迈克尔逊干涉自动测量仪的设计与制作

刘芬芬，王　杰

(海军航空工程学院 基础实验部，山东 烟台 264001)

迈克尔逊干涉自动测量仪的设计与制作

刘芬芬，王杰

(海军航空工程学院 基础实验部，山东 烟台 264001)

摘要：利用光敏电阻，以单片机89C52为核心，设计了一种迈克尔逊干涉条纹自动测量仪，介绍了该测量仪各部分的构成、电路和软件设计，并分析了各种干扰及其排除方法。实验结果表明，该仪器显著改善了人工计数引起的问题，降低了测量误差，提高了实验结果的准确性，并缩短了实验时间，提高了实验效率。

关键词：计数器；迈克尔逊干涉仪；光敏电阻；单片机

光干涉测量技术在工程测量中有着广泛的应用，以迈克尔逊干涉仪为核心的器件在测量微小距离方面具有重要的作用。在测量过程中，需要对干涉条纹的变化数进行记录，传统的计数方法为人工计数，通常计数量较大，容易造成眼睛疲劳并引起较大的误差。为了实现计数自动化， 设计制作了利用光敏电阻接收信号，单片机处理转换信号的自动测量仪。该装置不仅能实现自动化计数，而且能智能化计算待测光的波长。实验结果显示，该装置改善了人工计数引起的一些问题，降低了测量产生的误差，提高了实验结果的精确度。

1迈克尔逊干涉实验

1.1实验原理

迈克尔逊干涉实验是一个经典的物理实验，是大学物理实验必修的一个实验项目[1]。迈克尔逊干涉仪可以观察和分析各种干涉现象，并能精确测量微小长度的变化，这种干涉仪在现代计量技术中也有着广泛的应用。迈克尔逊干涉实验利用一个分束板很好地解决了相干光的问题，光路如图1所示。

图1　迈克尔逊干涉实验原理图

从光源S发射的光，到达镀有半反射膜的分光板G1上，分为2束光，一束为反射光，反射后向着反射镜M1前进，一束为透射光，向着反射镜M2前进，这2束光分别在反射镜M1和M2反射后逆着各自的方向返回，最后到达E处。因为这2束光来自同一个光源，所以是相关光，在位置E处，观察者能看到干涉图样。

在大学物理实验中，调节M1与M2严格互相垂直时就能看到激光的等倾干涉圆环，调节动镜M2的位置，记录其移动距离Δd，同时要求学生读取条纹的变化数N，根据公式Δd=N(λ/2)，就可计算波长λ。由于迈克尔逊干涉实验仪测量的Δd可以精确到10-5mm，所以该实验仪是非常精密的光学仪器。

1.2实验存在的问题

在实验过程中，学生读取条纹的变化数N时，通常要求学生读取N=100条条纹变化。在此过程中，人眼需要一直盯着毛玻璃屏，实验者需要长时间、高度集中精力，常常会因为视力疲劳造成计数错误而引起较大的误差[2]。基于此原因，为了提高测量精度，实现测量的自动化，设计了一个迈克尔逊干涉条纹自动测量仪。

目前，有一些设计计数器的资料[3-5]，但是经过试验后发现这些资料都是理论上的，实际不可行，或者只有在很理想的条件下才能计数，而且误差较大。笔者用光敏电阻捕捉光信号，经A/D转换后由单片机实现计数和计算功能。自动测量仪经过调试实现了在多种条件下完成条纹计数的功能以及波长计算的功能，而且效果较好、误差较小。该测量仪可以代替人眼进行读数，解决了实验人员在条纹计数时的困难，同时也减小了因为条纹计数引起的误差，提高了实验结果的准确性。

