一种迈克尔孙干涉条纹自动计数装置的设计

李文义

(徐州工程学院，江苏 徐州 221018)

0 引言

迈克尔孙干涉仪，是大学物理实验中最常用的实验仪器[1]，主要用在光学实验中观察计算等倾干涉条纹、等厚干涉条纹以及其他性质的干涉条纹等[2-3]。由于一般大学实验室里，该实验仪没有自动记录干涉条纹个数的装置,且学生做实验时要求在光线很暗的室内读取实验数据（调节微调螺母的同时，用眼睛观察干涉板并记录露出或消逝的干涉条纹数目），在这一过程中，观察的条纹移动的数目超过200或者300个。这样一来由于人眼的局限性，不仅对学生的眼睛有严重的伤害，而且对实验结果的准确性有很大的影响。因此研制一种干涉条纹自动计数装置是非常重要的。

1 光电转换电路模块的设计

在迈克尔逊干涉仪实验中，当迈克尔逊干涉仪在 G2板上的微调螺母后面时，干涉板上已经得到的干涉条纹将会有相应的移动。在等倾干涉条纹中，圆心中心的强度分布表现为强弱相间，即相应的明暗变化[4]。所以光强度的中心在一个周期时间内改变一次，恰好对应于一旦露出并消失的干涉条纹。可以应用光敏三极管（3DU31）作为光信号检测器，将光中心的干涉光强度交替变为电脉冲信号，这样可以记录条纹数的变化次数[5]。下图为我们设计的流程图（图 1），光敏传感器安装在干涉板上的标记位置，用于收集光强变化信号，或干扰条纹相应电脉冲信号的亮度变化，最后，该信号被发送到微控制器进行进一步处理。

2 光电转换放大电路

迈克尔孙干涉条纹是等宽等间距且均匀分布的条纹。根据单个条纹光强分布的特点，及条纹中间为极值两边递减分布，所以在干涉条纹移动经过光敏三极管感光面的时候，近视可以把光敏三极管的输出端看作为正弦波脉冲[6]。本文通过两级直接耦合放大电路结构将输入的正弦波脉冲转化为矩形波脉冲，如图2所示。

图2 两级直接耦合放大电路图Fig.2 diagram of two stage direct coupling amplifier circuit

3 干涉条纹计数电路模块的设计

当光信号转化为电脉冲信号后，此时排除干扰后的电路产生的数字信号即高电平和低电平交替的信号将送入准备好的单片机进行处理[7-8]。如图 3，为干涉条纹计数装置的流程图，即将光电转换装置的信号转化成高电平‘1’，与低电平‘0’的数字信号，然后送入AT89C51单片机编程进行处理，最后从LCD数码管显示出条纹数目。

图3 干涉条纹计数装置流程图Fig.3 flow chart of interference fringe counting device

当光的明暗变化信号经过光电转换电路后，单片机的输入端口将接收到矩形波形式的脉冲信号[9]。本文将矩形波信号输入到P3.4/T0端口，通过P0.0到P0.7端口与P2.0到P2.5端口的协调作用将信号输入到数码管。整个过程实际上是利用AT89C51的定时计数功能将矩形脉冲信号进行计数[10]，并显示数值，如电路图4所示。在程序中设定P3.6口为清零按钮放置口，P3.7设置为暂停按钮放置口，且按下暂停键红灯将会亮。

图4 计数电路整体设计Fig.4 design of counting circuit

4 结论

本设计研制出一种以AT89C51单片机作为核心的干涉条纹计数器的电路，且根据干涉条纹明暗相间以及单个干涉条纹光强分布的特点，用光敏二极管周期照射光敏电阻替代了现实中的条纹变化。