邁克爾遜干涉自動測量儀的設(shè)計(jì)與制作

劉芬芬，王　杰

(海軍航空工程學(xué)院 基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)部，山東 煙臺 264001)

邁克爾遜干涉自動測量儀的設(shè)計(jì)與制作

劉芬芬，王杰

(海軍航空工程學(xué)院 基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)部，山東 煙臺 264001)

摘要：利用光敏電阻，以單片機(jī)89C52為核心，設(shè)計(jì)了一種邁克爾遜干涉條紋自動測量儀，介紹了該測量儀各部分的構(gòu)成、電路和軟件設(shè)計(jì)，并分析了各種干擾及其排除方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該儀器顯著改善了人工計(jì)數(shù)引起的問題，降低了測量誤差，提高了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，并縮短了實(shí)驗(yàn)時(shí)間，提高了實(shí)驗(yàn)效率。

關(guān)鍵詞：計(jì)數(shù)器；邁克爾遜干涉儀；光敏電阻；單片機(jī)

光干涉測量技術(shù)在工程測量中有著廣泛的應(yīng)用，以邁克爾遜干涉儀為核心的器件在測量微小距離方面具有重要的作用。在測量過程中，需要對干涉條紋的變化數(shù)進(jìn)行記錄，傳統(tǒng)的計(jì)數(shù)方法為人工計(jì)數(shù)，通常計(jì)數(shù)量較大，容易造成眼睛疲勞并引起較大的誤差。為了實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)自動化， 設(shè)計(jì)制作了利用光敏電阻接收信號，單片機(jī)處理轉(zhuǎn)換信號的自動測量儀。該裝置不僅能實(shí)現(xiàn)自動化計(jì)數(shù)，而且能智能化計(jì)算待測光的波長。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，該裝置改善了人工計(jì)數(shù)引起的一些問題，降低了測量產(chǎn)生的誤差，提高了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的精確度。

1邁克爾遜干涉實(shí)驗(yàn)

1.1實(shí)驗(yàn)原理

邁克爾遜干涉實(shí)驗(yàn)是一個經(jīng)典的物理實(shí)驗(yàn)，是大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)必修的一個實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目[1]。邁克爾遜干涉儀可以觀察和分析各種干涉現(xiàn)象，并能精確測量微小長度的變化，這種干涉儀在現(xiàn)代計(jì)量技術(shù)中也有著廣泛的應(yīng)用。邁克爾遜干涉實(shí)驗(yàn)利用一個分束板很好地解決了相干光的問題，光路如圖1所示。

圖1　邁克爾遜干涉實(shí)驗(yàn)原理圖

從光源S發(fā)射的光，到達(dá)鍍有半反射膜的分光板G1上，分為2束光，一束為反射光，反射后向著反射鏡M1前進(jìn)，一束為透射光，向著反射鏡M2前進(jìn)，這2束光分別在反射鏡M1和M2反射后逆著各自的方向返回，最后到達(dá)E處。因?yàn)檫@2束光來自同一個光源，所以是相關(guān)光，在位置E處，觀察者能看到干涉圖樣。

在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中，調(diào)節(jié)M1與M2嚴(yán)格互相垂直時(shí)就能看到激光的等傾干涉圓環(huán)，調(diào)節(jié)動鏡M2的位置，記錄其移動距離Δd，同時(shí)要求學(xué)生讀取條紋的變化數(shù)N，根據(jù)公式Δd=N(λ/2)，就可計(jì)算波長λ。由于邁克爾遜干涉實(shí)驗(yàn)儀測量的Δd可以精確到10-5mm，所以該實(shí)驗(yàn)儀是非常精密的光學(xué)儀器。

1.2實(shí)驗(yàn)存在的問題

在實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生讀取條紋的變化數(shù)N時(shí)，通常要求學(xué)生讀取N=100條條紋變化。在此過程中，人眼需要一直盯著毛玻璃屏，實(shí)驗(yàn)者需要長時(shí)間、高度集中精力，常常會因?yàn)橐暳ζ谠斐捎?jì)數(shù)錯誤而引起較大的誤差[2]?；诖嗽?，為了提高測量精度，實(shí)現(xiàn)測量的自動化，設(shè)計(jì)了一個邁克爾遜干涉條紋自動測量儀。

目前，有一些設(shè)計(jì)計(jì)數(shù)器的資料[3-5]，但是經(jīng)過試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)這些資料都是理論上的，實(shí)際不可行，或者只有在很理想的條件下才能計(jì)數(shù)，而且誤差較大。筆者用光敏電阻捕捉光信號，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后由單片機(jī)實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)和計(jì)算功能。自動測量儀經(jīng)過調(diào)試實(shí)現(xiàn)了在多種條件下完成條紋計(jì)數(shù)的功能以及波長計(jì)算的功能，而且效果較好、誤差較小。該測量儀可以代替人眼進(jìn)行讀數(shù)，解決了實(shí)驗(yàn)人員在條紋計(jì)數(shù)時(shí)的困難，同時(shí)也減小了因?yàn)闂l紋計(jì)數(shù)引起的誤差，提高了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2設(shè)計(jì)原理和方法

