基于Arduino單片機(jī)的邁克爾遜干涉儀測(cè)量改進(jìn)

楊振乾, 張旭東, 王子城, 高文莉, 周惠君, 周 進(jìn)

(南京大學(xué) 物理學(xué)院，江蘇 南京 210093)

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基于Arduino單片機(jī)的邁克爾遜干涉儀測(cè)量改進(jìn)

楊振乾, 張旭東, 王子城, 高文莉, 周惠君, 周 進(jìn)

(南京大學(xué) 物理學(xué)院，江蘇 南京 210093)

基于Arduino單片機(jī)實(shí)現(xiàn)邁克爾遜干涉儀自動(dòng)測(cè)量，采用Arduino單片機(jī)控制整個(gè)設(shè)備，通過(guò)光敏模塊讀取數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)反饋單片機(jī)進(jìn)行處理。考慮到微小震動(dòng)對(duì)邁克爾遜干涉儀會(huì)產(chǎn)生巨大的影響，采用一種識(shí)別光信號(hào)穩(wěn)態(tài)的智能程序，消除了信號(hào)中本底數(shù)據(jù)的振蕩。以測(cè)量He-Ne激光波長(zhǎng)為例，直觀揭示該方案不僅實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)的自動(dòng)化，使實(shí)驗(yàn)精度得到大幅提高，而且具有較好的移植性和可開(kāi)發(fā)性。

Arduino單片機(jī); 邁克爾遜干涉儀; 自動(dòng)化

0 引 言

1880年，Michelson為測(cè)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(xué)特點(diǎn)，迅速被應(yīng)用于近代光學(xué)的研究工作中，成為測(cè)量微小光程差[2]的重要儀器。在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中，邁克爾遜干涉儀廣泛應(yīng)用于測(cè)量光波波長(zhǎng)、金屬?gòu)椥阅Ａ縖3]、折射率[4]、溫度場(chǎng)分布[5]等實(shí)驗(yàn)中，由于強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的動(dòng)手性，一般都利用人工調(diào)節(jié)和測(cè)量。然而，邁克爾遜干涉儀要求高,操作難度較大，會(huì)產(chǎn)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(dòng)化控制引入邁克爾遜干涉儀，并在此過(guò)程中對(duì)一些實(shí)驗(yàn)難以避免的誤差加以消除或修正，本文在此方面進(jìn)行了探索。

1 裝置基本構(gòu)造

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

邁克爾遜干涉儀測(cè)量He-Ne激光波長(zhǎng)的實(shí)驗(yàn)中，波長(zhǎng)和邁克爾遜干涉儀動(dòng)鏡移動(dòng)距離Δd的關(guān)系為通過(guò)測(cè)量得到條紋數(shù)和相應(yīng)的動(dòng)鏡移動(dòng)距離就能得到波長(zhǎng)。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置

2Δd=λΔk

Arduino單片機(jī)[9-10]有較大的靈活性，常應(yīng)用于大量控制設(shè)計(jì)[11-14]。本實(shí)驗(yàn)中電路如圖2所示，通過(guò)Arduino單片機(jī)控制電動(dòng)機(jī)移動(dòng)轉(zhuǎn)輪，編碼器記錄電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，用光敏電阻接受中心條紋亮暗變化，單片機(jī)記錄光敏電阻亮暗變化的次數(shù)，當(dāng)達(dá)到某一設(shè)定次數(shù)時(shí)(如設(shè)定讀取N條條紋)停止電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，編碼器記錄的電機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)的總角度換算出Δd，從而得到波長(zhǎng)。

圖2 整體電路連接

用于測(cè)量光強(qiáng)的光敏電阻實(shí)際測(cè)量的響應(yīng)曲線如圖3所示。由圖3可見(jiàn)，實(shí)驗(yàn)要求控制亮紋的光度值大于100 lx，而暗紋處應(yīng)該盡量保證環(huán)境雜光不被光敏模塊接收到。

