基于單片機(jī)改造邁氏干涉儀自動(dòng)測量微小長度

下面對(duì)程序的關(guān)鍵部分進(jìn)行說明。
3．1 光電轉(zhuǎn)換部分的脈沖計(jì)數(shù)程序設(shè)計(jì)
用單片機(jī)的外部中斷INT0腳檢測光電轉(zhuǎn)換得到的脈沖信號(hào)。當(dāng)有一個(gè)脈沖的下降沿到來時(shí)，外部中斷服務(wù)程序執(zhí)行一次。在中斷服務(wù)程序中設(shè)置記錄脈沖個(gè)數(shù)的變量mai_chong_ji_shu。在兩次脈沖間隔超過50 ms的情況下，每進(jìn)入中斷服務(wù)程序一次，mai_chong_ji_shu加1。如果兩次脈沖間隔不超過50 ms，說明出現(xiàn)了毛刺信號(hào)，mai_chong_ji_shu不會(huì)加1，這樣設(shè)計(jì)可以除去毛刺信號(hào)。
3．2 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)及自動(dòng)調(diào)速程序設(shè)計(jì)
驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的脈沖信號(hào)頻率越大，電機(jī)轉(zhuǎn)速越高，但頻率不能過大也不能過小，否則電機(jī)都不會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)。通過軟件延時(shí)或定時(shí)器中斷的方法可以控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。軟件延時(shí)會(huì)大量浪費(fèi)CPU資源，所以采用單片機(jī)的定時(shí)器0中斷來驅(qū)動(dòng)28BYJ-48型步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，給定時(shí)器0賦不同的初值對(duì)應(yīng)步進(jìn)電機(jī)不同的轉(zhuǎn)動(dòng)速度。若四向八拍運(yùn)行方式A-AB-B-BC-C-CD-D-DA為電機(jī)的正轉(zhuǎn)，則運(yùn)行方式DA-D-CD-C-BC-B-AB-A為
電機(jī)反轉(zhuǎn)，每運(yùn)行完一個(gè)八拍相當(dāng)于電機(jī)走一步，設(shè)計(jì)變量motor_step專門記錄電機(jī)的步數(shù)，電機(jī)正轉(zhuǎn)變量motor_step加，電機(jī)反轉(zhuǎn)變量motor_step減。motor_step值乘以電機(jī)的步長值即得到步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)邁克爾干涉儀微調(diào)旋鈕轉(zhuǎn)過的長度。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與精度分析
4．1 He-Ne激光波長測量
采用波長為632．8 nm的He-Ne激光器作為光源。在一般實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，經(jīng)過大量測試，系統(tǒng)均能準(zhǔn)確、快速測量出波長長度，表1是系統(tǒng)一次測量的數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)自動(dòng)測量的最終結(jié)果為多次測量的平均值，由表1可以看出，與理論值非常接近，平均誤差為0．06％，遠(yuǎn)低于手動(dòng)測量產(chǎn)生的誤差。
測量誤差主要來源于△d的測量和條紋計(jì)數(shù)N。步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)值為19．53nm，它比微調(diào)旋鈕的最小刻度100nm還要小80．47nm，提高了對(duì)△d測量的準(zhǔn)確度，因此誤差較小。實(shí)驗(yàn)過程中，空氣擾動(dòng)、實(shí)驗(yàn)桌的碰撞、外界振動(dòng)都會(huì)產(chǎn)生毛刺信號(hào)影響光敏二極管對(duì)干涉條紋的檢測，產(chǎn)生計(jì)數(shù)錯(cuò)誤，從而產(chǎn)生測量誤差。對(duì)于較小的毛刺信號(hào)，通過編程進(jìn)行處理，不會(huì)對(duì)條紋計(jì)數(shù)產(chǎn)生大的影響，但對(duì)于嚴(yán)重的干擾信號(hào)，系統(tǒng)無法處理。系統(tǒng)會(huì)根據(jù)測量的結(jié)果自動(dòng)判斷實(shí)驗(yàn)誤差是否在允許范圍內(nèi)，若不在，將提示重新測量。
4．2 透明薄膜厚度測量
實(shí)驗(yàn)選用標(biāo)準(zhǔn)厚度為80μm的透明薄膜作為測試品，用阿貝折射儀測出此薄膜的折射率n=1．429 4，在一般實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，對(duì)薄膜厚度進(jìn)行了大量的測量，表2所示為測量的一部分?jǐn)?shù)據(jù)，其中d1為未插薄膜前彩色條紋出現(xiàn)時(shí)動(dòng)鏡的位置，d2為插入薄膜后彩色條紋出現(xiàn)時(shí)動(dòng)鏡的位置。

從表2數(shù)據(jù)可以算出，測試薄膜厚度的平均值為81．600 1 μm，精度較高(測量薄膜厚度精確到了0．1 nm級(jí))。測量薄膜厚度的誤差主要來源于兩個(gè)方面，△和n的測量。雖然步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)值較小，但并不能完全消除對(duì)△測量的誤差，而是將其大大減小了。薄膜上的灰塵不可避免地影響薄膜的折射率n。實(shí)驗(yàn)過程中，外界的干擾以及儀器本身因素都會(huì)影響測量結(jié)果。

5 結(jié)語
基于單片機(jī)改造后的邁克爾遜干涉儀可以精確、快速、自動(dòng)測量激光波長和薄膜厚度。采用非接觸法測量薄膜厚度，不會(huì)對(duì)薄膜造成破壞，擴(kuò)展了邁克爾遜干涉儀的使用范圍，提高了實(shí)用性。改裝電路元器件價(jià)格低廉，組裝簡單，對(duì)邁克爾遜干涉儀的手動(dòng)測量與外觀沒有任何影響，促進(jìn)了光學(xué)教學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器的發(fā)展，具有一定的市場前景。
本研究在湖北師范學(xué)院物理與電子科學(xué)學(xué)院劉興云老師的指導(dǎo)下，由光學(xué)實(shí)驗(yàn)室與電子電工實(shí)驗(yàn)室提供實(shí)驗(yàn)器材，經(jīng)過小組成員的共同努力完成。在此特別感謝劉老師的指導(dǎo)，同時(shí)對(duì)湖北師范學(xué)院物理與電子科學(xué)學(xué)院和提供過幫助的老師與同學(xué)致以深切的謝意與祝福。