基于Arduino單片機的邁克爾遜干涉儀測量改進

楊振乾, 張旭東, 王子城, 高文莉, 周惠君, 周 進

(南京大學 物理學院，江蘇 南京 210093)

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基于Arduino單片機的邁克爾遜干涉儀測量改進

楊振乾, 張旭東, 王子城, 高文莉, 周惠君, 周 進

(南京大學 物理學院，江蘇 南京 210093)

基于Arduino單片機實現邁克爾遜干涉儀自動測量，采用Arduino單片機控制整個設備，通過光敏模塊讀取數據并將數據反饋單片機進行處理。考慮到微小震動對邁克爾遜干涉儀會產生巨大的影響，采用一種識別光信號穩(wěn)態(tài)的智能程序，消除了信號中本底數據的振蕩。以測量He-Ne激光波長為例，直觀揭示該方案不僅實現了實驗的自動化，使實驗精度得到大幅提高，而且具有較好的移植性和可開發(fā)性。

Arduino單片機; 邁克爾遜干涉儀; 自動化

0 引 言

1880年，Michelson為測量“以太”漂移速度而發(fā)明邁克爾遜干涉儀[1]。由于該儀器的精密光學特點，迅速被應用于近代光學的研究工作中，成為測量微小光程差[2]的重要儀器。在大學物理實驗中，邁克爾遜干涉儀廣泛應用于測量光波波長、金屬彈性模量[3]、折射率[4]、溫度場分布[5]等實驗中，由于強調實驗教學的動手性，一般都利用人工調節(jié)和測量。然而，邁克爾遜干涉儀要求高,操作難度較大，會產生一些較難避免的人為誤差[6-8]。為了提高邁克爾遜干涉儀的精度和效率，把自動化控制引入邁克爾遜干涉儀，并在此過程中對一些實驗難以避免的誤差加以消除或修正，本文在此方面進行了探索。

1 裝置基本構造

裝置由邁克爾遜干涉儀；動鏡移動的自動化控制；干涉條紋的自動化記錄和處理組成,如圖1所示。

邁克爾遜干涉儀測量He-Ne激光波長的實驗中，波長和邁克爾遜干涉儀動鏡移動距離Δd的關系為通過測量得到條紋數和相應的動鏡移動距離就能得到波長。

圖1 實驗裝置

2Δd=λΔk

Arduino單片機[9-10]有較大的靈活性，常應用于大量控制設計[11-14]。本實驗中電路如圖2所示，通過Arduino單片機控制電動機移動轉輪，編碼器記錄電機轉動的角度，用光敏電阻接受中心條紋亮暗變化，單片機記錄光敏電阻亮暗變化的次數，當達到某一設定次數時(如設定讀取N條條紋)停止電機轉動，編碼器記錄的電機轉過的總角度換算出Δd，從而得到波長。

圖2 整體電路連接

用于測量光強的光敏電阻實際測量的響應曲線如圖3所示。由圖3可見，實驗要求控制亮紋的光度值大于100 lx，而暗紋處應該盡量保證環(huán)境雜光不被光敏模塊接收到。

儀器自動控制的設備中電機采用雙軸直流減速電機(6 V,3 r/min)，用L298芯片連接電動機，控制電機的運行。選用此類型電機的考慮有如下幾點：①直流減速電機有較大的減速比，使得電機能夠以較慢速度轉動，從而保證光電模塊擁有足夠的響應時間;②電機有足夠大的扭矩，使得電機能夠帶動傳動裝置;③選用雙軸電機是考慮到電機一方面需要帶動傳動裝置，另一方面需要帶動旋轉AB相編碼器輸出旋轉角度。

圖3 光敏電阻光電特性曲線

2 識別光信號穩(wěn)態(tài)的智能程序消除儀器震動影響

邁克爾遜干涉儀是十分精密的儀器，稍稍振動就會引起條紋的變化或模糊，裝置的震動主要來源于直流電機本身與環(huán)境的干擾。

實驗中肉眼觀察干涉條紋只出現二三次時，儀器輸出的條紋數就已經超過50條。用示波器讀取光敏模塊輸出的電信號。從圖4可以看出,在亮暗交替時，信號不僅隨光強變化，還有環(huán)境振動引起的躍變，并疊加瞬間的強弱變化，此為電機產生的影響。