儀器自動(dòng)控制的設(shè)備中電機(jī)采用雙軸直流減速電機(jī)(6 V,3 r/min)，用L298芯片連接電動(dòng)機(jī)，控制電機(jī)的運(yùn)行。選用此類型電機(jī)的考慮有如下幾點(diǎn)：①直流減速電機(jī)有較大的減速比，使得電機(jī)能夠以較慢速度轉(zhuǎn)動(dòng)，從而保證光電模塊擁有足夠的響應(yīng)時(shí)間;②電機(jī)有足夠大的扭矩，使得電機(jī)能夠帶動(dòng)傳動(dòng)裝置;③選用雙軸電機(jī)是考慮到電機(jī)一方面需要帶動(dòng)傳動(dòng)裝置，另一方面需要帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)AB相編碼器輸出旋轉(zhuǎn)角度。

圖3 光敏電阻光電特性曲線

2 識(shí)別光信號(hào)穩(wěn)態(tài)的智能程序消除儀器震動(dòng)影響

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

實(shí)驗(yàn)中肉眼觀察干涉條紋只出現(xiàn)二三次時(shí)，儀器輸出的條紋數(shù)就已經(jīng)超過(guò)50條。用示波器讀取光敏模塊輸出的電信號(hào)。從圖4可以看出,在亮暗交替時(shí)，信號(hào)不僅隨光強(qiáng)變化，還有環(huán)境振動(dòng)引起的躍變，并疊加瞬間的強(qiáng)弱變化，此為電機(jī)產(chǎn)生的影響。

圖4 亮暗紋未交替時(shí)環(huán)境振動(dòng)帶來(lái)的信號(hào)改變

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

為模擬實(shí)驗(yàn)中的情況，建立如下模型。假定輸出一個(gè)正弦的光強(qiáng)信號(hào)，由于環(huán)境振動(dòng)，在原有信號(hào)強(qiáng)度的基礎(chǔ)上添加高頻小振幅的振動(dòng)。考慮到實(shí)際操作中會(huì)出現(xiàn)額外較大的瞬時(shí)振動(dòng)，因此在原光信號(hào)的基礎(chǔ)上隨機(jī)添加一個(gè)較大的信號(hào)脈沖，見(jiàn)圖5。而相應(yīng)的光電信號(hào)取光強(qiáng)為峰值一半時(shí)發(fā)生數(shù)字信號(hào)的0～1變化，因此由圖5可以獲得相應(yīng)的電信號(hào)變化，見(jiàn)圖6。 一般的消抖處理是給程序添加基于時(shí)間延遲的消抖語(yǔ)句，但是若時(shí)間延遲，則單片機(jī)在延遲時(shí)間內(nèi)完全不會(huì)工作，會(huì)對(duì)編碼器的計(jì)數(shù)產(chǎn)生巨大影響，不適用于本實(shí)驗(yàn)儀器。

圖5 光變情況模擬

圖6 光電信號(hào)模擬

從圖4～6可以看出，光電信號(hào)這種異常抖動(dòng)持續(xù)時(shí)間都非常短，而且非常不穩(wěn)定。計(jì)數(shù)過(guò)程會(huì)把所有突變態(tài)加以識(shí)別，因此，程序改進(jìn)上應(yīng)該著重將程序調(diào)整為識(shí)別穩(wěn)態(tài)加以計(jì)數(shù)，從而消除抖動(dòng)。

具體改進(jìn)思想是：對(duì)于亮信號(hào)(“1”)和暗信號(hào)(“0”)，單片機(jī)每單位時(shí)間內(nèi)會(huì)記錄當(dāng)前信號(hào)值。將原有信號(hào)值置為當(dāng)前狀態(tài)(變量state)。當(dāng)信號(hào)值改變時(shí)，并不累加亮暗信號(hào)改變次數(shù)，而是當(dāng)與當(dāng)前狀態(tài)不同的信號(hào)被連續(xù)記錄300次時(shí)，才累加亮暗改變次數(shù)，并改變當(dāng)前信號(hào)在單片機(jī)內(nèi)的記錄。若中斷不連續(xù)或未達(dá)300次，則視為抖動(dòng)不累加，并且不改變當(dāng)前信號(hào)在單片機(jī)的記錄值。

