邁克耳孫干涉儀條紋計數(shù)器的研制

彭 莉，田 勇，郭 斌

（武漢理工大學 理學院，湖北 武漢430070）

1 引 言

邁克耳孫干涉儀是用分振幅的方法實現(xiàn)干涉的光學儀器，其設計巧妙，可用來準確測定微小長度、光的波長、透明體的折射率等.利用該儀器的原理，研究出了多種專用干涉儀，這些干涉儀在近代物理和近代計量技術中被廣泛應用.因此，邁克耳孫干涉儀作為具有代表性的基本光學儀器，是大學物理實驗課程要求學生掌握的基礎儀器.在邁克耳孫實驗中，很多物理量（如波長、折射率、透明材料厚度等）都是通過測定干涉條紋數(shù)目的變化進行間接測量的.實驗過程中，為了提高測量結果的準確度，通常需要學生長時間地測量大量干涉條紋的變化數(shù)目.如在用邁克耳孫干涉儀測量光源波長的實驗中［1］，需要觀察接收屏上干涉圓環(huán)在圓心處的“冒出”和“縮進”現(xiàn)象，每“冒出”或“縮進”50個干涉環(huán)，記錄1次動鏡在導軌上的位置.該過程需要人工連續(xù)數(shù)出350個干涉環(huán)，極易造成學生視力疲勞，并容易產(chǎn)生讀數(shù)誤差，降低實驗準確度.因此很多研究者都在不斷探索干涉條紋自動計數(shù)的方法，目前干涉條紋計數(shù)器的設計思路主要可分為3類：一類是基于單片機設計的計數(shù)器［2-4］，它的可調(diào)性強，靈活度高，但單片機仍需要外圍電路完成光電信號的采樣、濾波、整形等工作，單片機自身只能完成計數(shù)和解碼的功能，沒有充分發(fā)揮單片機的作用.另一類是基于CCD圖像傳感器和計算機數(shù)據(jù)采集處理相結合的計數(shù)器［5-8］，它的數(shù)據(jù)處理能力強大，但對干擾因素的處理難度較大，準確度較低，且儀器造價很高.還有一類是基于芯片設計的計數(shù)器［9-10］，它計數(shù)準確，操作簡單，成本也很低.目前國內(nèi)文獻中提到的這3類設計都較復雜，并且無法根據(jù)條紋的移動方向自動進行相應的加或減計數(shù)，因此由于手的抖動或其他不可預知的干擾造成條紋回退時，都無法正確計數(shù).本文基于芯片設計了電路簡單的計數(shù)器，僅用9個分立元件即實現(xiàn)了光信號的采樣及去干擾功能，主要用2個CMOS集成塊實現(xiàn)了條紋移動方向自動識別并相應加或減計數(shù)的功能.它能消除各種干擾因素所造成的計數(shù)器誤計數(shù)，能快速準確地測量條紋移動的數(shù)目，對提高實驗精度和實驗效率有很重要的作用.該電路具有結構簡單、抗干擾能力強、穩(wěn)定性好、測量準確度高、響應速度快、價格低廉、易于維護等特點.以下以邁克耳孫干涉實驗中測量單色光波長為例，說明可逆式條紋計數(shù)器在邁克耳孫干涉實驗中的應用.

2 可逆式干涉條紋計數(shù)裝置介紹

可逆式干涉條紋計數(shù)裝置的基本原理是通過2個光敏二極管將觀察屏上干涉條紋的明暗變化轉化為脈沖電信號后，條紋移動方向識別電路根據(jù)光敏管接受光信號的先后次序判斷條紋移動方向，再送入可逆計數(shù)器完成條紋移動的自動計數(shù)和顯示［11］.該系統(tǒng)原理框圖如圖1所示.

圖1 可逆式條紋計數(shù)裝置的基本原理圖

其中，電路a上下2部分結構完全相同.這2部分均由光敏二極管、三極管、電阻器、電容器共9個元件搭建而成，能完成采樣、放大、濾波、整形4個功能，它將采樣到的光信號轉化為脈沖信號輸出.電路b通過輸入的電信號，判斷條紋的移動方向；當條紋正向移動時，該電路使計數(shù)器做加計數(shù)，當條紋反向移動時，該電路使計數(shù)器做減計數(shù).這樣就消除了條紋回退引起的誤計數(shù).

