邁克耳遜干涉條紋計數(shù)器的研制

呂玉祥，段曉麗

(太原理工大學(xué) 理學(xué)院，山西 太原 030024)

邁克爾遜干涉實驗[1-2]是計算光波波長的重要實驗之一。在邁克耳遜干涉儀的觀測屏上觀察到干涉條紋后，旋轉(zhuǎn)邁克爾遜干涉儀上的細調(diào)手輪，干涉條紋便一個一個地涌出或陷入，記錄涌出或陷入N個干涉條紋時轉(zhuǎn)盤所移動距離Δd，根據(jù)公式

即可計算出光波波長。實驗要求連續(xù)測量7次，每次移動50個條紋。但由于邁克爾遜干涉儀缺少相配套的自動記錄干涉條紋個數(shù)的計數(shù)裝置[3]，操作人員做實驗時要求在光線較暗的環(huán)境中進行，調(diào)節(jié)細調(diào)手輪的同時用肉眼觀察光譜并記錄涌出或陷入的干涉條紋數(shù)，記錄移動的條紋數(shù)超過300個，眼睛容易疲勞，導(dǎo)致工作效率低，計算出的光波波長誤差較大。為此，研制了與邁克爾遜干涉儀相配套的邁克爾遜干涉條紋自動計數(shù)儀，減少了操作人員的工作量，提高了工作效率。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

根據(jù)干涉條紋明暗相間的特點，可以將接收到的強弱相間的光信號[4-5]轉(zhuǎn)換為電信號，然后對電信號進行調(diào)理放大，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后最終轉(zhuǎn)換為微處理器可以識別的高低電平，此時對高低電平的計數(shù)就是對明暗條紋的計數(shù)，其系統(tǒng)原理如圖1所示。

1.1 光電轉(zhuǎn)換處理系統(tǒng)

光電轉(zhuǎn)換處理系統(tǒng)由光傳感器、信號調(diào)理放大構(gòu)成，最終將光信號變?yōu)閱纹瑱C可以識別的高低電平信號。

圖1 系統(tǒng)原理

1.1.1 光接收部分

激光器發(fā)出的激光功率約為4 mW，干涉條紋中心光斑直徑約為7 mm，光強最強，但光功率約為74μW，衰減嚴重，且離中心光斑越遠，光功率越小，因此對傳感器的要求比較嚴格。本系統(tǒng)所使用的傳感器受光面積為0.6 mm×0.6 mm，內(nèi)部有1個光電二極管陣列，該光電二極管陣列具有精確、線性和可重復(fù)的電流轉(zhuǎn)換功能，對紫外和紅外波段的光有抑制作用。其特性曲線如圖2所示。

圖2 特性曲線

由于衰減嚴重，傳感器測得的中心明條紋電流僅有23μA，即使在輸出電流源端口接10～50 kΩ的增益電阻，輸出電壓也只能達到毫安級，單片機并不能識別出高低電平，因此需要對信號進行放大[6-9]。記光信號經(jīng)過傳感器及增益電阻后輸出電壓為u1，如圖3(a)所示。

1.1.2 信號調(diào)理放大

本系統(tǒng)所用的放大器采用了直流模擬調(diào)制技術(shù)，避免了大多數(shù)隔離放大器模塊所存在的電磁干擾問題。該放大器幾乎無需外部元件，利用電位器即可調(diào)節(jié)放大增益。記放大后輸出電壓為u2，如圖3(b)所示。

放大后的波形不是很規(guī)則，所以用NE555集成芯片，組成施密特觸發(fā)器[10]，對波形進行變換和整形，其中在施密特觸發(fā)器6管腳的分壓電阻相等，輸入端的兩個閾值電壓分別是VT+=2/3 VCC，VT-=1/3 VCC，當u2加到施密特觸發(fā)器的輸入端，波形上升時輸出u2，在VT+處翻轉(zhuǎn)，在波形下降時輸出u2在VT-處翻轉(zhuǎn)，輸入信號變?yōu)橐?guī)則的矩形脈沖，如圖3(c)所示。

經(jīng)過放大整形的高低電平的電壓差比較大，在計數(shù)時，軟件可以靈活設(shè)置參考電壓Vref。

圖3 信號調(diào)理放大

1.2 A/D轉(zhuǎn)換及計數(shù)顯示

信號轉(zhuǎn)換為規(guī)則的矩形脈沖后，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，送入CPU，最終顯示計數(shù)值。

A/D轉(zhuǎn)換采用TLC542，該芯片是8位開關(guān)電容逐次逼近模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，采用CMOS工藝，允許高速數(shù)據(jù)傳輸，每秒采樣達40 000次，內(nèi)部有檢測功能，在轉(zhuǎn)換結(jié)束時，EOC引腳輸出高電平以示轉(zhuǎn)換結(jié)束。

計數(shù)值用CH451驅(qū)動的數(shù)碼管顯示。CH451是一個整合了數(shù)碼管顯示驅(qū)動和鍵盤掃描控制以及μP監(jiān)控的多功能外圍芯片。CH451內(nèi)置RC振蕩電路，提供上電復(fù)位和看門狗等監(jiān)控功能，可以動態(tài)驅(qū)動8位數(shù)碼管或者64位LED，具有BCD譯碼、閃爍、移位等功能。同時，還可以進行64鍵的鍵盤掃描，有利于儀器的改進。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

程序流程如圖4所示，電路接通電源后，對CH451、TLC542初始化，條紋計數(shù)變量Count自動清零，設(shè)定參考電壓(高電平的下界Vrefh及低電平的上界Vrefl)，判別A/D第一次采集的輸入電壓Vin是否小于Vrefl，延時50 ms，判別第二次采集的輸入電壓Vin是否大于Vrefh，若兩次的輸入電壓均不滿足條件，繼續(xù)采集;若滿足條件，說明低電平跳變到高電平，出現(xiàn)一個上升沿，即有一個暗條紋涌出或陷入，計數(shù)器加1，當計數(shù)到50時，發(fā)出提示音提示操作人員停止旋轉(zhuǎn)細調(diào)手輪，記錄轉(zhuǎn)盤所移動的距離。

圖4 流程圖

3 實驗數(shù)據(jù)

實驗連續(xù)測量7次，每次讓條紋涌出或陷入50個，數(shù)據(jù)用逐差法處理。該計數(shù)器的外形設(shè)計，使得實驗背景環(huán)境無論在黑暗狀態(tài)或日光照射狀態(tài)下均能正常工作。表1給出了利用該計數(shù)器記錄條紋個數(shù)所測得的幾組數(shù)據(jù)，其中，d0為邁克耳遜干涉儀讀數(shù)尺上的初始刻度;d1-d7分別為條紋每涌出或陷入50個讀數(shù)尺上的刻度。利用λ=2Δd/N求出相應(yīng)的波長。由表1可以看出，測量結(jié)果比較精確，其誤差主要來源于距離Δd的測量誤差。

表1 實驗數(shù)據(jù)

4 結(jié)束語

文中設(shè)計了基于單片機的邁克耳遜干涉條紋計數(shù)器。實驗表明，該計數(shù)器可以減輕操作人員的視覺疲勞、保護眼睛、減少人為誤差、提高測量精度。該計數(shù)器具有工作性能穩(wěn)定、抗干擾能力強、操作簡便、能較好地消除背景光的影響等優(yōu)點。

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