邁克爾遜干涉儀自動測量系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

摘? 要：在邁克爾遜干涉儀測量氦氖激光波長實驗中，若要提高干涉條紋亮度，需要降低環(huán)境光強；此外，從儀器動鏡位置讀數(shù)不夠便捷，并且連續(xù)計數(shù)上百個干涉條紋個數(shù)容易導致眼疲勞，帶入計數(shù)誤差。為了解決這些問題，研制了邁克爾遜干涉儀自動測量系統(tǒng)，它實現(xiàn)了自動計數(shù)干涉條紋個數(shù)和自動計算動鏡位移，并將計算結果動態(tài)顯示在液晶屏上。

關鍵詞：邁克爾遜干涉儀；直流電機；光電編碼器；光敏電阻傳感器；單片機

中圖分類號：TH744 文獻標識碼：A? 文章編號：2096-4706（2023）11-0172-04

Design and Implementation of Automatic Measurement System for Michelson Interferometer

MU Xiaodong

（School of Physics and Optoelectronic Engineering， Shandong University of Technology， Zibo? 255000， China）

Abstract： In the experiment of measuring He-Ne laser wavelength with Michelson interferometer， in order to improve the brightness of interference fringes， the ambient light intensity need to be reduced; In addition， reading number from the position of the instrument's moving mirror is not convenient enough， and continuously counting hundreds of interference fringes can easily lead to eye fatigue and lead to counting errors. In order to solve these problems， an automatic measurement system of Michelson interferometer is developed， which can automatically count the number of interference fringes and automatically calculate the displacement of moving mirror， and dynamically display the calculation results on the LCD screen.

Keywords： Michelson interferometer; DC motor; photoelectric encoder; photoresistor sensor; Single-Chip Microcomputer

0? 引? 言

邁克爾遜干涉儀是利用分振幅法產生雙光束以實現(xiàn)干涉的精密光學儀器，通它可以測定微小長度、折射率和光波波長等，也可以用來研究如溫度、壓強、電場、磁場以及媒質的運動等物理因素對光線傳播的影響。

我校的大學物理實驗課開設了用邁克爾遜干涉儀測量氦氖激光波長這一實驗。實驗中，為使觀察屏上的干涉條紋更加明亮，需在較暗環(huán)境下測量。由于環(huán)境較暗，又不方便從儀器讀取出動鏡位置讀數(shù)。測量過程中，每數(shù)一定的條紋個數(shù)，需從儀器讀取動鏡在導軌的位置，直至數(shù)完上百個干涉條紋為止。如此操作，眼睛易疲勞，出現(xiàn)計數(shù)錯誤，并且每讀一次動鏡位置，繼續(xù)旋轉微調手輪時，易旋錯方向，帶入回程誤差。鑒于上述問題，驅使我們對邁克爾遜干涉儀進行改進。

1? 邁克爾遜干涉儀測量氦氖激光波長的原理

原理如圖1所示。在兩個平面M1與M2嚴格垂直的情況下，從激光器發(fā)出的光束被分光板G1分成強度相近的兩束光，反射光（1）經移動鏡M1反射后，再經G1部分地透射；透射光（2）經補償板G2射向參考鏡M2反射后，再經G1部分地反射。兩束光同時匯聚于觀察屏E，觀察屏上形成一組內疏外密的等傾干涉圓環(huán)。M'2是參考鏡M2經分光板形成的虛鏡，兩鏡之間的平行距離為d，兩束光的光程差δ為2d，若動靜M1移動?d，觀察屏E上“吞”或“吐”N個條紋，可推出波長公式λ = 2?d / N。因此，測量光的波長需要測量兩個物理量，一個是“吞”或“吐”條紋的個數(shù)N，一個是對應“吞”或“吐”N個條紋的動鏡位移?d [1]。

2? 實驗中存在的問題

2.1? 讀數(shù)不便

邁克爾遜干涉儀如圖2所示。為了突出觀察屏上等傾干涉圓環(huán)的亮度，實驗要求在較暗環(huán)境下進行。動鏡位移是動鏡在導軌上的兩個位置讀數(shù)相減得到的。顯然，在較暗環(huán)境下不方便從儀器讀取動鏡在導軌上的位置讀數(shù)。

