光學(xué)玻璃折射率測(cè)試儀電子學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘 要：為達(dá)到較高精度測(cè)量光學(xué)玻璃折射率的要求，研制了基于直角照準(zhǔn)法、最小偏向角法和三最小最小偏向角法的光學(xué)玻璃折射率的測(cè)量設(shè)備。文中介紹了該測(cè)量設(shè)備的電子學(xué)系統(tǒng)控制和測(cè)量的設(shè)計(jì)方案，并對(duì)關(guān)鍵元器件的選用進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：電子學(xué)系統(tǒng)控制和測(cè)量設(shè)計(jì)方案可滿足高精度光學(xué)玻璃折射率的測(cè)量精度要求。

關(guān)鍵詞：光學(xué)玻璃 折射率 電子學(xué)系統(tǒng) 控制和測(cè)量

中圖分類號(hào)：TN29 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）07（b）-0086-01

伴隨光學(xué)精密儀器的高速發(fā)展，對(duì)光學(xué)玻璃的折射率的測(cè)量精度要求越來(lái)越高，光學(xué)玻璃折射率的數(shù)據(jù)精度對(duì)保證光學(xué)系統(tǒng)像質(zhì)起著非常關(guān)鍵的作用。新型光學(xué)玻璃材料的研發(fā)也對(duì)光學(xué)玻璃折射率提出較高的要求。

很多人對(duì)光學(xué)材料折射率的測(cè)量提出了多種有價(jià)值的測(cè)量方法[1-2]，主要有測(cè)角法和干涉測(cè)量法。文章介紹了基于測(cè)角法中使用的直角照準(zhǔn)法、最小偏向角法和三最小偏向角法測(cè)量光學(xué)玻璃折射率的測(cè)試儀中的電子學(xué)控制和測(cè)量設(shè)計(jì)方案。

1 電子學(xué)方案

高精度光學(xué)玻璃折射率測(cè)試儀主要由底座、測(cè)角系統(tǒng)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和微調(diào)機(jī)構(gòu)、自準(zhǔn)光管、平行光管、載物臺(tái)和光源箱組成。

1.1 系統(tǒng)

電子學(xué)部分是以單片機(jī)為前臺(tái)機(jī)，系統(tǒng)機(jī)為后臺(tái)機(jī)對(duì)位敏傳感器（PSD）和軸角編碼器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，以步進(jìn)機(jī)為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，系統(tǒng)機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算的光電瞄準(zhǔn)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)。

1.2 關(guān)鍵元器件的選用

1.2.1 軸角編碼器

示值分辨率0.05″；精度0.5″；轉(zhuǎn)速≤90°/S；顯示箱：XXX°XX′XX″XX，按BCD碼以度（百、十、個(gè)）分（十、個(gè)）秒（十、個(gè)）小數(shù)秒（后1、2位）順序連續(xù)發(fā)送。其內(nèi)容高4位（D7-D4）為標(biāo)識(shí)位碼（0-8），后4位（D3-D0）為BCD數(shù)據(jù)碼。傳輸速度15?s1/字節(jié)-20?s1/字節(jié)。

1.2.2 位敏傳感器

采用位敏傳感器（PSD）作瞄準(zhǔn)探測(cè)器是本系統(tǒng)的重要特點(diǎn)。它反應(yīng)快、靈敏度高、精度高。與CCD不同，屬于非離散性器件，適配電路也比較簡(jiǎn)單。PSD是具有橫向光電效應(yīng)的PIN光電位置傳感器，I1、I2的輸出和光點(diǎn)位置有關(guān)，經(jīng)適配電路處理有：

式中：X：光點(diǎn)偏離中心位置座標(biāo)；L：PSD光敏面長(zhǎng)；I1、I2：PSD兩端輸出電流。

設(shè)計(jì)中選用濱松（HAMAMATSU）線陣PSD S3931，其主要技術(shù)指標(biāo)如下：

上述PSD 0.2 ?m的位置分辨率，相當(dāng)于度盤角度0.075″。6 mm的探測(cè)范圍，折合角度為37.5′。

1.2.3 步進(jìn)機(jī)和驅(qū)動(dòng)器

步進(jìn)機(jī)和精密微調(diào)機(jī)構(gòu)相連，采用四相步進(jìn)機(jī)和驅(qū)動(dòng)器。整步模式下步進(jìn)角可達(dá)0.9°，對(duì)應(yīng)軸角0.2″，譜線在PSD上移動(dòng)0.5 ?。

