邁克耳孫干涉儀自動測量系統(tǒng)設(shè)計

石明吉，王 飛，王珍楨

(南陽理工學(xué)院 電子與電氣工程學(xué)院，河南 南陽 473004)

1883年，美國物理學(xué)家邁克耳孫與莫雷合作為測量“以太”漂移速度而發(fā)明了邁克耳孫干涉儀. 該儀器利用分振幅法產(chǎn)生雙光束以實現(xiàn)干涉，在現(xiàn)代物理和計量之中有著廣泛的應(yīng)用[1]. 利用邁克耳孫干涉儀測量激光波長是大學(xué)物理實驗的重要內(nèi)容[2]. 實驗中，為了計算動鏡的位移，需要在機(jī)體側(cè)面的毫米刻度尺、讀數(shù)窗口內(nèi)的刻度盤和微調(diào)手輪處讀數(shù)；為了獲得“吞吐”條紋的數(shù)目，需要學(xué)生長時間盯著觀測屏進(jìn)行人工計數(shù)[3]. 由于干涉圖案的亮度低，為看清條紋的吞吐情況，實驗需要在黑暗環(huán)境下進(jìn)行以降低背景光的影響；但是，為了獲取動鏡的位移數(shù)據(jù)，讀數(shù)時又需要照明，學(xué)生常用手機(jī)照明. 這2個需求相互矛盾，不僅導(dǎo)致實驗過程繁瑣，而且不同實驗臺之間會相互影響. 此外，人工計數(shù)需要長時間用眼很容易導(dǎo)致視覺疲勞，從而導(dǎo)致計數(shù)錯誤[4-6].

針對上述情況，人們做了大量的努力和嘗試[7-11]. 基于芯片設(shè)計的計數(shù)器精度高、效率高、操作簡便、成本低，但是靈活性差，硬件調(diào)試麻煩，不易更改，出現(xiàn)問題后不易解決. 基于虛擬儀器與計算機(jī)采集處理相結(jié)合的計數(shù)器，數(shù)據(jù)處理靈活，但精度一般，且需要配置計算機(jī)，成本高[12]. 針對上述情況，本文著重探討用單片機(jī)來設(shè)計一款簡單方便、精確度高、實用性強(qiáng)的新型邁克耳孫干涉儀自動測量系統(tǒng)，同時實現(xiàn)條紋的自動計數(shù)和動鏡位移的自動測量.

1 整體設(shè)計

整體實驗裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示，用彈簧聯(lián)軸器和變徑將直流減速電機(jī)的轉(zhuǎn)軸和100線碼盤連接在邁克耳孫干涉儀(WSM-100型)的微調(diào)手輪的軸上，利用直流減速電機(jī)帶動微調(diào)手輪和碼盤轉(zhuǎn)動，利用紅外對射計數(shù)傳感器模塊將微調(diào)手輪轉(zhuǎn)動的角位移轉(zhuǎn)換為位移計數(shù)脈沖發(fā)給單片機(jī)1，單片機(jī)1對位移計數(shù)脈沖進(jìn)行計數(shù)并通過數(shù)碼管1進(jìn)行顯示；利用光敏電阻模塊將探測點光強(qiáng)的周期性變化轉(zhuǎn)化為條紋計數(shù)脈沖發(fā)給單片機(jī)2，單片機(jī)2對條紋計數(shù)脈沖進(jìn)行計數(shù)并通過數(shù)碼管2進(jìn)行顯示. 實驗前要根據(jù)周圍環(huán)境的亮度調(diào)整光敏電阻模塊的電壓閾值，保證信號轉(zhuǎn)換的有效性. 實驗中，直流減速電機(jī)由直流電源直接供電，通過換向開關(guān)可以改變電機(jī)的轉(zhuǎn)動方向.

圖1 實驗裝置結(jié)構(gòu)圖

2 軟件設(shè)計

紅外對射計數(shù)傳感器模塊的輸出特性是有遮擋時輸出高電平，無遮擋時輸出低電平. 因此，碼盤每轉(zhuǎn)過1線輸出1組高低電平；碼盤轉(zhuǎn)1圈的過程中，紅外對管被遮擋100次，輸出100個脈沖，單片機(jī)1接收端每遇到1個高電平時計數(shù)加1，遇到低電平不計數(shù). 光敏電阻模塊的輸出特性是當(dāng)待測光強(qiáng)低于設(shè)定值時輸出高電平，當(dāng)待測光強(qiáng)高于設(shè)定值時輸出低電平. 因此，每有1個暗條紋經(jīng)過光敏電阻，光敏電阻模塊輸出1個高電平，單片機(jī)2接收端每遇到1個高電平時計數(shù)加1，遇到低電平不計數(shù). 單片機(jī)1和單片機(jī)2的計數(shù)程序流程如圖2所示.