3 電路工作原理

3.1 采樣、放大、濾波、整形

采樣部分由2個可見光范圍的硅光敏二極管組成.硅光敏二極管能將吸收的光能轉化為自身電阻的變化，從而使光強的變化轉化為電流的變化.但是由于光敏管能接收周圍所有可見光，因此它接收到的光信號不僅來自觀察屏上的干涉條紋，還有來自外界的其他光線，如燈光、室外漫散射光等.為了去除外界光線的干擾，將2個光敏管緊密地并排封裝于暗盒內(nèi)，受光敏管自身大小的限制，兩者中心間距約3mm.在暗盒上留出2個直徑約為1mm的透光小孔，使2個小孔對準2個光敏管以便采樣（如圖2所示）.通過這樣的暗盒設計，使光敏管只能通過小孔采集觀察屏上極小區(qū)域的干涉光，有效地去除了外界光線和屏上其他區(qū)域干涉光的影響.將暗盒安裝于觀察屏后，接收來自觀察屏的光信號.采用半透明的毛玻璃作為觀察屏，它不僅能將干涉環(huán)清晰地顯示在屏上，并且能使足夠的光線透射從而使光敏管采集到光信號.由于觀察屏上干涉環(huán)圓心附近某點光的明暗交替變化與圓心處圓環(huán)的“吞吐”同步，即該點明暗變化1個周期，圓心處就“冒出”或“縮進”1個圓環(huán)，所以可以對干涉環(huán)圓心附近的某點進行采樣，以此確定圓心處圓環(huán)吞吐的數(shù)目.

圖2 采樣暗盒

干涉條紋在經(jīng)過光敏管時所產(chǎn)生的電信號十分微弱，因而需要對其進行放大.用1個PNP型三極管對轉換的電信號作I-V一級放大處理，1個NPN型三極管對電信號作V-V放大處理，經(jīng)兩級放大后，信號強度達到TTL電平要求.

實驗中發(fā)現(xiàn)，經(jīng)光敏管采樣、放大后電路輸出的電壓并非平滑的曲線，而是在電壓上升和下降過程中呈現(xiàn)明顯的毛刺狀，這種現(xiàn)象必然會導致計數(shù)器錯誤的加計數(shù)和減計數(shù).造成這種現(xiàn)象的原因是由于干涉條紋的明暗交界不分明，條紋呈現(xiàn)出毛刺狀或毛絮狀的邊緣，從而導致明暗條紋的過渡區(qū)域光強分布不均勻，使得輸出電壓很不穩(wěn)定.因此在電路中加入了1個濾波電容去除干擾，獲得了理想的平滑的曲線，如圖3（a）所示，該曲線顯示了光敏檢測電路獲得的反映觀察屏采樣點光強變化的電信號波形圖，電壓的上升與下降反映了采樣點光的強弱變化.電壓每變化1個周期，表明圓心處冒出或縮進了1個圓環(huán).

圖3 對信號進行濾波整形

由于計數(shù)器只能識別脈沖信號，因此還需要將圖3（a）所示的正弦信號轉化為脈沖信號，即需要對該正弦信號進行波形整形，用以輸入計數(shù)器完成計數(shù).在電路僅加入了加速電容即完成了該整形功能，其原理是當光敏管接收到光信號時，由于加速電容的作用，使電路中的三極管迅速導通，輸出高電平；當光敏管沒有接收到光信號時，由于加速電容的作用，使三極管迅速截止，輸出低電平.由此可見，加速電容使輸入光信號由亮到暗的緩慢變化過程變成電信號的高低突變過程，即輸出“0”和“1”兩種數(shù)字信號，保證了計數(shù)器的要求.圖3（b）是經(jīng)過整形后得到的標準TTL電平，它由圖1中的電路a輸出，圖中標識為Aout和Bout.此TTL電平信號反映了干涉條紋的明暗變化情況，高電平表示亮紋經(jīng)過采樣點，而低電平表示暗紋經(jīng)過采樣點.

