迈克尔逊干涉仪自动测量系统设计与实现_穆晓东.pdf

2023 年 6 月 10 日第 7 卷 第 11 期现代信息科技Modern Information TechnologyJun.2023 Vol.7 No.111721722023.062023.06收稿日期：2023-01-06迈克尔逊干涉仪自动测量系统设计与实现穆晓东（山东理工大学 物理与光电工程学院，山东 淄博 255000）摘 要：在迈克尔逊干涉仪测量氦氖激光波长实验中，若要提高干涉条纹亮度，需要降低环境光强；此外，从仪器动镜位置读数不够便捷，并且连续计数上百个干涉条纹个数容易导致眼疲劳，带入计数误差。为了解决这些问题，研制了迈克尔逊干涉仪自动测量系统，它实现了自动计数干涉条纹个数和自动计算动镜位移，并将计算结果动态显示在液晶屏上。关键词：迈克尔逊干涉仪；直流电机；光电编码器；光敏电阻传感器；单片机中图分类号：TH744 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2023）11-0172-04Design and Implementation of Automatic Measurement System for Michelson InterferometerMU Xiaodong(School of Physics and Optoelectronic Engineering,Shandong University of Technology,Zibo 255000,China)Abstract:In the experiment of measuring He-Ne laser wavelength with Michelson interferometer,in order to improve the brightness of interference fringes,the ambient light intensity need to be reduced;In addition,reading number from the position of the instruments moving mirror is not convenient enough,and continuously counting hundreds of interference fringes can easily lead to eye fatigue and lead to counting errors.In order to solve these problems,an automatic measurement system of Michelson interferometer is developed,which can automatically count the number of interference fringes and automatically calculate the displacement of moving mirror,and dynamically display the calculation results on the LCD screen.Keywords:Michelson interferometer;DC motor;photoelectric encoder;photoresistor sensor;Single-Chip Microcomputer0 引 言迈克尔逊干涉仪是利用分振幅法产生双光束以实现干涉的精密光学仪器，通它可以测定微小长度、折射率和光波波长等，也可以用来研究如温度、压强、电场、磁场以及媒质的运动等物理因素对光线传播的影响。我校的大学物理实验课开设了用迈克尔逊干涉仪测量氦氖激光波长这一实验。实验中，为使观察屏上的干涉条纹更加明亮，需在较暗环境下测量。由于环境较暗，又不方便从仪器读取出动镜位置读数。