2.1設(shè)計(jì)原理

該測量儀通過光敏電阻捕捉光信號，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換將模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號，再通過89C52單片機(jī)實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)[6-8]。光敏電阻捕捉到強(qiáng)光信號時(shí)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換變?yōu)橐粋€高電壓信號，捕捉到暗光信號時(shí)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換變?yōu)橐粋€低電壓信號，89C52單片機(jī)通過高低信號的電壓差完成計(jì)數(shù)。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)框圖如圖2所示，開始時(shí)預(yù)先設(shè)置記錄的條紋數(shù)N，然后轉(zhuǎn)動邁克爾遜干涉儀的螺旋測微器，移動動鏡M2的位置，記錄N個條紋變化后，停止轉(zhuǎn)動螺旋測微器，讀取螺旋測微器的變化量Δd。把Δd值輸入到測量儀中，測量儀自動計(jì)算并顯示所使用光的波長。

圖2　實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)框圖

2.2制作方法

首先了解單片機(jī)各引腳的功能，完成光敏電阻及其他元器件到單片機(jī)上的連接，然后進(jìn)行編程，將程序?qū)雴纹瑱C(jī)并調(diào)試，在反復(fù)調(diào)試程序、完成測試后，完成裝盒。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)電路圖如圖3所示。通過調(diào)節(jié)89C52單片機(jī)程序和改進(jìn)控制電路[9-10]，較好地解決了環(huán)境光對干涉條紋的影響和光敏電阻接收到的信號較弱的問題。

圖3　電路圖

該測量儀的核心在于用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)信號的處理，處理速度快而且準(zhǔn)確。讓光敏電阻捕捉光信號，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后由單片機(jī)實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)功能，光敏電阻對光的感知能力很強(qiáng)，明暗條紋經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后形成電勢差，通過單片機(jī)的編程控制實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)，還可以改編程序控制靈敏度。該測量儀較為小巧，為邁克爾遜干涉儀測量激光波長實(shí)驗(yàn)提供了很大方便，減少了人員讀數(shù)的疲勞和誤差，還可進(jìn)行最后的波長計(jì)算，一步到位。

3結(jié)果及討論

邁克爾遜干涉自動測量儀實(shí)物如圖4所示，左邊為光敏電阻，右邊為數(shù)據(jù)顯示屏和數(shù)據(jù)輸入鍵盤。使用時(shí)首先用光屏觀察和調(diào)節(jié)出清晰穩(wěn)定的干涉條紋，使用時(shí)將光敏電阻置于干涉條紋的中心位置，該自動測量儀可實(shí)現(xiàn)清零、校準(zhǔn)和復(fù)位功能，顯示屏顯示的最大計(jì)數(shù)值為9 999。該測量儀還可以實(shí)現(xiàn)波長自動計(jì)算功能，條紋測量完畢后，輸入動鏡移動距離Δd，顯示屏直接顯示待測光波長λ的計(jì)算數(shù)值。利用激光作為光源，該計(jì)數(shù)器測量100條條紋變化時(shí)的數(shù)據(jù)和計(jì)算的誤差[11]見表1。

圖4　實(shí)驗(yàn)儀器圖

次數(shù)Δd/mmλ/nm誤差/%10.03170634.00.1920.03160632.00.1330.03164632.80.0040.03165633.00.0350.03159631.80.16

經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)測試，在黑暗環(huán)境、打開燈光的環(huán)境和有日光照射的情況下，該測量儀都能準(zhǔn)確地記錄條紋變化數(shù)，且誤差率較小，并能自動計(jì)算相應(yīng)的波長值λ，波長的精度值為10-7m。該裝置利用了光敏電阻和單片機(jī)的功能，完成了信號的采集、處理和顯示，減少了眼睛觀察明暗條紋時(shí)的疲勞和激光對眼睛的傷害。該裝置能顯著提高實(shí)驗(yàn)的精度,在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)用效果非常好，縮短了實(shí)驗(yàn)時(shí)間，大大提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)效率。

4結(jié)語

邁克爾遜干涉自動測量儀利用了光敏電阻和89C52單片機(jī)，完成了信號的采集、處理和顯示，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換將模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號，可以精確檢測干涉條紋的變化數(shù)，并能精確計(jì)算待測光的波長值，提高了實(shí)驗(yàn)效率和精度，減少了測量時(shí)間。

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責(zé)任編輯彭光宇

Design of Automatic Measuring Instrument for Michelson Interferometer

LIU Fenfen, WANG Jie

(Department of Basic Experiment, Naval Aeronautical and Astronautical University, Yantai 264001, China)

Abstract：Photosensitive resistance and 89C52 single chip are as the core to design a Michelson interference fringes automatic measuring instrument. The composition, electricity and software design are described. The interference and its recovery processing methods are analyzed. Based on the data of experiment, problems of manual count can be solved, measurement error can be reduced, experimental time can be shorten, and thus the accuracy of the experiment is improved.

Key words:counter，Michelson interferometer，photoconductive resistance，single chip

收稿日期：2015-03-26

作者簡介：劉芬芬(1983-)，女，工程師，碩士，主要從事高溫超導(dǎo)材料等方面的研究。

中圖分類號：TP 29

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A