新型干涉條紋計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

彭 琴，方 旺，楊曉衛(wèi)，潘 宇，黨富裕，周 亮，劉 歡，楊達(dá)曉

(重慶科技學(xué)院，重慶 401331)

邁克爾遜干涉儀的調(diào)整與使用是一個(gè)非常重要的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)可以通過(guò)記錄干涉條紋變化的數(shù)目和對(duì)應(yīng)距離的變化，測(cè)量激光波長(zhǎng)。但記錄干涉條紋變化的數(shù)目時(shí)，需要人工數(shù)出幾百個(gè)從中心向外涌出或吞入的條紋，這種人工記數(shù)方法不僅花費(fèi)較長(zhǎng)時(shí)間，而且需要長(zhǎng)時(shí)間集中精力盯著變化的干涉條紋，容易導(dǎo)致頭暈，還容易數(shù)錯(cuò)，產(chǎn)生較大誤差。與此同時(shí)減少實(shí)驗(yàn)樂(lè)趣和進(jìn)一步降低學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，也減少了學(xué)生思考并獲取知識(shí)的時(shí)間。

因此，不少文章探索了條紋計(jì)數(shù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［1-10］。設(shè)計(jì)中對(duì)光電信號(hào)采集和轉(zhuǎn)換多數(shù)采用光敏電阻，也有采用CCD的。而對(duì)明暗條紋信號(hào)處理多數(shù)基于硬件，采用施密特觸發(fā)電路把光強(qiáng)變化信號(hào)轉(zhuǎn)換成矩形波，再經(jīng)單片機(jī)進(jìn)行計(jì)數(shù)［1-8］;也有基于虛擬儀器與計(jì)算機(jī)采集處理相結(jié)合的［9-11］。前者雖使用方便，但不能體現(xiàn)條紋明暗的變化具體過(guò)程，精度較低。后者雖然處理數(shù)據(jù)比較方便，但必須使用計(jì)算機(jī)，成本較高。

針對(duì)上述干涉條紋計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)的不足，本文探討用單片機(jī)研制一種新型邁克爾遜干涉條紋自動(dòng)計(jì)數(shù)器。

1 計(jì)數(shù)器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 計(jì)數(shù)器總體結(jié)構(gòu)

計(jì)數(shù)器采用光電探測(cè)器將條紋光強(qiáng)信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)，然后將電壓信號(hào)進(jìn)行放大等處理，再把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)成微處理器可以識(shí)別的數(shù)字信號(hào)，經(jīng)單片機(jī)進(jìn)一步處理實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)功能并顯示條紋的變化數(shù)目或者顯示不同光強(qiáng)對(duì)應(yīng)電壓值。計(jì)數(shù)器結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖1。

圖1 計(jì)數(shù)器結(jié)構(gòu)圖

1.2 硬件設(shè)計(jì)

計(jì)數(shù)器電路可分為以下幾部分:光電信號(hào)采集、放大、濾波、信號(hào)模數(shù)轉(zhuǎn)換、單片機(jī)、數(shù)據(jù)顯示。詳細(xì)電路圖見(jiàn)圖2～3。

光電信號(hào)采集部分采用具有精確、線性和可重復(fù)的電流轉(zhuǎn)換功能，對(duì)紫外和紅外波段的光有抑制作用的光敏電阻。當(dāng)照射到光敏電阻的光強(qiáng)發(fā)生變化，光敏電阻的阻值發(fā)生變化。因此，在光電信號(hào)采集部分通過(guò)一穩(wěn)壓芯片提供恒壓源，把光敏電阻和一限流電阻串聯(lián)在電路中，采集光敏電阻上電壓的變化。

放大電路部分為了簡(jiǎn)單穩(wěn)定采用一儀表放大器進(jìn)行差分放大。為了使計(jì)數(shù)器能在不同背景光強(qiáng)環(huán)境條件下使用，電路中設(shè)計(jì)有調(diào)零功能。通過(guò)調(diào)節(jié)調(diào)零電位器，可使實(shí)驗(yàn)時(shí)條紋最亮?xí)r對(duì)應(yīng)輸出光電信號(hào)值為零。而為了使計(jì)數(shù)器能在不同光源光強(qiáng)條件下使用，電路中設(shè)計(jì)有電壓放大功能。在條紋最暗時(shí)調(diào)節(jié)電壓放大電位器，可實(shí)現(xiàn)差分電壓放大，使輸出光電信號(hào)為另一設(shè)定數(shù)值。這樣，在實(shí)驗(yàn)時(shí)，可以觀測(cè)到條紋明暗變化時(shí)光電信號(hào)值發(fā)生相應(yīng)變化，另外通過(guò)程序控制可實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)功能。