测量过程中，每数一定的条纹个数，需从仪器读取动镜在导轨的位置，直至数完上百个干涉条纹为止。如此操作，眼睛易疲劳，出现计数错误，并且每读一次动镜位置，继续旋转微调手轮时，易旋错方向，带入回程误差。鉴于上述问题，驱使我们对迈克尔逊干涉仪进行改进。1 迈克尔逊干涉仪测量氦氖激光波长的原理原理如图 1 所示。在两个平面 M1与 M2严格垂直的情况下，从激光器发出的光束被分光板 G1分成强度相近的两束光，反射光（1）经移动镜 M1反射后，再经 G1部分地透射；透射光（2）经补偿板 G2射向参考镜 M2反射后，再经G1部分地反射。两束光同时汇聚于观察屏 E，观察屏上形成一组内疏外密的等倾干涉圆环。M2是参考镜 M2经分光DOI:10.19850/ki.2096-4706.2023.11.039板形成的虚镜，两镜之间的平行距离为 d，两束光的光程差 为 2d，若动静 M1移动 d，观察屏 E 上“吞”或“吐”N个条纹，可推出波长公式 =2d/N。因此，测量光的波长需要测量两个物理量，一个是“吞”或“吐”条纹的个数 N，一个是对应“吞”或“吐”N 个条纹的动镜位移 d 1。M1dLSEG2M2G1(1)(1)(2)(2)M2图 1 迈克尔逊干涉仪原理2 实验中存在的问题2.1 读数不便迈克尔逊干涉仪如图 2 所示。为了突出观察屏上等倾干涉圆环的亮度，实验要求在较暗环境下进行。动镜位移是动镜在导轨上的两个位置读数相减得到的。显然，在较暗环境下不方便从仪器读取动镜在导轨上的位置读数。动镜在导轨的位置读数是通过主标尺、读数窗、微调手轮三部分读出，读数较麻烦。1731732023.062023.06第 11期为了降低测量误差，采用逐差法计算氦氖激光波长。实验中应保持微调手轮始终朝一个方向旋转，每数一定的圆环个数（如 20 个），读取动镜在导轨上的位置读数，直到数出总圆环个数（如 160 个）。在测量过程中给，读出动镜位置读数后，继续旋转微调手轮时，易旋错方向，代入回程误差。参考镜 分光板 移动镜 补偿板 主标尺滚花螺钉 观察屏 读数窗 微调手轮 激光光源 粗调手轮 导轨 滚花螺钉图 2 迈克尔逊干涉仪2.2 计数误差在黑暗环境里，连续人工计数上百个“吞”或“吐”条纹个数。由于长时间地观察激光干涉圆环，眼睛易疲劳，出现漏计或多计的现象。2.3 精度问题微调手轮的最小分度为 100 nm 每格，精度仍有较大的提升空间。针对以上提出的问题，我们设计了以单片机为控制、处理器的迈克尔逊干涉仪自动测量系统。3 迈克尔逊干涉仪自动测量系统原理系统原理如图 3 所示。将条纹检测和动镜位移两路信号同时传送给单片机，单片机处理计算后，将条纹数量 N 和动镜位移 d 在液晶显示屏上动态显示。单片机 滤波，波形转换，整形 光敏传感器 倍频电路 电机和光电编码器 液晶显示 触摸键盘 开关电源及 保护电路 电机运转控制电路 自动计数条纹 自动移动动镜并记录动镜位移 图 3 迈克尔逊干涉仪自动测量系统原理图以低速直流电机取代迈克尔逊干涉仪的微调手轮；光电编码器代替微调手轮上的刻度。双轴直流电机的一侧轴通过联轴器与微调手轮轴连接，另一侧轴与光电编码器轴连接。直流电机带动微调手轮轴和光电编码器的码盘同步转动，使动镜在导轨上移动，光电编码器输出表征动镜位移的脉冲信号，将此信号经倍频电路输出更高分辨精度的标准脉冲，单片机接收此脉冲后自动计算动镜位移 d，并将动镜位移送液晶显示器动态显示。如此改进完全省去了以手动方式旋转微调手轮带动动镜移动，以及从标尺读取动镜位置读数等人工操作，也避免了由于手动旋错微调手轮方向带入的回程误差，简化了操作过程。使用光敏电阻传感器检测“吞”或“吐”的条纹个数，单片机获取信号后自动完成条纹计数，并将条纹数量实时显示在液晶屏上。光敏传感器检测圆环中心光强变化，将检测信号进行滤波、波形转换和整形，以标准的脉冲信号传给单片机，单片机获取信号并自动完成条纹计数 N。在改进的过程中，我们遇到了光敏电阻受环境光强影响较大的技术难题。