圖2 計數(shù)程序流程圖

3 實驗內(nèi)容與數(shù)據(jù)分析

3.1 儀器組裝與調(diào)節(jié)

采用He-Ne激光器作為待測光源，激光波長為632.8 nm. 適當(dāng)調(diào)節(jié)邁克耳孫干涉儀及光路，在光敏電阻模塊處形成明暗相間的同心圓干涉條紋，條紋寬度要大于光敏電阻受光面的寬度. 按照圖1組裝實驗裝置，利用彈簧聯(lián)軸器和變徑將微調(diào)手輪的軸、碼盤和直流減速電機(jī)的軸連接到一起；將紅外對射計數(shù)傳感器模塊固定在合適的位置，保證碼盤轉(zhuǎn)動時可以產(chǎn)生位移計數(shù)脈沖；將光敏電阻模塊放置到合適的位置，根據(jù)環(huán)境光強(qiáng)調(diào)節(jié)閾值電壓，保證條紋吞吐時可以產(chǎn)生條紋計數(shù)脈沖；啟動直流減速電機(jī)帶動微調(diào)手輪轉(zhuǎn)動，消除機(jī)械系統(tǒng)空程. 按下復(fù)位鍵使數(shù)碼管1和數(shù)碼管2的顯示置零；當(dāng)直流減速電機(jī)正常轉(zhuǎn)動且干涉條紋勻速吞吐時，按下復(fù)位鍵使數(shù)碼管1和數(shù)碼管2開始計數(shù)；當(dāng)換向開關(guān)打到斷開位置時，2個單片機(jī)同時停止計數(shù)，數(shù)碼管1和數(shù)碼管2分別顯示位移計數(shù)和條紋計數(shù)的結(jié)果. 實驗中要避免環(huán)境光強(qiáng)的變化和震動的干擾.

3.2 實驗數(shù)據(jù)分析

干涉圓環(huán)“涌出”不同環(huán)數(shù)時的測量數(shù)據(jù)如表1所示. 由于邁克耳孫干涉儀的微調(diào)手輪每轉(zhuǎn)1周動鏡移動的距離是0.01 mm，碼盤的分辨率是每圈100脈沖，每個位移脈沖對應(yīng)的動鏡移動距離為Δl=0.000 1 mm，如果碼盤產(chǎn)生M個位移計數(shù)脈沖，動鏡移動的距離為

Δd=MΔl.

(1)

根據(jù)邁克耳孫干涉儀的原理，波長與動鏡位移的關(guān)系為[13]

(2)

由式(1)和式(2)可以得到

(3)

表1 不同測量環(huán)數(shù)的測量值

由于條紋計數(shù)脈沖的周期比位移計數(shù)脈沖的周期要長好多，因此，同一個條紋數(shù)會有不同的位移脈沖數(shù)與之對應(yīng)，因此，N與M不是簡單的正比關(guān)系，而是線性關(guān)系，所以，不能單獨利用某組(N，M)計算出波長的準(zhǔn)確值. 式(3)可以寫成

Nλ=2ΔlM,

(4)

由于波長λ和Δl是常量，式(4)兩邊同時微分，得

dNλ=2ΔldM,

(5)

整理得

(6)

圖3 位移計數(shù)隨條紋計數(shù)的變化

學(xué)生Δd/mmλ/nmEr10.015 39644.61.9%20.014 20655.63.6%30.016 36654.53.4%40.016 42653.73.3%50.016 40656.43.7%60.015 23651.83.0%70.014 20655.63.6%80.015 39644.61.9%90.012 36647.52.3%100.016 36654.53.4%

4 結(jié)束語

開發(fā)了基于單片機(jī)的邁克耳孫干涉儀自動測量系統(tǒng)，采用光敏電阻模塊檢測探測點光強(qiáng)的變化以獲取吞吐條紋數(shù)目的信息，采用直流減速電機(jī)來帶動邁克耳孫干涉儀微調(diào)手輪的轉(zhuǎn)動，并采用碼盤和紅外對射計數(shù)傳感器模塊來檢測動鏡的位移，利用單片機(jī)計數(shù)，很好地實現(xiàn)了邁克耳孫干涉儀的自動化測量. 該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、性能穩(wěn)定，應(yīng)用到邁克耳孫干涉實驗中可以有效地減小計數(shù)誤差，有助于保護(hù)學(xué)生的視力，較好地滿足了實驗要求.