相位测速实验讲义

相位法测光速、实验目的了解测定光速的实验方法掌握拍频相位法测量光速的基本原理二、实验原理本实验采用相位法测量光速，原理图如下图1实验原理图（一）频率为60MHz的电信号，分别经过第一通道、第二通道进入相位计。第一通道由电光转换器、自由空间、光电转换器构成，期间每一部分所产生的延时依次为t、t1、t，第二通道为同轴电缆，信号经电缆延迟为t。发1收参1）即t—t+1+1+1）参发1收假设测得第一通道比第二通道的信号提前t，利用公式（1）得t—t-C+1+1）,再根据c—L：t就可测量光在AB间的传播速度。因此我们这里采用两次实验来克服i参发收 ■1因此我们这里采用两次实验来克服实际上t、t和t的准确值是未知的，发收 参t、t和t对测量光速的影响。发收参-A图-A图2改变光程实验图设第一次测量时得到的时间差为t/，第二次实验时距离增加了AL后得到的则光速为c旦二二AL AL本实验的关键是准确测量t'和t”，测量t'和t〃一般是采用相位差法测量，其对于测量频率为60MHz的信号相位差，目前最实用的办法是降频测量，本实验是将60MHz的信号与59.9MHz混频得到100kHz差频再进行测相。混频器的工作原理如下：TOC\o"1-5"\h\z第一通道信号E]=cos(叫t+©]) (2)第二通道信号E参=cos(叫t+©c) (3)本振59.9MHz信号E二cosot (4)ccE和E输入非线性器件后得1c(E1+E)2=cos2(o0t+%)+cos2®ct+2cos(o0t+%)xcosoj (5)利用三角函数的积化和差公式将(5)式第三项改写为2cos(oJ+Q])cosOct二cos(o0t+oct+%)+cos(o0t-Oct+%)把(5)式的信号经低通滤波器后得(仅留下最后一项)cos(o0t-oct+Q1) (6)同理E参与Ec混频滤波后仅留cos(o0t-oct+Qc) (7)从(6)和(7)看出两信号的相位差为A0=Q-Q，这与原来第一和第二1c通道高频信号的相位差相同。三、 实验装置本实验仪器为拍频相位差光速测量仪，主机经同轴电缆给驱动电路供电，驱产生60MHz的正弦波，正弦波分成两路，一路是驱动LED发光，经第一通道到达光接受器，另一路正弦波经同轴电缆(第二通道)送回主机，这两路信号分别与主机本振59.9MHz信号混频，混频后得到的两路信号输入到相位差或时间差测量装置。

PD同同同同同同同同同■同同同同同卜■同00同同同同同0000000000000060MHzLED100kHz60iyiHz>60MHzJ,PD同同同同同同同同同■同同同同同卜■同00同同同同同0000000000000060MHzLED100kHz60iyiHz>60MHzJ,100kHz+5VTO0-60MHz0000+5V0000■0059.9MHz图3实验仪器原理与组成四、实验步骤说明：BNC转接口1连接发射器，BNC转接口2、3连接相位计，4——探测器窗口本实验中所使用相位测速计面板如图，1号接口为60MHz的驱动电路提供电源，同时接收由驱动电路传回的60MHz参考信号。4号为探测器窗口，两个60MHz的信号分别与59.9MHz混频器，再经低通滤波器得到两个lOOKHz的低

频信号。连接各器件，打开电源，调整光路，使LED的光会聚到探测器窗口（4号）用示波器测量时间差；移动光源位置，记录光源移动距离DL；用示波器测量时间差；计算相位差Dj和计算光速设第一次测得时间差为t'，移动距离DL后测的时间差为t"t'-1“t'-1〃 一得光程DL带来的相位差为A=丽（这是因为示波器读出的是100KHz信号的时间差，得光速为：c=得光速为：c=2兀x60MHz•些A申（因为一秒钟累计的相位为2