圖2 計(jì)數(shù)器主電路

圖3 顯示電路

放大電路輸出的是模擬信號(hào)，而單片機(jī)處理 只能處理數(shù)字信號(hào)。因此，需要將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。模數(shù)轉(zhuǎn)換選擇一常用八位模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片即可，當(dāng)然也可選擇自帶模數(shù)轉(zhuǎn)換功能的單片機(jī)。為了使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)直觀、簡(jiǎn)單，分別采用ADC0832模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片和國(guó)產(chǎn)STC89C52單片機(jī)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換和后續(xù)處理。此外，為了排除其它無(wú)用信號(hào)的干擾，在將光電信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換之前要對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波處理。而數(shù)據(jù)顯示采用四位數(shù)碼管。這樣，顯示數(shù)字范圍可從0到9999，能滿足實(shí)驗(yàn)時(shí)記錄數(shù)據(jù)量為幾百個(gè)的要求，同時(shí)可以顯示一位小數(shù)。

另外，考慮到計(jì)數(shù)器實(shí)際使用時(shí)的需求，增加了系統(tǒng)復(fù)位、條紋數(shù)目清零和暫停計(jì)數(shù)功能按鍵，以及顯示光電信號(hào)值和顯示條紋數(shù)目功能選擇按鍵。同時(shí)，為了使用方便還增加了幾個(gè)工作狀態(tài)指示燈。

1.3 軟件設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)預(yù)定功能，該計(jì)數(shù)器程序包括自檢、模數(shù)轉(zhuǎn)換采集，計(jì)數(shù)、顯示、按鍵響應(yīng)、數(shù)值設(shè)置、數(shù)值比較、中斷處理等模塊，見(jiàn)圖4～5。

圖4 程序流程圖

為了使計(jì)數(shù)器能更加清楚的體現(xiàn)條紋光強(qiáng)的變化，當(dāng)計(jì)數(shù)器顯示光電信號(hào)強(qiáng)度時(shí)，經(jīng)程序處理使顯示值大小保留至一位小數(shù)。而當(dāng)計(jì)數(shù)器顯示條紋計(jì)數(shù)值時(shí)，在程序中設(shè)定干涉條紋即從最亮變?yōu)樽畎?，?jì)數(shù)值增加0.5;從最暗變?yōu)樽盍?，?jì)數(shù)值也增加0.5。從亮紋變?yōu)榘导y再變?yōu)榱良y，條紋計(jì)數(shù)值增加1.0。即該計(jì)數(shù)器檢測(cè)的條紋變化數(shù)目，顯示精度為0.5。當(dāng)然，也可以使精度為0.1，但從實(shí)際使用角度考慮，計(jì)數(shù)值能體現(xiàn)條紋明暗的變化就可以了。

2 計(jì)數(shù)器應(yīng)用

圖5 計(jì)數(shù)器應(yīng)用圖

計(jì)數(shù)器應(yīng)用時(shí)，先把邁克爾遜干涉儀調(diào)整好，再把光敏電阻緊貼光屏上的干涉圓環(huán)中心。為了準(zhǔn)確探測(cè)光強(qiáng)明暗的變化，邁克爾遜干涉儀調(diào)整時(shí)要求干涉圓環(huán)條紋中心為暗紋時(shí)，暗紋的大小要比光敏電阻探頭略大。然后根據(jù)要求調(diào)節(jié)電壓調(diào)零和放大電位器達(dá)到設(shè)定值后，再選擇計(jì)數(shù)功能即可進(jìn)行計(jì)數(shù)。使用時(shí)，在觀察記錄邁克爾遜干涉儀位置讀數(shù)時(shí)，可以暫停計(jì)數(shù)，記錄好位置后繼續(xù)計(jì)數(shù)。經(jīng)多次實(shí)際測(cè)試，該計(jì)數(shù)器在不同儀器和背景光強(qiáng)條件下，自動(dòng)計(jì)數(shù)值和人工記錄的完全一致。需要注意的是，雖然光敏電阻反應(yīng)非常靈敏，但在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，干涉條紋明暗的變化不能太快，以防數(shù)目漏計(jì)導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生較大誤差。此外，如果使用時(shí)由于儀器抖動(dòng)或其它原因，導(dǎo)致干涉條紋中心位置或明暗紋亮度發(fā)生明顯變化不能繼續(xù)正確計(jì)數(shù)時(shí)，則需要重新調(diào)整該計(jì)數(shù)器滿足使用條件，重新開(kāi)始計(jì)數(shù)。

3 結(jié)論

干涉條紋計(jì)數(shù)器既可以記錄條紋變化數(shù)目，又能觀察光電信號(hào)變化。具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，計(jì)數(shù)準(zhǔn)確的特點(diǎn)。能夠節(jié)約實(shí)驗(yàn)時(shí)間，降低實(shí)驗(yàn)難度，避免人為因素造成的誤差。同時(shí)，拓展了光學(xué)和電學(xué)知識(shí)的應(yīng)用，使學(xué)生對(duì)物理實(shí)驗(yàn)有更加深刻的認(rèn)識(shí)。此外，該計(jì)數(shù)器還可以應(yīng)用在需要探測(cè)光強(qiáng)變化的光學(xué)實(shí)驗(yàn)及光學(xué)科學(xué)研究中。

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