2设计原理和方法

2.1设计原理

该测量仪通过光敏电阻捕捉光信号，经过A/D转换将模拟信号转变为数字信号，再通过89C52单片机实现计数[6-8]。光敏电阻捕捉到强光信号时经A/D转换变为一个高电压信号，捕捉到暗光信号时经A/D转换变为一个低电压信号，89C52单片机通过高低信号的电压差完成计数。实验设计框图如图2所示，开始时预先设置记录的条纹数N，然后转动迈克尔逊干涉仪的螺旋测微器，移动动镜M2的位置，记录N个条纹变化后，停止转动螺旋测微器，读取螺旋测微器的变化量Δd。把Δd值输入到测量仪中，测量仪自动计算并显示所使用光的波长。

图2　实验设计框图

2.2制作方法

首先了解单片机各引脚的功能，完成光敏电阻及其他元器件到单片机上的连接，然后进行编程，将程序导入单片机并调试，在反复调试程序、完成测试后，完成装盒。实验设计时电路图如图3所示。通过调节89C52单片机程序和改进控制电路[9-10]，较好地解决了环境光对干涉条纹的影响和光敏电阻接收到的信号较弱的问题。

图3　电路图

该测量仪的核心在于用单片机实现信号的处理，处理速度快而且准确。让光敏电阻捕捉光信号，经A/D转换器转换后由单片机实现计数功能，光敏电阻对光的感知能力很强，明暗条纹经A/D转换后形成电势差，通过单片机的编程控制实现计数，还可以改编程序控制灵敏度。该测量仪较为小巧，为迈克尔逊干涉仪测量激光波长实验提供了很大方便，减少了人员读数的疲劳和误差，还可进行最后的波长计算，一步到位。

3结果及讨论

迈克尔逊干涉自动测量仪实物如图4所示，左边为光敏电阻，右边为数据显示屏和数据输入键盘。使用时首先用光屏观察和调节出清晰稳定的干涉条纹，使用时将光敏电阻置于干涉条纹的中心位置，该自动测量仪可实现清零、校准和复位功能，显示屏显示的最大计数值为9 999。该测量仪还可以实现波长自动计算功能，条纹测量完毕后，输入动镜移动距离Δd，显示屏直接显示待测光波长λ的计算数值。利用激光作为光源，该计数器测量100条条纹变化时的数据和计算的误差[11]见表1。

图4　实验仪器图

次数Δd/mmλ/nm误差/%10.03170634.00.1920.03160632.00.1330.03164632.80.0040.03165633.00.0350.03159631.80.16

经过多次实验测试，在黑暗环境、打开灯光的环境和有日光照射的情况下，该测量仪都能准确地记录条纹变化数，且误差率较小，并能自动计算相应的波长值λ，波长的精度值为10-7m。该装置利用了光敏电阻和单片机的功能，完成了信号的采集、处理和显示，减少了眼睛观察明暗条纹时的疲劳和激光对眼睛的伤害。该装置能显著提高实验的精度,在实验教学中应用效果非常好，缩短了实验时间，大大提高了实验教学效率。

4结语

迈克尔逊干涉自动测量仪利用了光敏电阻和89C52单片机，完成了信号的采集、处理和显示，经过A/D转换将模拟信号转变为数字信号，可以精确检测干涉条纹的变化数，并能精确计算待测光的波长值，提高了实验效率和精度，减少了测量时间。

参考文献

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[3] 敖天勇,向兵.新型迈克尔逊干涉仪条纹计数器的设计[J].郑州大学学报：工学版,2008,29(1): 52-55．

[4] 林江豪,马文华,漆建军,等.一种新的迈克尔逊干涉条纹计数方法[J].微计算机信息,2010(31):141-142,97．

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[9] Intersil Americas Inc. Digitally controlled potentiome-ter [EB/OL]. www.intersil.com/data/fn/fn8176.pdf, 2005-03-15.

[10] 闫海涛,孟伟东,赵晓艳,等.基于干涉条纹图像对比法测量微位移[J].应用光学,2012,33(6):1069-1072．

[11] 费业泰.误差理论及数据处理[M].北京:机械工业出版社,2004.

责任编辑彭光宇

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

作者简介：刘芬芬(1983-)，女，工程师，硕士，主要从事高温超导材料等方面的研究。

中图分类号：TP 29

文献标志码:A