圖4 亮暗紋未交替時環(huán)境振動帶來的信號改變

在硬件上，即使設備間連接避震較好，但仍無法消除這些抖動，該抖動肉眼無法辨識，但是靈敏的光電模塊能夠輕易地讀取。

為模擬實驗中的情況，建立如下模型。假定輸出一個正弦的光強信號，由于環(huán)境振動，在原有信號強度的基礎上添加高頻小振幅的振動。考慮到實際操作中會出現額外較大的瞬時振動，因此在原光信號的基礎上隨機添加一個較大的信號脈沖，見圖5。而相應的光電信號取光強為峰值一半時發(fā)生數字信號的0～1變化，因此由圖5可以獲得相應的電信號變化，見圖6。 一般的消抖處理是給程序添加基于時間延遲的消抖語句，但是若時間延遲，則單片機在延遲時間內完全不會工作，會對編碼器的計數產生巨大影響，不適用于本實驗儀器。

圖5 光變情況模擬

圖6 光電信號模擬

從圖4～6可以看出，光電信號這種異常抖動持續(xù)時間都非常短，而且非常不穩(wěn)定。計數過程會把所有突變態(tài)加以識別，因此，程序改進上應該著重將程序調整為識別穩(wěn)態(tài)加以計數，從而消除抖動。

具體改進思想是：對于亮信號(“1”)和暗信號(“0”)，單片機每單位時間內會記錄當前信號值。將原有信號值置為當前狀態(tài)(變量state)。當信號值改變時，并不累加亮暗信號改變次數，而是當與當前狀態(tài)不同的信號被連續(xù)記錄300次時，才累加亮暗改變次數，并改變當前信號在單片機內的記錄。若中斷不連續(xù)或未達300次，則視為抖動不累加，并且不改變當前信號在單片機的記錄值。

具體程序算法框圖見圖7，其中以signal代表輸入信號變量，state代表當前狀態(tài)變量，兩者都為布爾型變量;count為累加亮暗改變次數的變量，而i代表用于檢驗是否記錄300次的變量。

圖7 識別穩(wěn)態(tài)計數程序

3 測量精度提高和討論

邁克爾遜干涉儀大小兩個轉輪和游標供調節(jié)，最小分度僅σ=10-7m，加上機械本來帶來的誤差，實際測量中往往有較大測量誤差，對于632.8 nm的激光，測量值可能落在595～670 nm，測量并不十分精確。因此，為提高讀數精度，采用將1周長分為600份的編碼器，與電動機軸連，最小分度降低6倍，因而讀數誤差顯著降低。

實際測量中應考慮轉輪回程差，當內置程序設計在條紋不變時，保持電機轉動，但不進行角度計數。條紋一旦變動，以此為初始點開始進行條紋及角度計數。

實驗測量500條和100條為例，結果見表1。所用激光標準波長為632.8 nm。

表1 實驗測量結果

從實驗精度來看，相對誤差已經比改造前的實驗誤差小得多。當條數達到500條后，相對誤差低于1%。在條紋形狀發(fā)生畸變的情況下[15]，依然可以以很高的精度獲得測量結果。同時，可以有效避免操作失誤造成的結果誤差[16]。

4 結 語

本實驗以邁克爾遜干涉儀測量He-Ne激光波長為案例，改進邁克爾遜干涉儀的測量，并且在該案例中總結該改進方案具有較好的移植性和可開發(fā)性。本文所述的方案適用于精巧的儀器設備，采用Arduino單片機控制整個儀器，將控制程序寫進單片機，以光敏電阻為主要設備的光敏模塊來讀取光變情況，采用直流減速動機來帶動邁克爾遜干涉儀轉輪的轉動，并采用編碼器讀數能夠很好地實現自動化過程。來自桌面等物體的振動，通過防震臺和聯軸器的彈性連接加以減輕，對于電動機轉動轉輪產生的細微振動，通過編程校準連續(xù)穩(wěn)定的光強以消除振動影響。

對于需要測量大量光變特別是通過測量干涉條紋來獲得其他結果的實驗，本實驗的方案具有很強的移植性。同時，若改變光電模塊，改用其他壓電、溫度等相關的傳感器，實驗設備的可開發(fā)程度很高。

[1] Michelson A A. The relative motion of the Earth and of the luminiferous ether[J]. American Journal of Science, 1881(128): 120-129.

