基于單片機的邁氏干涉儀自動測量系統(tǒng)改進

仇冀宏等

摘 要：在用邁克爾遜干涉儀測量光波長的大學(xué)物理實驗中，通過手動微調(diào)手輪轉(zhuǎn)動，肉眼計量條紋數(shù)的方法會造成相對較大的系統(tǒng)誤差。為了把這種誤差降到最低，我們利用步進電機來驅(qū)動干涉儀的手輪，光敏電阻檢測條紋信號的明暗變化， 通過光電轉(zhuǎn)換電路將光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺?輸入到單片機中進行計數(shù)，并以此計算出激光波長。這樣可以大量減少人工冗長繁復(fù)的操作，同時提高測量的精確度。

關(guān)鍵詞：邁克爾遜干涉儀 光電轉(zhuǎn)換 光波長測量 單片機

中圖分類號：TN911-34 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）07（a）-0060-02

對于現(xiàn)有的邁克爾遜干涉儀測量激光波長的實驗，要得到準確的測量結(jié)果，需觀測較大的條紋數(shù)N。在這個過程中，人工測量難免會產(chǎn)生疲勞，出現(xiàn)計數(shù)多數(shù)或漏數(shù)的情況，并且長時間的直視光源會對人眼造成不良的影響[1]。同時，手動轉(zhuǎn)動手輪速度不均，轉(zhuǎn)的過快或有所抖動都會引起測量的不準確。

在本實驗中，為了便于實際的調(diào)試和測量，我們采用激光光源，用步進電機驅(qū)動手輪微調(diào)代替手動調(diào)節(jié)，步進電機旋轉(zhuǎn)一次手輪轉(zhuǎn)過的距離一定，其根據(jù)電機的步距角參數(shù)可得，用單片機控制步進電機轉(zhuǎn)動的次數(shù)，可得總共微調(diào)轉(zhuǎn)過的距離，即為光程差2?d。光屏上得到的明暗條紋，通過光電轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為脈沖信號，輸入到單片機進行計數(shù)，即條紋數(shù)為N。則波長可計算得：[2]。測量的各組數(shù)據(jù)及結(jié)果在顯示屏上顯示， 從而實現(xiàn)波長的自動測量[3-4]。

1 單片機及光電轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計

1.1 單片機電路的分析

控制計數(shù)電路主要是由單片機最小板系統(tǒng)完成的，電路通過5 V直流電源供電，由撥動開關(guān)控制斷、開。P3.4口連接光電轉(zhuǎn)換電路的數(shù)據(jù)口用于計數(shù)，電路板上的VCC和GND接口用來給光電轉(zhuǎn)換電路供電[5]。輸出電路有兩種顯示方式：數(shù)碼管和液晶1602顯示。

1.2 光電轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計

光敏電阻的電路圖如圖3。轉(zhuǎn)動手輪時會在光屏上引起明暗條紋的變化，這種光變化經(jīng)過光敏電阻轉(zhuǎn)換而成的是一種波浪形的震蕩的電信號如圖1。這里我們利用觸發(fā)器并為此調(diào)節(jié)設(shè)置了一個電壓閥值，當電壓高于閥值則輸出1，低于閥值則輸出0，使得輸入單片機中的是脈沖信號（0/1）。每一次的躍變通過單片機計一次數(shù)。通過實驗測量，獲得光敏電阻隨光變化所可能得到的電壓值的范圍。當光敏電阻處在明條紋時，獲得一個低電壓，處在暗條紋時，獲得一個高電壓如圖2。

計算這兩個峰值電壓的差值?U=|Umax-Umin|，?U的值不能太小，因為在明暗條紋的變化過程中，若光敏電阻輸出的電信號變化過小，將無法很好的確定電壓閥值，用時也很難保證每一次的電壓變化會越過閥值而產(chǎn)生一次計數(shù)。所以這里△U的測量計算，對我們選擇合適的光敏電阻也有一個指導(dǎo)作用。

根據(jù)圖像，我們可以看出隨著明暗條紋的“吞”“吐”變化，光敏電阻的電壓值有的差值，這足以使峰值電壓躍過閥值而使單片機計一次數(shù)。對于閥值的確定，由于在光屏上不同位置的光斑整體明暗程度不同，其閥值將會有上下的波動。我們利用一個可調(diào)電阻來調(diào)光敏電阻的閥值電壓，使光敏電阻處在明條紋時獲得的電壓在閥值之下，處在暗條紋時獲得的電壓在閥值之上。這樣就可以適應(yīng)各種情況下的明暗條紋的光斑變化了。

