有线性刻度的分光计

张岩+苗松娟

摘 要：传统分光计的主刻度具有周期性，所以利用其测量角度时，在某些情况下需要对原始数据进行修正。为解决这一问题，国家发明专利GVZ-4ZL201710343376.6设计了一套修正装置，将传统分光计的周期性刻度转化成了线性刻度。改进后的分光计保留了传统分光计的机械机构，在实现较高稳定性和测量精度的基础上，确保在任何情况下进行测量，都无需对原始数据进行修正，很好地培养了学生的动手能力、实验素养和创新能力。

关键词：分光计；周期性刻度；线性刻度

中图分类号：O436.1 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）33-0018-02

Abstract： The main scale of the traditional spectrometer is periodic. Under certain circumstances， it results in correcting raw data measured by the traditional spectrometer. To avoid this kind of situations， the traditional spectrometer is improved. The improvement has been granted with a national invention patent. The scale of the improved spectrometer is linear. It has an advantage on avoiding correcting raw data over the traditional Spectrometer. Over the digital Spectrometer， it has advantages on higher precision， training the student's practical ability and experimental qualities.

Keywords： spectrometer； periodic scale； linear scale

引言

分光計是精确测量角度的光学仪器，在光学类实验中具有重要作用。由于分光计的主刻度具有周期性，所以利用分光计测量，当主刻度盘的零刻度与角游标的零刻度交会时，所得数据需要修正[1-2]。为避免对原始数据的修正，只有将周期性的刻度转换为线性刻度。国家发明专利（张岩 GVZ-4ZL201710343376.6）[3]设计了一套由光发生器、光接收器、控制器和显示器组成的修正装置。利用该修正装置，可以将传统分光计的周期性刻度转换为线性刻度，从而解决了利用传统分光计测量时原始数据需要修正的问题。

1 传统型分光计的周期性刻度及其弊端

传统分光计的读数系统包括主角刻度和角游标，如图1所示。外侧白色大圆环的内圆周边上有主角刻度，角度值范围为0°～360°。内侧黑色圆盘的外圆周边缘有两个角游标，角游标的角度值范围均为1′～30′，两个角游标的相同刻度值间的角距离为 180°。角游标和主角刻度构成读数窗口，从图2可知，主角刻度的0°和360°重合，主角刻度具有周期性。

由于传统分光计的主角刻度具有周期性，这就导致在某些情况下测量角度时，需要对原始数据进行修正。以测量图3中角A的大小为例，在测得边1和边2过程中，如果角游标的0刻度与主角刻度的0刻度发生交会，需要对原始数据进行修正。国家发明专利GVZ-4ZL201710343376.6设计了一套修正装置，可将传统分光计的周期性刻度转化成线性刻度，避免对原始数据修正的问题。

2 对传统分光计的改进

该修正装置包括光发射器1和2、第一光接收器3和第二光接收器4、控制器和显示器共六部分，图4为其安装示意图。光发射器固定装配在角游标下方，对应角游标的零刻度位置。第一光接收器和第二光接收器分别固定装配在主角刻度下方，对应主角刻度的零刻度位置两侧。第一光接收器和第二光接收器电连接控制器和显示器。

在测量过程中，当转动望远镜使主角刻度的0刻度与角游标的0刻度交会时，首先，第一光接收器（或第二光接收器）接收光发射器发出的光信号后，发出一脉冲信号输送到控制器；然后第二光接收器（或第一光接收器）接收光发射器发出的光信号后，发出另一脉冲信号输送到控制器；控制器根据接收到的两个脉冲信号的先后顺序，给显示器发送修正指令，并将修正方式加360°（或减360°）显示在显示器上，如图5所示。

3 修正后分光计的线性刻度

利用修正装置对传统分光计进行修正后，其周期性刻度就转化成为线性刻度。利用改进后的分光计进行测量时，主角刻度的刻度值分为三类情况：

（1）首次测量时，主角刻度的刻度值不变，其角度值范围仍为0°～360°，如图3所示。

（2）如在测量过程中，望远镜顺时针转动（图5上所示）使主角刻度的0刻度与角游标的0刻度交会，显示器上显示“+360”。则意味着在记录原始数据时，所用的主角刻度的0°变为360°，其后的10°、20°、30°等均增加360°，变为370°、380°、390°等。

（3）经（2）修正后的主角刻度与（1）中的主角刻度构成一个完整的线性刻度。

（4）如在测量过程中，望远镜逆时针转动（图5下所示）使主角刻度的0刻度与角游标的0刻度交会，显示器上显示“-360”。此时，意味着在记录原始数据时，主角刻度的0°不变，其后的350°、340°、330°等均减小360°，变为-10°、-20°、-30°等。

（5）经（4）修正后的主角刻度与（1）中的主角刻度构成一个完整的线性刻度。

修正后的分光计具有线性刻度，利用其对角度或角位移进行测量时，无需对原始数据修正即可求得正确结果。直接从原始数据求得正确测量结果进而探究其蕴含的物理规律，符合物理实验的探究规律，便于培养学生的创新能力。改进后的分光计保留着传统分光计的机械结构，具有较高的测量精度，却无需对原始数据进行修正，同时培养了学生的动手能力和实验素养。

参考文献：

[1]熊泽本.分光计读数的修正[J].宜宾学院学报，2010，10（6）：48-49.

[2]王素红，张胜海，王荣.大学物理实验[M].北京：高等教育出版社，2000.

[3]范淑媛，熊永红，李纪文.光电编码器在分光计中的应用[J].物理实验，2011，31（6）：33-35.

[4]陈剑波，王姝.角度传感器在分光计实验中的应用[J].物理实验，2008，28（5）：5-8.

[5]张岩，张胜海，王素红，等.一种分光计：中国，ZL201710343376.6[P].2017-05-16.endprint