動鏡在導軌的位置讀數(shù)是通過主標尺、讀數(shù)窗、微調手輪三部分讀出，讀數(shù)較麻煩。

為了降低測量誤差，采用逐差法計算氦氖激光波長。實驗中應保持微調手輪始終朝一個方向旋轉，每數(shù)一定的圓環(huán)個數(shù)（如20個），讀取動鏡在導軌上的位置讀數(shù)，直到數(shù)出總圓環(huán)個數(shù)（如160個）。在測量過程中給，讀出動鏡位置讀數(shù)后，繼續(xù)旋轉微調手輪時，易旋錯方向，代入回程誤差。

2.2? 計數(shù)誤差

在黑暗環(huán)境里，連續(xù)人工計數(shù)上百個“吞”或“吐”條紋個數(shù)。由于長時間地觀察激光干涉圓環(huán)，眼睛易疲勞，出現(xiàn)漏計或多計的現(xiàn)象。

2.3? 精度問題

微調手輪的最小分度為100 nm每格，精度仍有較大的提升空間。

針對以上提出的問題，我們設計了以單片機為控制、處理器的邁克爾遜干涉儀自動測量系統(tǒng)。

3? 邁克爾遜干涉儀自動測量系統(tǒng)原理

系統(tǒng)原理如圖3所示。將條紋檢測和動鏡位移兩路信號同時傳送給單片機，單片機處理計算后，將條紋數(shù)量N和動鏡位移?d在液晶顯示屏上動態(tài)顯示。

以低速直流電機取代邁克爾遜干涉儀的微調手輪；光電編碼器代替微調手輪上的刻度。

雙軸直流電機的一側軸通過聯(lián)軸器與微調手輪軸連接，另一側軸與光電編碼器軸連接。直流電機帶動微調手輪軸和光電編碼器的碼盤同步轉動，使動鏡在導軌上移動，光電編碼器輸出表征動鏡位移的脈沖信號，將此信號經倍頻電路輸出更高分辨精度的標準脈沖，單片機接收此脈沖后自動計算動鏡位移?d，并將動鏡位移送液晶顯示器動態(tài)顯示。

如此改進完全省去了以手動方式旋轉微調手輪帶動動鏡移動，以及從標尺讀取動鏡位置讀數(shù)等人工操作，也避免了由于手動旋錯微調手輪方向帶入的回程誤差，簡化了操作過程。

使用光敏電阻傳感器檢測“吞”或“吐”的條紋個數(shù)，單片機獲取信號后自動完成條紋計數(shù)，并將條紋數(shù)量實時顯示在液晶屏上。

光敏傳感器檢測圓環(huán)中心光強變化，將檢測信號進行濾波、波形轉換和整形，以標準的脈沖信號傳給單片機，單片機獲取信號并自動完成條紋計數(shù)N。

在改進的過程中，我們遇到了光敏電阻受環(huán)境光強影響較大的技術難題。光敏電阻傳感器接收到的光強是環(huán)境光強和激光干涉條紋光強的疊加，傳感器輸出電壓是環(huán)境光強產生的基礎電壓和干涉條紋產生的周期波動電壓之和。弱光環(huán)境下整體電壓值較高，強光環(huán)境下的電壓值相對于弱光整體偏低。通過對比，在不同的實驗室中環(huán)境光強不一樣，會導致基礎電壓差別很大。其次，光敏電阻的光照特性是非線性的，弱光環(huán)境下，靈敏度大，電壓信號變化幅度大，容易檢測，強光環(huán)境下靈敏度小，電壓信號變化幅度小，很難檢測。鑒于光敏傳感器受環(huán)境光強影響較大，我們設計出了從光敏電阻傳感器輸出信號中分離環(huán)境光強，正確識別信號波動過程的電路，解決了以上難點。