[2] 周 思, 陳迅馳, 周惠君, 等. 干涉法測量鋁薄膜的軸向應力[J]. 物理實驗, 2008, 28(9): 5-8.

[3] 漆建軍, 馬文華, 肖 化. 基于線陣 CCD 的邁克爾遜干涉儀測量金屬絲的彈性模量[J]. 實驗室研究與探索, 2010, 29(1): 19-22.

[4] 柯金瑞. 利用邁克爾孫干涉儀測定液體折射率[J]. 物理實驗, 2000, 20(2): 10-11.

[5] 溫學達, 劉 釗, 周惠君, 等. 利用邁克耳孫干涉儀重建蠟燭火焰溫度場[J]. 物理實驗, 2007, 27(6): 44-47.

[6] 郭長立. 邁克爾遜干涉儀影響因素的測量不確定度分析[J]. 實驗室研究與探索, 2010, 29(7): 38-40.

[7] 董愛國, 高 華, 王亞芳, 等. 提高邁克爾孫干涉儀實驗精度方法研究[J]. 物理與工程, 2012, 22(4): 18-20.

[8] 王道光, 齊景山, 劉淑娥, 等. 邁克爾遜干涉儀實驗相對誤差的探索[J]. 實驗室研究與探索, 2013, 32(6): 251-253.

[9] Monk S. Arduino編程從零開始[M]. 劉椮楠譯. 北京: 科學出版社, 2013: 2-3.

[10] 蔡睿妍. Arduino的原理及應用[J]. 電子設計工程, 2012, 20(16): 155-157.

[11] 曹光遠, 黃允千. 單片機在保管箱控制上的設計應用[J]. 實驗室研究與探索, 2006, 25(5): 616-618.

[12] 劉澤良, 胡日新. 物聯網技術下基于Arduino的智能公交系統模型設計[J]. 實驗技術與管理, 2014, 31(11): 140-143.

[13] 鄭 昊, 鐘志峰, 郭 昊, 等. 基于Arduino/Android的藍牙通信系統設計[J]. 物聯網技術, 2012, 2(5): 50-51.

[14] 紀欣然. 基于Arduino開發(fā)環(huán)境的智能尋光小車設計[J]. 現代電子技術, 2012, 35(15): 161-163.

[15] 李巧文, 徐來定. 邁克爾遜干涉儀異常現象的分析與處理[J]. 實驗室研究與探索, 2000, 19(6): 58-59.

[16] 石朝陽, 鄧燕輝. 邁克爾孫干涉儀讀數系統的改進[J]. 物理與工程, 2008, 18(4): 37-38.

An Improved Measuring Method for Michelson Interferometer Based on Arduino Singlechip

YANGZhen-qian,ZHANGXu-dong,WANGZi-cheng,GAOWen-li,ZHOUHui-jun,ZHOUJin

(Department of Physics, Nanjing University, Nanjing 210093, China)

Michelson interferometer is a precise instrument which focuses on fine distance measurement. Recently, improving its accuracy and automation is of great significance. The project, automatic measurement applying on Michelson interferometer based on Arduino singlechip, can solve this problem. In this project, Arduino singlechip controls the whole equipment. The device reads data using photosensitive module, and sends the data back to the singlechip. Considering the great affect from the tiny vibration of the whole equipment, we design an intelligent program which can identify the steady state of optical signal. Besides automatic and a substantial increasing of experimental accuracy, the project offers portability and exploitability.

Arduino singlechip; Michelson interferometer; automatic operation

2015-03-23

楊振乾(1993-),男，山東聊城人，本科生。

Tel.:15950579768;E-mail:yangzhenqian93@163.com

高文莉(1968-),女，江蘇連云港人，碩士，講師，主要從事凝聚態(tài)物理研究。Tel.：18951991215；E-mail: wlgao025@163.com

O 4-33

A

1006-7167(2016)01-0050-04