基于單片機的邁氏干涉儀自動測量系統改進

仇冀宏等

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

關鍵詞：邁克爾遜干涉儀 光電轉換 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果，需觀測較大的條紋數N。在這個過程中，人工測量難免會產生疲勞，出現計數多數或漏數的情況，并且長時間的直視光源會對人眼造成不良的影響[1]。同時，手動轉動手輪速度不均，轉的過快或有所抖動都會引起測量的不準確。

在本實驗中，為了便于實際的調試和測量，我們采用激光光源，用步進電機驅動手輪微調代替手動調節，步進電機旋轉一次手輪轉過的距離一定，其根據電機的步距角參數可得，用單片機控制步進電機轉動的次數，可得總共微調轉過的距離，即為光程差2?d。光屏上得到的明暗條紋，通過光電轉換電路轉換為脈沖信號，輸入到單片機進行計數，即條紋數為N。則波長可計算得：[2]。測量的各組數據及結果在顯示屏上顯示， 從而實現波長的自動測量[3-4]。

1 單片機及光電轉換電路的設計

1.1 單片機電路的分析

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

1.2 光電轉換電路的設計

光敏電阻的電路圖如圖3。轉動手輪時會在光屏上引起明暗條紋的變化，這種光變化經過光敏電阻轉換而成的是一種波浪形的震蕩的電信號如圖1。這里我們利用觸發器并為此調節設置了一個電壓閥值，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。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生一次計數。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作用。

根據圖像，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。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。我們利用一個可調電阻來調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 步進電機的連接設計

我們采用28BYJ-48 型步進電機帶動邁克爾干涉儀的微調旋鈕轉動，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動電機轉動，需要外接驅動芯片[3]。另外，驅動步進電機轉動的脈沖信號頻率越大，電機轉速越高，但頻率不能過大也不能過小，否則電機都不會轉動。在實驗中，我們編寫了程序，利用單片機的定時器中斷來驅動步進電機轉動，這樣便實現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節功能。

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速在該實驗中較小，這種緩慢的轉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。這樣便簡單的實現了用步進電機來控制鼓輪同步轉動。

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

3 在保證實驗穩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，這就導致實驗現象不能得到。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。調節擴束鏡的位置及放大倍數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實驗的自動計數。

3.2 噪聲的處理

在實驗中，毛刺現象的出現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噪音。毛刺使得計數的準確性和穩定性大大下降。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，但毛刺會影響計數，所以我們根據明暗條紋變化速度（實際上是步進電機轉速）做了一定的延時處理，通過不斷修改延時參數尋找最佳點，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象，大幅度減小了計數上產生的誤差。endprint

4 實驗數據及誤差分析

表1。

4.1 結果分析

根據誤差分析的原理，計算出手動測量和自動測量的兩個系統誤差值。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據，在實驗中，我們也測量了綠色激光。給出分析數據如下：

紅色激光的不確定度與相對不確定度：

由上述的結果可知，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，而且測量的次數越大所得到的波長值越接近于理論值。

5 設計應用及拓展

關于測量微小薄膜厚度的設想：

在工業生產中，薄膜的厚度是一個重要的參數，直接關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系便可求出其厚度。

這種方法在工業上具有廣泛的應用前景，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] 陳業仙，周黨培，關小泉.一種新型邁克爾干涉儀條紋計數器的設計[J].大學物理實驗，2009，22（3）：64-67.

[2] 肖蘇.大學物理實驗[M].安徽合肥：中國科學技術大學出版社，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].現代電子技術，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].實驗科學與技術，2010，8（1）：30-31.

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

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

[7] 王守權，張紹良，張薇.干涉條紋計數器的研制[J].長春郵電學院學報，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].吉林建筑工程學院學報，2003，20（4）：15-17.endprint

4 實驗數據及誤差分析

表1。

4.1 結果分析

根據誤差分析的原理，計算出手動測量和自動測量的兩個系統誤差值。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據，在實驗中，我們也測量了綠色激光。給出分析數據如下：

紅色激光的不確定度與相對不確定度：

由上述的結果可知，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，而且測量的次數越大所得到的波長值越接近于理論值。

5 設計應用及拓展

關于測量微小薄膜厚度的設想：

在工業生產中，薄膜的厚度是一個重要的參數，直接關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系便可求出其厚度。

這種方法在工業上具有廣泛的應用前景，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] 陳業仙，周黨培，關小泉.一種新型邁克爾干涉儀條紋計數器的設計[J].大學物理實驗，2009，22（3）：64-67.

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[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].現代電子技術，2011，34（11）：150-153.

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[7] 王守權，張紹良，張薇.干涉條紋計數器的研制[J].長春郵電學院學報，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].吉林建筑工程學院學報，2003，20（4）：15-17.endprint

4 實驗數據及誤差分析

表1。

4.1 結果分析

根據誤差分析的原理，計算出手動測量和自動測量的兩個系統誤差值。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據，在實驗中，我們也測量了綠色激光。給出分析數據如下：

紅色激光的不確定度與相對不確定度：

由上述的結果可知，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，而且測量的次數越大所得到的波長值越接近于理論值。

5 設計應用及拓展

關于測量微小薄膜厚度的設想：

在工業生產中，薄膜的厚度是一個重要的參數，直接關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系便可求出其厚度。

這種方法在工業上具有廣泛的應用前景，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

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[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].現代電子技術，2011，34（11）：150-153.

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[7] 王守權，張紹良，張薇.干涉條紋計數器的研制[J].長春郵電學院學報，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].吉林建筑工程學院學報，2003，20（4）：15-17.endprint