邁克爾遜干涉自動測量儀的設計與制作

劉芬芬，王　杰

(海軍航空工程學院 基礎實驗部，山東 煙臺 264001)

邁克爾遜干涉自動測量儀的設計與制作

劉芬芬，王杰

(海軍航空工程學院 基礎實驗部，山東 煙臺 264001)

摘要：利用光敏電阻，以單片機89C52為核心，設計了一種邁克爾遜干涉條紋自動測量儀，介紹了該測量儀各部分的構成、電路和軟件設計，并分析了各種干擾及其排除方法。實驗結果表明，該儀器顯著改善了人工計數引起的問題，降低了測量誤差，提高了實驗結果的準確性，并縮短了實驗時間，提高了實驗效率。

關鍵詞：計數器；邁克爾遜干涉儀；光敏電阻；單片機

光干涉測量技術在工程測量中有著廣泛的應用，以邁克爾遜干涉儀為核心的器件在測量微小距離方面具有重要的作用。在測量過程中，需要對干涉條紋的變化數進行記錄，傳統的計數方法為人工計數，通常計數量較大，容易造成眼睛疲勞并引起較大的誤差。為了實現計數自動化， 設計制作了利用光敏電阻接收信號，單片機處理轉換信號的自動測量儀。該裝置不僅能實現自動化計數，而且能智能化計算待測光的波長。實驗結果顯示，該裝置改善了人工計數引起的一些問題，降低了測量產生的誤差，提高了實驗結果的精確度。

1邁克爾遜干涉實驗

1.1實驗原理

邁克爾遜干涉實驗是一個經典的物理實驗，是大學物理實驗必修的一個實驗項目[1]。邁克爾遜干涉儀可以觀察和分析各種干涉現象，并能精確測量微小長度的變化，這種干涉儀在現代計量技術中也有著廣泛的應用。邁克爾遜干涉實驗利用一個分束板很好地解決了相干光的問題，光路如圖1所示。

圖1　邁克爾遜干涉實驗原理圖

從光源S發射的光，到達鍍有半反射膜的分光板G1上，分為2束光，一束為反射光，反射后向著反射鏡M1前進，一束為透射光，向著反射鏡M2前進，這2束光分別在反射鏡M1和M2反射后逆著各自的方向返回，最后到達E處。因為這2束光來自同一個光源，所以是相關光，在位置E處，觀察者能看到干涉圖樣。

在大學物理實驗中，調節M1與M2嚴格互相垂直時就能看到激光的等傾干涉圓環，調節動鏡M2的位置，記錄其移動距離Δd，同時要求學生讀取條紋的變化數N，根據公式Δd=N(λ/2)，就可計算波長λ。由于邁克爾遜干涉實驗儀測量的Δd可以精確到10-5mm，所以該實驗儀是非常精密的光學儀器。

1.2實驗存在的問題

在實驗過程中，學生讀取條紋的變化數N時，通常要求學生讀取N=100條條紋變化。在此過程中，人眼需要一直盯著毛玻璃屏，實驗者需要長時間、高度集中精力，常常會因為視力疲勞造成計數錯誤而引起較大的誤差[2]。基于此原因，為了提高測量精度，實現測量的自動化，設計了一個邁克爾遜干涉條紋自動測量儀。

目前，有一些設計計數器的資料[3-5]，但是經過試驗后發現這些資料都是理論上的，實際不可行，或者只有在很理想的條件下才能計數，而且誤差較大。筆者用光敏電阻捕捉光信號，經A/D轉換后由單片機實現計數和計算功能。自動測量儀經過調試實現了在多種條件下完成條紋計數的功能以及波長計算的功能，而且效果較好、誤差較小。該測量儀可以代替人眼進行讀數，解決了實驗人員在條紋計數時的困難，同時也減小了因為條紋計數引起的誤差，提高了實驗結果的準確性。

