光移频率器原理图；
图5为锁相放大器示意图。
具体实施方式
本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
附图中所示的方框图仅仅是功能实体，不一定必须与物理上独立的实体相对应。即，可以采用软件形式来实现这些功能实体，或在一个或多个硬件模块或集成电路中实现这些功能实体，或在不同网络和/或处理器装置和/或微控制器装置中实现这些功能实体。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统、装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另外，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口、装置或单元的间接耦合或通信连接，也可以是电的，机械的或其它的形式连接。
本发明提供一种使用锁相放大器3测量光速的设备，如图1所示，包括：高频信号发生器1，声光移频率器2，锁相放大器3，光电转换器4以及反光镜5；
高频信号发生器1的输出端与声光移频率器2连接；高频信号发生器1的同步输出端与锁相放大器3的参考信号输入端连接；高频信号发生器1发出光信号，并通过声光移频率器和反光镜5之后，传输给光电转换器4；光电转换器4的输入端接收待测光信号，并将待测光信号进行光电信号转换，传输给锁相放大器3，锁相放大器3测量光信号移动路程s后产生的相位变化，测得光速。
所属技术领域的技术人员能够理解，使用锁相放大器3测量光速的设备的各个方面可以实现为系统、方法或程序产品。因此，本公开的各个方面可以具体实现为以下形式，即：完全的硬件实施方式、完全的软件实施方式(包括固件、微代码等)，或硬件和软件方面结合的实施方式，这里可以统称为“电路”、“模块”或“系统”。
本发明涉及设备的锁相放大器3包括：交流放大器11，带通滤波器12，相敏检波器13，低通滤波器16，直流放大器17，显示器18，参考信号接收模块14以及方波驱动模块15；交流放大器11获取光电转换器4传输的输入信号，并通过带通滤波器12传输给相敏检波器13；相敏检波器13通过方波驱动模块15连接参考信号接收模块14获取参考信号；相敏检波器13将输入信号与参考信号进行处理后，依次通过低通滤波器16和直流放大器17之后，传输给显示器18进行显示。
为了能够实现对反光镜5的移动，满足测量的需要本发明还包括：控制器，驱动电机，支架，移动齿轮以及齿条；
反光镜5安装在支架上；支架与移动齿轮连接，并通过移动齿轮与齿条相啮合；移动齿轮与驱动电机输出轴连接，驱动电机与控制器连接；控制器控制驱动电机运行。齿条上设有刻度线。通过齿轮齿条的配合能够实现移动精准，保证测试精度要求。
本发明中设备的测量方式为：根据振动叠加原理，二列速度相同、振面相同、频差较小而同向传播的简谐波相叠加即形成拍。设振幅e相同(仅为简化讨论)、角频率分别为ω1和ω2(频率相应为f1和f2，频差δf＝f1-f2<<f1、f2)的二列光波
e1＝ecos(ω1t-k1x φ1)
e2＝ecos(ω2t-k2x φ2)
式中k1＝2π/λ1和k2＝2π/λ2为波数，φ1和φ2为初相位。
二列光波叠加之后得
合成波是沿x方向的前进波，其角频率为
用光电转换器(如光电倍增管等)接收光拍频波，可把光拍信号变为电信号。在光电转换器光敏面上光照反应所产生光电流i0与光强
其中缓变项即是光拍信号，δω是与δf相应的角频率，δφ＝φ1-φ2为初相位。可见光电转换器输出的光电流包含有直流和光拍信号两种成分。滤去直流成分ge2，光电转换器输出拍频为δf、初相位为δφ的光拍信号。而光拍信号的相位又与空间位置有关，即处在不同位置的探测器所输出的光拍信号具有不同的相位，从而提示可以用比较光拍信号的空间相位的方法间接地决定光速。图3就是光拍信号
设空间某两点之间的光程差为δl，该两点的光拍信号的相位差为δφ，根据式(3)应有
可见，只要测定了δlδφ，即可确定光速c。
光拍频波要求相拍二光波具有一定频差。使激光束产生固定频移的办法很多，本发明声光移频率器采用声光频移法。如图4所示，前进波与反射波在声光介质中形成驻波声场，此时沿超声波传播方向，介质厚度恰为超声波半波长的整数倍。该介质亦即一个超声相位光栅，激光束在通过介质时发生衍射。第l级衍射光角频率ωl,m＝ω0 (l 2m)ω；
