邁克耳孫干涉儀自動測量系統設計

石明吉，王 飛，王珍楨

(南陽理工學院 電子與電氣工程學院，河南 南陽 473004)

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

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

1 整體設計

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

圖1 實驗裝置結構圖

2 軟件設計

紅外對射計數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，碼盤每轉過1線輸出1組高低電平；碼盤轉1圈的過程中，紅外對管被遮擋100次，輸出100個脈沖，單片機1接收端每遇到1個高電平時計數加1，遇到低電平不計數. 光敏電阻模塊的輸出特性是當待測光強低于設定值時輸出高電平，當待測光強高于設定值時輸出低電平. 因此，每有1個暗條紋經過光敏電阻，光敏電阻模塊輸出1個高電平，單片機2接收端每遇到1個高電平時計數加1，遇到低電平不計數. 單片機1和單片機2的計數程序流程如圖2所示.

圖2 計數程序流程圖

3 實驗內容與數據分析

3.1 儀器組裝與調節

采用He-Ne激光器作為待測光源，激光波長為632.8 nm. 適當調節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，利用彈簧聯軸器和變徑將微調手輪的軸、碼盤和直流減速電機的軸連接到一起；將紅外對射計數傳感器模塊固定在合適的位置，保證碼盤轉動時可以產生位移計數脈沖；將光敏電阻模塊放置到合適的位置，根據環境光強調節閾值電壓，保證條紋吞吐時可以產生條紋計數脈沖；啟動直流減速電機帶動微調手輪轉動，消除機械系統空程. 按下復位鍵使數碼管1和數碼管2的顯示置零；當直流減速電機正常轉動且干涉條紋勻速吞吐時，按下復位鍵使數碼管1和數碼管2開始計數；當換向開關打到斷開位置時，2個單片機同時停止計數，數碼管1和數碼管2分別顯示位移計數和條紋計數的結果. 實驗中要避免環境光強的變化和震動的干擾.

3.2 實驗數據分析

干涉圓環“涌出”不同環數時的測量數據如表1所示. 由于邁克耳孫干涉儀的微調手輪每轉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，每個位移脈沖對應的動鏡移動距離為Δl=0.000 1 mm，如果碼盤產生M個位移計數脈沖，動鏡移動的距離為

Δd=MΔl.

(1)

根據邁克耳孫干涉儀的原理，波長與動鏡位移的關系為[13]

(2)

由式(1)和式(2)可以得到

(3)

表1 不同測量環數的測量值

由于條紋計數脈沖的周期比位移計數脈沖的周期要長好多，因此，同一個條紋數會有不同的位移脈沖數與之對應，因此，N與M不是簡單的正比關系，而是線性關系，所以，不能單獨利用某組(N，M)計算出波長的準確值. 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 位移計數隨條紋計數的變化

學生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 結束語

開發了基于單片機的邁克耳孫干涉儀自動測量系統，采用光敏電阻模塊檢測探測點光強的變化以獲取吞吐條紋數目的信息，采用直流減速電機來帶動邁克耳孫干涉儀微調手輪的轉動，并采用碼盤和紅外對射計數傳感器模塊來檢測動鏡的位移，利用單片機計數，很好地實現了邁克耳孫干涉儀的自動化測量. 該系統結構簡單、操作方便、性能穩定，應用到邁克耳孫干涉實驗中可以有效地減小計數誤差，有助于保護學生的視力，較好地滿足了實驗要求.