具體程序算法框圖見(jiàn)圖7，其中以signal代表輸入信號(hào)變量，state代表當(dāng)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(shù)的變量，而i代表用于檢驗(yàn)是否記錄300次的變量。

圖7 識(shí)別穩(wěn)態(tài)計(jì)數(shù)程序

3 測(cè)量精度提高和討論

邁克爾遜干涉儀大小兩個(gè)轉(zhuǎn)輪和游標(biāo)供調(diào)節(jié)，最小分度僅σ=10-7m，加上機(jī)械本來(lái)帶來(lái)的誤差，實(shí)際測(cè)量中往往有較大測(cè)量誤差，對(duì)于632.8 nm的激光，測(cè)量值可能落在595～670 nm，測(cè)量并不十分精確。因此，為提高讀數(shù)精度，采用將1周長(zhǎng)分為600份的編碼器，與電動(dòng)機(jī)軸連，最小分度降低6倍，因而讀數(shù)誤差顯著降低。

實(shí)際測(cè)量中應(yīng)考慮轉(zhuǎn)輪回程差，當(dāng)內(nèi)置程序設(shè)計(jì)在條紋不變時(shí)，保持電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，但不進(jìn)行角度計(jì)數(shù)。條紋一旦變動(dòng)，以此為初始點(diǎn)開(kāi)始進(jìn)行條紋及角度計(jì)數(shù)。

實(shí)驗(yàn)測(cè)量500條和100條為例，結(jié)果見(jiàn)表1。所用激光標(biāo)準(zhǔn)波長(zhǎng)為632.8 nm。

表1 實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果

從實(shí)驗(yàn)精度來(lái)看，相對(duì)誤差已經(jīng)比改造前的實(shí)驗(yàn)誤差小得多。當(dāng)條數(shù)達(dá)到500條后，相對(duì)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(cè)量結(jié)果。同時(shí)，可以有效避免操作失誤造成的結(jié)果誤差[16]。

4 結(jié) 語(yǔ)

本實(shí)驗(yàn)以邁克爾遜干涉儀測(cè)量He-Ne激光波長(zhǎng)為案例，改進(jìn)邁克爾遜干涉儀的測(cè)量，并且在該案例中總結(jié)該改進(jìn)方案具有較好的移植性和可開(kāi)發(fā)性。本文所述的方案適用于精巧的儀器設(shè)備，采用Arduino單片機(jī)控制整個(gè)儀器，將控制程序?qū)戇M(jìn)單片機(jī)，以光敏電阻為主要設(shè)備的光敏模塊來(lái)讀取光變情況，采用直流減速動(dòng)機(jī)來(lái)帶動(dòng)邁克爾遜干涉儀轉(zhuǎn)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，并采用編碼器讀數(shù)能夠很好地實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化過(guò)程。來(lái)自桌面等物體的振動(dòng)，通過(guò)防震臺(tái)和聯(lián)軸器的彈性連接加以減輕，對(duì)于電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)輪產(chǎn)生的細(xì)微振動(dòng)，通過(guò)編程校準(zhǔn)連續(xù)穩(wěn)定的光強(qiáng)以消除振動(dòng)影響。

對(duì)于需要測(cè)量大量光變特別是通過(guò)測(cè)量干涉條紋來(lái)獲得其他結(jié)果的實(shí)驗(yàn)，本實(shí)驗(yàn)的方案具有很強(qiáng)的移植性。同時(shí)，若改變光電模塊，改用其他壓電、溫度等相關(guān)的傳感器，實(shí)驗(yàn)設(shè)備的可開(kāi)發(fā)程度很高。

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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