有線性刻度的分光計

張巖+苗松娟

摘 要：傳統分光計的主刻度具有周期性，所以利用其測量角度時，在某些情況下需要對原始數據進行修正。為解決這一問題，國家發明專利GVZ-4ZL201710343376.6設計了一套修正裝置，將傳統分光計的周期性刻度轉化成了線性刻度。改進后的分光計保留了傳統分光計的機械機構，在實現較高穩定性和測量精度的基礎上，確保在任何情況下進行測量，都無需對原始數據進行修正，很好地培養了學生的動手能力、實驗素養和創新能力。

關鍵詞：分光計；周期性刻度；線性刻度

中圖分類號：O436.1 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）33-0018-02

Abstract： The main scale of the traditional spectrometer is periodic. Under certain circumstances， it results in correcting raw data measured by the traditional spectrometer. To avoid this kind of situations， the traditional spectrometer is improved. The improvement has been granted with a national invention patent. The scale of the improved spectrometer is linear. It has an advantage on avoiding correcting raw data over the traditional Spectrometer. Over the digital Spectrometer， it has advantages on higher precision， training the student's practical ability and experimental qualities.

Keywords： spectrometer； periodic scale； linear scale

引言

分光計是精確測量角度的光學儀器，在光學類實驗中具有重要作用。由于分光計的主刻度具有周期性，所以利用分光計測量，當主刻度盤的零刻度與角游標的零刻度交會時，所得數據需要修正[1-2]。為避免對原始數據的修正，只有將周期性的刻度轉換為線性刻度。國家發明專利（張巖 GVZ-4ZL201710343376.6）[3]設計了一套由光發生器、光接收器、控制器和顯示器組成的修正裝置。利用該修正裝置，可以將傳統分光計的周期性刻度轉換為線性刻度，從而解決了利用傳統分光計測量時原始數據需要修正的問題。

1 傳統型分光計的周期性刻度及其弊端

傳統分光計的讀數系統包括主角刻度和角游標，如圖1所示。外側白色大圓環的內圓周邊上有主角刻度，角度值范圍為0°～360°。內側黑色圓盤的外圓周邊緣有兩個角游標，角游標的角度值范圍均為1′～30′，兩個角游標的相同刻度值間的角距離為 180°。角游標和主角刻度構成讀數窗口，從圖2可知，主角刻度的0°和360°重合，主角刻度具有周期性。

由于傳統分光計的主角刻度具有周期性，這就導致在某些情況下測量角度時，需要對原始數據進行修正。以測量圖3中角A的大小為例，在測得邊1和邊2過程中，如果角游標的0刻度與主角刻度的0刻度發生交會，需要對原始數據進行修正。國家發明專利GVZ-4ZL201710343376.6設計了一套修正裝置，可將傳統分光計的周期性刻度轉化成線性刻度，避免對原始數據修正的問題。

2 對傳統分光計的改進

該修正裝置包括光發射器1和2、第一光接收器3和第二光接收器4、控制器和顯示器共六部分，圖4為其安裝示意圖。光發射器固定裝配在角游標下方，對應角游標的零刻度位置。第一光接收器和第二光接收器分別固定裝配在主角刻度下方，對應主角刻度的零刻度位置兩側。第一光接收器和第二光接收器電連接控制器和顯示器。

在測量過程中，當轉動望遠鏡使主角刻度的0刻度與角游標的0刻度交會時，首先，第一光接收器（或第二光接收器）接收光發射器發出的光信號后，發出一脈沖信號輸送到控制器；然后第二光接收器（或第一光接收器）接收光發射器發出的光信號后，發出另一脈沖信號輸送到控制器；控制器根據接收到的兩個脈沖信號的先后順序，給顯示器發送修正指令，并將修正方式加360°（或減360°）顯示在顯示器上，如圖5所示。

3 修正后分光計的線性刻度

利用修正裝置對傳統分光計進行修正后，其周期性刻度就轉化成為線性刻度。利用改進后的分光計進行測量時，主角刻度的刻度值分為三類情況：

（1）首次測量時，主角刻度的刻度值不變，其角度值范圍仍為0°～360°，如圖3所示。

（2）如在測量過程中，望遠鏡順時針轉動（圖5上所示）使主角刻度的0刻度與角游標的0刻度交會，顯示器上顯示“+360”。則意味著在記錄原始數據時，所用的主角刻度的0°變為360°，其后的10°、20°、30°等均增加360°，變為370°、380°、390°等。

（3）經（2）修正后的主角刻度與（1）中的主角刻度構成一個完整的線性刻度。

（4）如在測量過程中，望遠鏡逆時針轉動（圖5下所示）使主角刻度的0刻度與角游標的0刻度交會，顯示器上顯示“-360”。此時，意味著在記錄原始數據時，主角刻度的0°不變，其后的350°、340°、330°等均減小360°，變為-10°、-20°、-30°等。

（5）經（4）修正后的主角刻度與（1）中的主角刻度構成一個完整的線性刻度。

修正后的分光計具有線性刻度，利用其對角度或角位移進行測量時，無需對原始數據修正即可求得正確結果。直接從原始數據求得正確測量結果進而探究其蘊含的物理規律，符合物理實驗的探究規律，便于培養學生的創新能力。改進后的分光計保留著傳統分光計的機械結構，具有較高的測量精度，卻無需對原始數據進行修正，同時培養了學生的動手能力和實驗素養。

參考文獻：

[1]熊澤本.分光計讀數的修正[J].宜賓學院學報，2010，10（6）：48-49.

[2]王素紅，張勝海，王榮.大學物理實驗[M].北京：高等教育出版社，2000.

[3]范淑媛，熊永紅，李紀文.光電編碼器在分光計中的應用[J].物理實驗，2011，31（6）：33-35.

[4]陳劍波，王姝.角度傳感器在分光計實驗中的應用[J].物理實驗，2008，28（5）：5-8.

[5]張巖，張勝海，王素紅，等.一種分光計：中國，ZL201710343376.6[P].2017-05-16.endprint