其中l、m＝±1，±2，…可见除不同级衍射光波产生频移外，在同一级衍射光束内就含有多种频率成分，相当于许多束不同频率激光的叠加(当然强度各不相同)。因此不用像行波法那样通过光路调节才能获得光拍频波，只用同一级衍射光即可获得光拍频波。通常选用第一级衍射光，l＝1，m＝0、-1的两种频率成分叠加，可得δω＝2ω的光拍频波。
锁相放大器采用正交性原理的微弱信号检测设备，可以测得与参考信号同频的交流信号的幅值和相位。它主要由信号通道、参考通道、相敏检波器(psd)以及输出电路组成，如图5所示。其显示的电压大小与输出信号与参考信号之间的相位差有关，电压输出之比就是余弦值之比。
基于上述设备本发明还提供一种使用锁相放大器测量光速的方法，方法包括：
s11，连接仪器；
将高频信号发生器的输出端连接到声光移频率器；
信号发生器的同步输出端连接到锁相放大器的参考信号输入端，光电转换器连接到待测信号输入端；
s12，开启仪器，并预热预设时长；优选地预热5分钟到8分钟。
信号发生器输出频率为f的正弦波信号，将参考通道设置为二次谐波模式，即检测2f模式；选择预设的测量参数；
s13，调节锁相放大器的移相器，使得反射镜在初始位置时信号输出最大，记录最大值v0；
s14，移动反光镜，记录移动后的输出电压v和移动的距离δs；
s15，通过如下公式获取光速数据：
重复步骤s14，距离由小到大测量预设组数据，并取平均值，即为测量的光速数据。优选地，距离由小到大测量10组，取平均值。
步骤s15中，为了实现更高的测量精度，要求至少能够覆盖0到二分之一π的相位变化，则测量仪器需要满足c＝8fl，f为信号发生器的能够输出的频率，l为光程的最大移动范。测量精度主要与锁相放大器的测量精度，光程的测量精度有关。
上述方法使用锁相放大器测量光速的方法，利用声光移频率器产生光拍，使用锁相放大器测量光信号移动路程s后产生的相位变化，从而测得光速。相比于分光束的测量方法，实验仪器更加简单，操作更加简便，精度更高。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
1.一种使用锁相放大器测量光速的方法，其特征在于，方法包括：
s11，连接仪器；
将高频信号发生器的输出端连接到声光移频率器；
信号发生器的同步输出端连接到锁相放大器的参考信号输入端，光电转换器连接到待测信号输入端；
s12，开启仪器，并预热预设时长；
信号发生器输出频率为f的正弦波信号，将参考通道设置为二次谐波模式，即检测2f模式；选择预设的测量参数；
s13，调节锁相放大器的移相器，使得反射镜在初始位置时信号输出最大，记录最大值v0；
s14，移动反光镜，记录移动后的输出电压v和移动的距离δs；
s15，通过如下公式获取光速数据：
重复步骤s14，距离由小到大测量预设组数据，并取平均值，即为测量的光速数据。
2.根据权利要求1所述的使用锁相放大器测量光速的方法，其特征在于，
步骤s15中，
覆盖0到二分之一π的相位变化，则测量仪器满足c＝8fl，f为信号发生器的输出的频率，l为光程的最大移动范围。
3.一种使用锁相放大器测量光速的设备，其特征在于，包括：高频信号发生器，声光移频率器，锁相放大器，光电转换器以及反光镜；
高频信号发生器的输出端与声光移频率器连接；
高频信号发生器的同步输出端与锁相放大器的参考信号输入端连接；
高频信号发生器发出光信号，并通过声光移频率器和反光镜之后，传输给光电转换器；
光电转换器的输入端接收待测光信号，并将待测光信号进行光电信号转换，传输给锁相放大器，锁相放大器测量光信号移动路程s后产生的相位变化，测得光速。
4.根据权利要求3所述的使用锁相放大器测量光速的设备，其特征在于，
锁相放大器包括：交流放大器，带通滤波器，相敏检波器，低通滤波器，直流放大器，显示器，参考信号接收模块以及方波驱动模块；
交流放大器获取光电转换器传输的输入信号，并通过带通滤波器传输给相敏检波器；
相敏检波器通过方波驱动模块连接参考信号接收模块获取参考信号；相敏检波器将输入信号与参考信号进行处理后，依次通过低通滤波器和直流放大器之后，传输给显示器进行显示。
5.根据权利要求3所述的使用锁相放大器测量光速的设备，其特征在于，
还包括：控制器，驱动电机，支架，移动齿轮以及齿条；
反光镜安装在支架上；
支架与移动齿轮连接，并通过移动齿轮与齿条相啮合；
移动齿轮与驱动电机输出轴连接，驱动电机与控制器连接；
控制器控制驱动电机运行。
6.根据权利要求5所述的使用锁相放大器测量光速的设备，其特征在于，
齿条上设有刻度线。
技术总结