2 步進電機的連接設(shè)計

我們采用28BYJ-48 型步進電機帶動邁克爾干涉儀的微調(diào)旋鈕轉(zhuǎn)動，它的步進值小， 提高了測量的精確度，避免了很多人為因素對測量的干擾。單片機I/O口流出的電流太小不能驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動，需要外接驅(qū)動芯片[3]。另外，驅(qū)動步進電機轉(zhuǎn)動的脈沖信號頻率越大，電機轉(zhuǎn)速越高，但頻率不能過大也不能過小，否則電機都不會轉(zhuǎn)動。在實驗中，我們編寫了程序，利用單片機的定時器中斷來驅(qū)動步進電機轉(zhuǎn)動，這樣便實現(xiàn)了步進電機與干涉儀的一體化連接，有效而精確地完善了自動調(diào)節(jié)功能。

在實際操作時，為了不破壞邁克爾遜干涉儀本身，我們簡化工藝，只在原先的鼓輪上套上一個塑料帽，以連接步進電機。因為鼓輪本身有防滑的紋路，又由于步進電機的轉(zhuǎn)速在該實驗中較小，這種緩慢的轉(zhuǎn)動使得塑料帽與鼓輪之間的摩擦相對較大，所以塑料帽與鼓輪幾乎相對靜止，其間的誤差可以忽略不計。另外，我們將步進電機通過金屬支架連接在干涉儀上，這里我們特地對其進行了加固，以防止步進電機的抖動，使得步進電機轉(zhuǎn)軸、塑料帽圓心及鼓輪圓心于一條水平線上。這樣便簡單的實現(xiàn)了用步進電機來控制鼓輪同步轉(zhuǎn)動。

在計數(shù)時，我們可以設(shè)定步進電機的轉(zhuǎn)速并使其只轉(zhuǎn)動一圈[6]，因為干涉儀鼓輪轉(zhuǎn)動一圈光程差改變0.02 mm，這樣只要計數(shù)步進電機轉(zhuǎn)的圈數(shù)便可知道光程差的改變量。另一方面，光敏電阻可以計數(shù)明暗條紋數(shù)，兩方面加以綜合，根據(jù)公式便可測得未知激光的波長。

3 在保證實驗穩(wěn)定性及可靠性上的改善

3.1 擴束鏡的引入

在用激光做光源進行該實驗時，由于激光的特性與Na光不同，平行度較高，因而成像在無窮遠處。并且激光無法用肉眼直接觀察，這就導(dǎo)致實驗現(xiàn)象不能得到。所以我們引入了擴束鏡，將其置于激光光源與分光鏡之間使激光、擴束鏡、分光鏡的中心位于一條直線上。調(diào)節(jié)擴束鏡的位置及放大倍數(shù)使得明暗相間的條紋能夠在距離干涉儀較近位置的光屏上成像。這樣我們便可在光屏的合適位置固定一個光敏電阻實現(xiàn)實驗的自動計數(shù)。

3.2 噪聲的處理

在實驗中，毛刺現(xiàn)象的出現(xiàn)給我們實驗造成了很大的阻礙。實際實驗的光電壓值得變化時不像圖1那樣理想的，由于電機的轉(zhuǎn)動或是其他不可測的因素造成對干涉儀微小的抖動，都會帶來噪聲。在步進電機轉(zhuǎn)速合適并且盡量減少對干涉儀擾動的情況下，仍然非常頻繁的出現(xiàn)噪音。毛刺使得計數(shù)的準確性和穩(wěn)定性大大下降。當然解決毛刺問題的方法很多，有硬件處理和軟件處理兩種，這里我們采用較為簡單的軟件處理。由于我們主要是計數(shù)，但毛刺會影響計數(shù)，所以我們根據(jù)明暗條紋變化速度（實際上是步進電機轉(zhuǎn)速）做了一定的延時處理，通過不斷修改延時參數(shù)尋找最佳點，做如此改變后，實驗測量與實際吻合的較為準確[7]。當然這種方法有一定的局限性，但總體來講還是可以基本消除毛刺現(xiàn)象，大幅度減小了計數(shù)上產(chǎn)生的誤差。endprint

4 實驗數(shù)據(jù)及誤差分析

表1。

4.1 結(jié)果分析

根據(jù)誤差分析的原理，計算出手動測量和自動測量的兩個系統(tǒng)誤差值。因為是驗證試驗，所以直接用λ0代替測量的平均值。由于篇幅有限，文中只給出了紅光的測量數(shù)據(jù)，在實驗中，我們也測量了綠色激光。給出分析數(shù)據(jù)如下：

紅色激光的不確定度與相對不確定度：

由上述的結(jié)果可知，自動測量的波長值得誤差明顯要小于手動測量所得到的波長值，而且測量的次數(shù)越大所得到的波長值越接近于理論值。

5 設(shè)計應(yīng)用及拓展

關(guān)于測量微小薄膜厚度的設(shè)想：

在工業(yè)生產(chǎn)中，薄膜的厚度是一個重要的參數(shù)，直接關(guān)系到該薄膜材料能否正常工作。利用邁氏干涉儀測量微小薄膜長度的基本思路是，在其兩透鏡中插入薄膜，改變光路的光程差。而改變的光程差又可以根據(jù)該薄膜的折射率計算得到。

我們可以用阿貝折射儀測出薄膜的折射率，然后利用折射率與光程差的關(guān)系便可求出其厚度。

這種方法在工業(yè)上具有廣泛的應(yīng)用前景，避開了機械螺旋空程差造成的影響，使用力傳感器有效減小了擠壓形變引起的誤差[8]。

參考文獻

[1] 陳業(yè)仙，周黨培，關(guān)小泉.一種新型邁克爾干涉儀條紋計數(shù)器的設(shè)計[J].大學(xué)物理實驗，2009，22（3）：64-67.