3.2 條紋移動方向識別及計數(shù)

使用可預置BCD雙時鐘可逆計數(shù)器40192進行條紋計數(shù)［12］（如圖2電路b）.它采用雙時鐘的邏輯結構，加計數(shù)和減計數(shù)具有各自的時鐘通道.當計數(shù)脈沖輸入計數(shù)器CPu端口時，CPd端口必須輸入持續(xù)的高電平，計數(shù)器才能正確地加計數(shù)；當計數(shù)脈沖輸入計數(shù)器CPd端口時，CPu端口必須輸入持續(xù)的高電平，計數(shù)器才能正確地減計數(shù).但是，從前級電路a輸出的信號Aout和Bout均為脈沖信號，且計數(shù)器無法自動判斷哪種情況該完成加計數(shù)，哪種情況該完成減計數(shù)，因而不能將它們直接送入計數(shù)器的2個端口.所以在電路中設計了條紋移動方向識別電路（如圖2電路b部分），該方向識別電路主要由2個CMOS集成塊組成，一個CMOS塊搭建成2個與非門和1個RS觸發(fā)器，另一個COMS塊搭建成2個或門.當條紋移動時，Aout和Bout信號各自分成2路，1路直接經(jīng)或門送入計數(shù)器CPu和CPd端口，1路送入方向識別電路.方向識別電路根據(jù)條紋移動方向，使RS觸發(fā)器置“1”或置“0”.當條紋做“縮進”移動時，暗紋先經(jīng)光敏管B（如圖4），此時Q端向或門2輸入低電平，ˉQ端向或門1輸入高電平，由此CPd端口接收到脈沖信號，CPu端口接受高電平，計數(shù)器進行減計數(shù)；當條紋反向移動時，Q端向或門2輸入高電平，ˉQ向或門1輸入低電平，由此CPu端口接收到脈沖信號，CPd端口接受高電平，計數(shù)器進行加計數(shù).

圖4 采樣小孔位于干涉環(huán)中的位置

3.3 譯碼輸出及顯示

采用BCD-8段譯碼器4511，它將可逆計數(shù)器輸出的BCD二進制碼轉化成8段輸出，驅動LED數(shù)碼顯示管顯示對應的十進制數(shù)，完成干涉條紋計數(shù)的顯示.

4 實驗測量

將設計好的樣機用于邁克耳孫干涉儀測量氦氖激光波長的實驗.調(diào)節(jié)好邁克耳孫干涉儀的光路系統(tǒng)，使毛玻璃觀察屏上出現(xiàn)清晰的明暗相間的干涉條紋，暗紋寬度需調(diào)到大于3mm，即暗紋的寬度需大于2個光敏管的寬度.將暗盒緊貼于毛玻璃觀察屏背面，2個透光小孔對準干涉環(huán)圓心附近的某一位置，如圖4所示.計數(shù)器接5V直流電源后清零.移動邁克耳孫干涉儀的動鏡，觀察到圓心處有圓環(huán)“吞吐”.圓心處每“冒出”1個圓環(huán)，計數(shù)器做1次加計數(shù)；圓心處每“縮進”1個圓環(huán)，計數(shù)器正確地完成了減計數(shù).我們用計數(shù)器完成了500個圓環(huán)“吞吐”的計數(shù)，結果表明與人工計數(shù)的結果完全一致.

5 結束語

本文設計了電路簡單的可逆條紋計數(shù)器.實際操作表明，該計數(shù)器的抗干擾能力強、測量準確度高、響應速度快，并且價格低廉、易于維護.它能減輕實驗操作者的用眼強度，并且提高了實驗效率和實驗精度.將該計數(shù)器的采樣方式簡單改動后，還可用于物料計數(shù)、電機測速、線圈繞制等需要大量計數(shù)的各種場合，因此它的使用范圍廣、適用性強.

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