1.2.4 A/D轉(zhuǎn)換器

AD轉(zhuǎn)換器的位數(shù)

=

取14位AD，轉(zhuǎn)換時(shí)間小于步進(jìn)周期的10倍，以便多次平均。取100?s。本設(shè)計(jì)采用了12位逐次比較型AD轉(zhuǎn)控器AD574。在接近PSD中心時(shí)，精瞄將位置信號(hào)切換到放大8倍，從而達(dá)到15位AD的跟蹤精度。

1.2.5 瞄準(zhǔn)時(shí)間

當(dāng)步進(jìn)脈沖取600 Hz/S時(shí)，從邊緣到中心整步6000步，粗瞄所需時(shí)間為：（6000/600）=10s。

1.3 單片機(jī)測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

單片機(jī)是該系統(tǒng)的前位機(jī)，承擔(dān)PSD和軸角編碼器的角度數(shù)據(jù)采集，步進(jìn)機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制，鍵盤和LCD顯示的人機(jī)交互和數(shù)據(jù)予處理（例PSD的多次采集平均，加減除運(yùn)算等）以及和系統(tǒng)機(jī)的串行通訊。

1.4 顯示

采用240×64中小屏幕有背光的點(diǎn)陣液晶顯示器，可進(jìn)行漢字顯示，并用電子游標(biāo)模擬出譜線在PSD上的粗略和精確位置。給出角度數(shù)碼和PSD上譜線位置偏移碼。

1.5 系統(tǒng)機(jī)

系統(tǒng)機(jī)不附加接口板，它通過(guò)RS232串行口與前臺(tái)機(jī)（單片機(jī)系統(tǒng)）相連。在0幀（監(jiān)控0）聯(lián)機(jī)狀態(tài)下（聯(lián)機(jī)2）它的功能和前臺(tái)機(jī)一樣，通過(guò)鍵盤對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行遙控，PSD和軸角碼進(jìn)行實(shí)時(shí)CRT顯示。在1幀（監(jiān)控1）聯(lián)機(jī)狀態(tài)下，接收前臺(tái)機(jī)某模式下的逐項(xiàng)參數(shù)（角度值），進(jìn)行運(yùn)算，給出折射率的精確值。還可輸入當(dāng)時(shí)的溫度、氣壓值、對(duì)折射率進(jìn)行修正。

1.6 軟件設(shè)計(jì)

前臺(tái)機(jī)的逐程序由8051匯編語(yǔ)言編寫，系統(tǒng)機(jī)的程序由C語(yǔ)言編寫，采用模塊化結(jié)構(gòu)。包括程序清單和功能、全部程序列表、軟件框圖（主程序和監(jiān)控0程序框圖、調(diào)整和顯示子程序框圖、電機(jī)調(diào)整（跟瞄）子程序框圖）、PSD值采樣A/D轉(zhuǎn)換防干擾平均值法子程序（INTO中斷服務(wù)程序-讀AD、給出模式1（直角照準(zhǔn)法）測(cè)試流程框圖、給出模式1疊代法解方程模塊）。

2 結(jié)語(yǔ)

該文介紹了高精度光學(xué)玻璃折射率測(cè)試儀電子學(xué)設(shè)計(jì)方案，并對(duì)關(guān)鍵元器件的選用進(jìn)行了分析，通過(guò)實(shí)際應(yīng)用表明，電子學(xué)方案可滿足高精度光學(xué)材料折射率測(cè)試儀的指標(biāo)要求。

參考文獻(xiàn)

[1]宋克非，米寶永.計(jì)算機(jī)控制的高精度光電折射儀[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2005，26（11）：1159-1162.

[2]孟慶華，向陽(yáng).高精度測(cè)量光學(xué)玻璃折射率的新方法[J].光學(xué)精密工程，2008，16（11）：2114-2119.