光敏电阻传感器接收到的光强是环境光强和激光干涉条纹光强的叠加，传感器输出电压是环境光强产生的基础电压和干涉条纹产生的周期波动电压之和。弱光环境下整体电压值较高，强光环境下的电压值相对于弱光整体偏低。通过对比，在不同的实验室中环境光强不一样，会导致基础电压差别很大。其次，光敏电阻的光照特性是非线性的，弱光环境下，灵敏度大，电压信号变化幅度大，容易检测，强光环境下灵敏度小，电压信号变化幅度小，很难检测。鉴于光敏传感器受环境光强影响较大，我们设计出了从光敏电阻传感器输出信号中分离环境光强，正确识别信号波动过程的电路，解决了以上难点。由此，不仅解决了因连续人工计数条纹个数带来的计数错误，而且避免了长时间观察干涉条纹产生的眼睛疲劳。光电编码器代替微调手轮的刻度。编码器输出的信号经倍频电路处理后，提高动镜位移的测量精度。迈克尔逊干涉仪的微调手轮上有 100 个分格，最小分度为 100 纳米/格。我们选用 1 000 线光电编码器代替微调手轮的刻度，将传感器输出的两路信号经倍频电路进行二倍频处理，使光电传感器的码盘从 10 纳米/线进一步提升为 5 纳米/线。因此，动镜位移的测量精度由微调手轮的 100 纳米/格，提高到光电编码器取代后的 5 纳米/线，动镜位移的测量精度大幅度提高。4 迈克尔逊干涉仪自动测量系统的制作4.1 选择元器件根据原理图筛选系统所需直流电机型号、光电编码器、光敏传感器、单片机等元器件。实际测量实验过程中手动旋转微调手轮的速度，计算了带动微调手轮的转矩，以这两个数据为依据，确定电机型号2。考虑成本和测量精度，选取了 1 000 线的光电编码器3。对比了光敏电阻和光敏二极管，集成光电传感器等多种不同光敏元件传感器的实际效果，最终采用了光敏电阻传感器4。根据系统的功能及制作电路板的难度，选用 89C52 单片机作为控制、处理器5，从实际需要显示的字符个数，比较了几种型号的显示器，选定 12864液晶显示器2，因实验环境光强较暗，选用独立触摸式发光按键等元器件。4.2 安装电机、光电编码器和光敏传感器采用 3D 打印，制作了直流电机、光电编码器的安装壳，穆晓东：迈克尔逊干涉仪自动测量系统设计与实现1741742023.062023.06第 11期现代信息科技以及光敏电阻传感器的安装支座。为了将直流电机和光电编码器安装在迈克尔逊干涉仪上，我们设计并 3D 打印了安装外壳。电机和光电编码器放在壳内，电机一侧轴通过联轴器与迈克尔逊干涉仪的微调手轮轴连接，另一侧与光电编码器连接,保证了直流电机带动微调手轮轴和光电编码器的码盘同步转动。光敏电阻安装在二维调节架上，调节架固定在3D 打印的支座上，支座固定在观察屏支撑杆上，光敏电阻能够贴着观察屏二维自由移动。4.3 制作迈克尔逊干涉仪自动测量仪制作了集自动控制电机转动、自动测量干涉条纹数量和相应动镜位移，以及显示测量数据于一体的迈克尔逊干涉仪自动测量仪。自动测量仪如图 4 所示，该自动测量仪包含硬件和软件两大部分。图 4 迈克尔逊干涉仪自动测量仪硬件部分包括开关电源、电机驱动、倍频、干涉条纹信号处理、单片机、键盘以及液晶显示器几个模块。开关电源是将普通交流 220 V 电源转换成各元器件所需的直流工作电压。实验室电源为交流 220 V，有时电压忽高忽低不稳定。而直流电机、液晶显示器、单片机等芯片的工作电压是直流电压，且工作电压各不相同，如直流电机工作电压为 12 V 直流电压，液晶显示器、单片机等芯片的工作电压为 5 V 直流电压。直流开关电源的功能就是将电能质量较差的原生态电源，如市电电源，转换成满足元器件工作要求的高质量直流电压。电机驱动模块是控制直流电机工作的模块。通过触摸键盘输入命令，启动直流电机正转、反转工作或停止。倍频电路将来自旋转编码器的两相脉冲信号做异或处理，输出 2 倍于输入信号的脉冲，用以提高动镜位移的检测精度。干涉条纹处理模块是将光敏电阻传感器采集的干涉条纹原始信号进行滤波，得到比较干净的反眏干涉条纹的模拟电压信号，接着转换为数字信号，再将此数字信号继续整形为单片机可识别的标准脉