[2] 肖蘇.大學(xué)物理實驗[M].安徽合肥：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，2004：276-281.

[3] 彭真真，趙碩浛，劉月林，等.基于單片機改造邁氏干涉儀自動測量微小長度[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2011，34（11）：150-153.

[4] 劉建靜.邁克爾遜干涉儀測波長實驗中常見問題分析[J].實驗科學(xué)與技術(shù)，2010，8（1）：30-31.

[5] 肖金球.單片機原理與接口技術(shù)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004：11-15.

[6] 賀瑩，武淑娟.基于單片機的步進電機驅(qū)動[J].機械管理開發(fā)，2011，122（4）：197-198.

[7] 王守權(quán)，張紹良，張薇.干涉條紋計數(shù)器的研制[J].長春郵電學(xué)院學(xué)報，2000，18（2）：57-58.

[8] 王恩實，鄧宇，田曉燕.用邁克爾遜干涉儀測量納米級薄膜厚度的研究[J].吉林建筑工程學(xué)院學(xué)報，2003，20（4）：15-17.endprint

4 實驗數(shù)據(jù)及誤差分析

表1。

4.1 結(jié)果分析

根據(jù)誤差分析的原理，計算出手動測量和自動測量的兩個系統(tǒng)誤差值。因為是驗證試驗，所以直接用λ0代替測量的平均值。由于篇幅有限，文中只給出了紅光的測量數(shù)據(jù)，在實驗中，我們也測量了綠色激光。給出分析數(shù)據(jù)如下：

紅色激光的不確定度與相對不確定度：

由上述的結(jié)果可知，自動測量的波長值得誤差明顯要小于手動測量所得到的波長值，而且測量的次數(shù)越大所得到的波長值越接近于理論值。

5 設(shè)計應(yīng)用及拓展

關(guān)于測量微小薄膜厚度的設(shè)想：

在工業(yè)生產(chǎn)中，薄膜的厚度是一個重要的參數(shù)，直接關(guān)系到該薄膜材料能否正常工作。利用邁氏干涉儀測量微小薄膜長度的基本思路是，在其兩透鏡中插入薄膜，改變光路的光程差。而改變的光程差又可以根據(jù)該薄膜的折射率計算得到。

我們可以用阿貝折射儀測出薄膜的折射率，然后利用折射率與光程差的關(guān)系便可求出其厚度。

這種方法在工業(yè)上具有廣泛的應(yīng)用前景，避開了機械螺旋空程差造成的影響，使用力傳感器有效減小了擠壓形變引起的誤差[8]。

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[8] 王恩實，鄧宇，田曉燕.用邁克爾遜干涉儀測量納米級薄膜厚度的研究[J].吉林建筑工程學(xué)院學(xué)報，2003，20（4）：15-17.endprint

4 實驗數(shù)據(jù)及誤差分析

表1。

4.1 結(jié)果分析

根據(jù)誤差分析的原理，計算出手動測量和自動測量的兩個系統(tǒng)誤差值。因為是驗證試驗，所以直接用λ0代替測量的平均值。由于篇幅有限，文中只給出了紅光的測量數(shù)據(jù)，在實驗中，我們也測量了綠色激光。給出分析數(shù)據(jù)如下：

紅色激光的不確定度與相對不確定度：

由上述的結(jié)果可知，自動測量的波長值得誤差明顯要小于手動測量所得到的波長值，而且測量的次數(shù)越大所得到的波長值越接近于理論值。

5 設(shè)計應(yīng)用及拓展

關(guān)于測量微小薄膜厚度的設(shè)想：

在工業(yè)生產(chǎn)中，薄膜的厚度是一個重要的參數(shù)，直接關(guān)系到該薄膜材料能否正常工作。利用邁氏干涉儀測量微小薄膜長度的基本思路是，在其兩透鏡中插入薄膜，改變光路的光程差。而改變的光程差又可以根據(jù)該薄膜的折射率計算得到。

我們可以用阿貝折射儀測出薄膜的折射率，然后利用折射率與光程差的關(guān)系便可求出其厚度。

這種方法在工業(yè)上具有廣泛的應(yīng)用前景，避開了機械螺旋空程差造成的影響，使用力傳感器有效減小了擠壓形變引起的誤差[8]。

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[8] 王恩實，鄧宇，田曉燕.用邁克爾遜干涉儀測量納米級薄膜厚度的研究[J].吉林建筑工程學(xué)院學(xué)報，2003，20（4）：15-17.endprint