2設計原理和方法

2.1設計原理

該測量儀通過光敏電阻捕捉光信號，經過A/D轉換將模擬信號轉變為數字信號，再通過89C52單片機實現計數[6-8]。光敏電阻捕捉到強光信號時經A/D轉換變為一個高電壓信號，捕捉到暗光信號時經A/D轉換變為一個低電壓信號，89C52單片機通過高低信號的電壓差完成計數。實驗設計框圖如圖2所示，開始時預先設置記錄的條紋數N，然后轉動邁克爾遜干涉儀的螺旋測微器，移動動鏡M2的位置，記錄N個條紋變化后，停止轉動螺旋測微器，讀取螺旋測微器的變化量Δd。把Δd值輸入到測量儀中，測量儀自動計算并顯示所使用光的波長。

圖2　實驗設計框圖

2.2制作方法

首先了解單片機各引腳的功能，完成光敏電阻及其他元器件到單片機上的連接，然后進行編程，將程序導入單片機并調試，在反復調試程序、完成測試后，完成裝盒。實驗設計時電路圖如圖3所示。通過調節89C52單片機程序和改進控制電路[9-10]，較好地解決了環境光對干涉條紋的影響和光敏電阻接收到的信號較弱的問題。

圖3　電路圖

該測量儀的核心在于用單片機實現信號的處理，處理速度快而且準確。讓光敏電阻捕捉光信號，經A/D轉換器轉換后由單片機實現計數功能，光敏電阻對光的感知能力很強，明暗條紋經A/D轉換后形成電勢差，通過單片機的編程控制實現計數，還可以改編程序控制靈敏度。該測量儀較為小巧，為邁克爾遜干涉儀測量激光波長實驗提供了很大方便，減少了人員讀數的疲勞和誤差，還可進行最后的波長計算，一步到位。

3結果及討論

邁克爾遜干涉自動測量儀實物如圖4所示，左邊為光敏電阻，右邊為數據顯示屏和數據輸入鍵盤。使用時首先用光屏觀察和調節出清晰穩定的干涉條紋，使用時將光敏電阻置于干涉條紋的中心位置，該自動測量儀可實現清零、校準和復位功能，顯示屏顯示的最大計數值為9 999。該測量儀還可以實現波長自動計算功能，條紋測量完畢后，輸入動鏡移動距離Δd，顯示屏直接顯示待測光波長λ的計算數值。利用激光作為光源，該計數器測量100條條紋變化時的數據和計算的誤差[11]見表1。

圖4　實驗儀器圖

次數Δd/mmλ/nm誤差/%10.03170634.00.1920.03160632.00.1330.03164632.80.0040.03165633.00.0350.03159631.80.16

經過多次實驗測試，在黑暗環境、打開燈光的環境和有日光照射的情況下，該測量儀都能準確地記錄條紋變化數，且誤差率較小，并能自動計算相應的波長值λ，波長的精度值為10-7m。該裝置利用了光敏電阻和單片機的功能，完成了信號的采集、處理和顯示，減少了眼睛觀察明暗條紋時的疲勞和激光對眼睛的傷害。該裝置能顯著提高實驗的精度,在實驗教學中應用效果非常好，縮短了實驗時間，大大提高了實驗教學效率。

4結語

邁克爾遜干涉自動測量儀利用了光敏電阻和89C52單片機，完成了信號的采集、處理和顯示，經過A/D轉換將模擬信號轉變為數字信號，可以精確檢測干涉條紋的變化數，并能精確計算待測光的波長值，提高了實驗效率和精度，減少了測量時間。

參考文獻

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責任編輯彭光宇

Design of Automatic Measuring Instrument for Michelson Interferometer

LIU Fenfen, WANG Jie

(Department of Basic Experiment, Naval Aeronautical and Astronautical University, Yantai 264001, China)

Abstract：Photosensitive resistance and 89C52 single chip are as the core to design a Michelson interference fringes automatic measuring instrument. The composition, electricity and software design are described. The interference and its recovery processing methods are analyzed. Based on the data of experiment, problems of manual count can be solved, measurement error can be reduced, experimental time can be shorten, and thus the accuracy of the experiment is improved.

Key words:counter，Michelson interferometer，photoconductive resistance，single chip

收稿日期：2015-03-26

作者簡介：劉芬芬(1983-)，女，工程師，碩士，主要從事高溫超導材料等方面的研究。

中圖分類號：TP 29

文獻標志碼:A