由此，不僅解決了因連續(xù)人工計數(shù)條紋個數(shù)帶來的計數(shù)錯誤，而且避免了長時間觀察干涉條紋產生的眼睛疲勞。

光電編碼器代替微調手輪的刻度。編碼器輸出的信號經倍頻電路處理后，提高動鏡位移的測量精度。

邁克爾遜干涉儀的微調手輪上有100個分格，最小分度為100納米/格。我們選用1 000線光電編碼器代替微調手輪的刻度，將傳感器輸出的兩路信號經倍頻電路進行二倍頻處理，使光電傳感器的碼盤從10納米/線進一步提升為5 納米/線。因此，動鏡位移的測量精度由微調手輪的100納米/格，提高到光電編碼器取代后的5納米/線，動鏡位移的測量精度大幅度提高。

4? 邁克爾遜干涉儀自動測量系統(tǒng)的制作

4.1? 選擇元器件

根據(jù)原理圖篩選系統(tǒng)所需直流電機型號、光電編碼器、光敏傳感器、單片機等元器件。實際測量實驗過程中手動旋轉微調手輪的速度，計算了帶動微調手輪的轉矩，以這兩個數(shù)據(jù)為依據(jù)，確定電機型號[2]。考慮成本和測量精度，選取了1 000線的光電編碼器[3]。對比了光敏電阻和光敏二極管，集成光電傳感器等多種不同光敏元件傳感器的實際效果，最終采用了光敏電阻傳感器[4]。根據(jù)系統(tǒng)的功能及制作電路板的難度，選用89C52單片機作為控制、處理器[5]，從實際需要顯示的字符個數(shù)，比較了幾種型號的顯示器，選定12864液晶顯示器[2]，因實驗環(huán)境光強較暗，選用獨立觸摸式發(fā)光按鍵等元器件。

4.2? 安裝電機、光電編碼器和光敏傳感器

采用3D打印，制作了直流電機、光電編碼器的安裝殼，以及光敏電阻傳感器的安裝支座。為了將直流電機和光電編碼器安裝在邁克爾遜干涉儀上，我們設計并3D打印了安裝外殼。電機和光電編碼器放在殼內，電機一側軸通過聯(lián)軸器與邁克爾遜干涉儀的微調手輪軸連接，另一側與光電編碼器連接，保證了直流電機帶動微調手輪軸和光電編碼器的碼盤同步轉動。光敏電阻安裝在二維調節(jié)架上，調節(jié)架固定在3D打印的支座上，支座固定在觀察屏支撐桿上，光敏電阻能夠貼著觀察屏二維自由移動。

4.3? 制作邁克爾遜干涉儀自動測量儀

制作了集自動控制電機轉動、自動測量干涉條紋數(shù)量和相應動鏡位移，以及顯示測量數(shù)據(jù)于一體的邁克爾遜干涉儀自動測量儀。自動測量儀如圖4所示，該自動測量儀包含硬件和軟件兩大部分。

硬件部分包括開關電源、電機驅動、倍頻、干涉條紋信號處理、單片機、鍵盤以及液晶顯示器幾個模塊。

開關電源是將普通交流220 V電源轉換成各元器件所需的直流工作電壓。實驗室電源為交流220 V，有時電壓忽高忽低不穩(wěn)定。而直流電機、液晶顯示器、單片機等芯片的工作電壓是直流電壓，且工作電壓各不相同，如直流電機工作電壓為12 V直流電壓，液晶顯示器、單片機等芯片的工作電壓為5 V直流電壓。直流開關電源的功能就是將電能質量較差的原生態(tài)電源，如市電電源，轉換成滿足元器件工作要求的高質量直流電壓。

電機驅動模塊是控制直流電機工作的模塊。通過觸摸鍵盤輸入命令，啟動直流電機正轉、反轉工作或停止。

倍頻電路將來自旋轉編碼器的兩相脈沖信號做異或處理，輸出2倍于輸入信號的脈沖，用以提高動鏡位移的檢測精度。

干涉條紋處理模塊是將光敏電阻傳感器采集的干涉條紋原始信號進行濾波，得到比較干凈的反眏干涉條紋的模擬電壓信號，接著轉換為數(shù)字信號，再將此數(shù)字信號繼續(xù)整形為單片機可識別的標準脈沖信號。

