邁克耳遜干涉條紋計數器的研制

呂玉祥，段曉麗

(太原理工大學 理學院，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，旋轉邁克爾遜干涉儀上的細調手輪，干涉條紋便一個一個地涌出或陷入，記錄涌出或陷入N個干涉條紋時轉盤所移動距離Δd，根據公式

即可計算出光波波長。實驗要求連續測量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的計數裝置[3]，操作人員做實驗時要求在光線較暗的環境中進行，調節細調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，記錄移動的條紋數超過300個，眼睛容易疲勞，導致工作效率低，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儀，減少了操作人員的工作量，提高了工作效率。

1 系統硬件設計

根據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]轉換為電信號，然后對電信號進行調理放大，經模數轉換后最終轉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就是對明暗條紋的計數，其系統原理如圖1所示。

1.1 光電轉換處理系統

光電轉換處理系統由光傳感器、信號調理放大構成，最終將光信號變為單片機可以識別的高低電平信號。

圖1 系統原理

1.1.1 光接收部分

激光器發出的激光功率約為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。本系統所使用的傳感器受光面積為0.6 mm×0.6 mm，內部有1個光電二極管陣列，該光電二極管陣列具有精確、線性和可重復的電流轉換功能，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 信號調理放大

本系統所用的放大器采用了直流模擬調制技術，避免了大多數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，利用電位器即可調節放大增益。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則，所以用NE555集成芯片，組成施密特觸發器[10]，對波形進行變換和整形，其中在施密特觸發器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加到施密特觸發器的輸入端，波形上升時輸出u2，在VT+處翻轉，在波形下降時輸出u2在VT-處翻轉，輸入信號變為規則的矩形脈沖，如圖3(c)所示。

經過放大整形的高低電平的電壓差比較大，在計數時，軟件可以靈活設置參考電壓Vref。

圖3 信號調理放大

1.2 A/D轉換及計數顯示

信號轉換為規則的矩形脈沖后，經過A/D轉換為數字信號，送入CPU，最終顯示計數值。

A/D轉換采用TLC542，該芯片是8位開關電容逐次逼近模擬數字轉換器，采用CMOS工藝，允許高速數據傳輸，每秒采樣達40 000次，內部有檢測功能，在轉換結束時，EOC引腳輸出高電平以示轉換結束。

計數值用CH451驅動的數碼管顯示。CH451是一個整合了數碼管顯示驅動和鍵盤掃描控制以及μP監控的多功能外圍芯片。CH451內置RC振蕩電路，提供上電復位和看門狗等監控功能，可以動態驅動8位數碼管或者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 系統軟件設計

程序流程如圖4所示，電路接通電源后，對CH451、TLC542初始化，條紋計數變量Count自動清零，設定參考電壓(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，繼續采集;若滿足條件，說明低電平跳變到高電平，出現一個上升沿，即有一個暗條紋涌出或陷入，計數器加1，當計數到50時，發出提示音提示操作人員停止旋轉細調手輪，記錄轉盤所移動的距離。

圖4 流程圖

3 實驗數據

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

表1 實驗數據

4 結束語

文中設計了基于單片機的邁克耳遜干涉條紋計數器。實驗表明，該計數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。該計數器具有工作性能穩定、抗干擾能力強、操作簡便、能較好地消除背景光的影響等優點。

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