單片機接收鍵盤輸入的命令后，發(fā)出指令開啟電機驅動模塊啟動直流電機工作，電機在轉動過程中，帶動動鏡在導軌上移動，同時接收來自倍頻電路表征動鏡位移的高精度脈沖信號和干涉條紋處理模塊產生的條紋脈沖信號，對兩路脈沖同時計數(shù)、處理，得到動鏡位移和條紋數(shù)量。

鍵盤由5個獨立功能鍵組成，分別是up、down、conferm、riset、start/stop鍵，完成動鏡移動方向、每組條紋數(shù)、測量組數(shù)、確認狀態(tài)以及開始/停止工作命令的選擇。

12864是圖形點陣液晶顯示器。開機后，它顯示工作過程提示、鍵盤鍵入命令顯示，以及測量干涉條紋數(shù)量和動鏡移動位移的實時顯示。

軟件部分即單片機程序，指揮單片機按著預定的設計完成一系列動作，達到最終的測量目的。以逐差法處理數(shù)據(jù)為原則，設計程序框圖如圖5所示。

4.4? 制作硬件電路

根據(jù)系統(tǒng)性能要求，設計了硬件電路，制作了以單片機為控制、處理器，12864液晶顯示器，觸摸鍵盤，開關電源及保護，電壓轉換與穩(wěn)壓于一體的硬件電路板。

5? 邁克爾遜干涉儀自動測量系統(tǒng)

圖6是最終制成的邁克爾遜干涉儀自動測量系統(tǒng)。此系統(tǒng)包括邁克爾遜干涉儀自動測量儀、電機與光電編碼器和光敏傳感器3個部分。電機取代了原有邁克爾遜干涉儀的微調手輪，光電編碼器代替了微調手輪的刻度，光敏傳感器代替人工識別條紋個數(shù)。

在觀察屏上調出等傾干涉圓環(huán)后，調節(jié)二維架，使光敏電阻傳感器的感光面移至圓環(huán)中心。打開邁克爾遜干涉儀自動測量儀背面的電源開關，按照液晶顯示屏提示，從觸摸鍵輸入命令后，自動測量儀啟動電機轉動，帶動動鏡在導軌上移動，同時在自動測量儀的液晶顯示屏上顯示出“吞”或“吐”的條紋數(shù)量N和對應動鏡位移?d，如圖7所示，測量結束后，按UP或DOWN鍵查詢條紋數(shù)和對應動鏡位移，關閉所有電源，采用逐差法計算氦氖激光波長。

6? 結? 論

這套自動測量系統(tǒng)實現(xiàn)了自動測量干涉條紋數(shù)量以及自動計算動鏡位移，并將其實時顯示在液晶屏上，使測量過程更具有直觀性。它減少了實驗人員的工作量，降低了實驗操作難度，測量準確度較改進前顯著提高，改進成本較低。該自動測量系統(tǒng)適應環(huán)境光強能力強，工作性能穩(wěn)定，可以應用到大學物理實驗中。

參考文獻：

[1] 袁長坤.物理量測量：第3版 [M].北京：科學出版社，2013.

[2] 程國鋼，文坤，王祥仲，等.51單片機常用模塊設計查詢手冊：第2版 [M].北京：清華大學出版社，2016.

[3] 杜清府，劉海.檢測原理與傳感器技術 [M].濟南：山東大學出版社，2008.

[4] 劉迎春，葉相濱.傳感器原理、設計與應用：第5版 [M].北京：國防工業(yè)出版社，2015.

[5] 蔡杏山.C51單片機C語言編程從入門到精通 [M].北京：化學工業(yè)出版社，2020.

作者簡介：穆曉東（1967—），女，漢族，北京人，高級實驗師，本科，研究方向：物理量測量。

收稿日期：2023-01-06