基于單片機改造邁氏干涉儀自動測量微小長度

下面對程序的關(guān)鍵部分進行說明。
3．1 光電轉(zhuǎn)換部分的脈沖計數(shù)程序設(shè)計
用單片機的外部中斷INT0腳檢測光電轉(zhuǎn)換得到的脈沖信號。當有一個脈沖的下降沿到來時，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，mai_chong_ji_shu不會加1，這樣設(shè)計可以除去毛刺信號。
3．2 步進電機驅(qū)動及自動調(diào)速程序設(shè)計
驅(qū)動步進電機轉(zhuǎn)動的脈沖信號頻率越大，電機轉(zhuǎn)速越高，但頻率不能過大也不能過小，否則電機都不會轉(zhuǎn)動。通過軟件延時或定時器中斷的方法可以控制電機的轉(zhuǎn)速。軟件延時會大量浪費CPU資源，所以采用單片機的定時器0中斷來驅(qū)動28BYJ-48型步進電機轉(zhuǎn)動，給定時器0賦不同的初值對應(yīng)步進電機不同的轉(zhuǎn)動速度。若四向八拍運行方式A-AB-B-BC-C-CD-D-DA為電機的正轉(zhuǎn)，則運行方式DA-D-CD-C-BC-B-AB-A為
電機反轉(zhuǎn)，每運行完一個八拍相當于電機走一步，設(shè)計變量motor_step專門記錄電機的步數(shù)，電機正轉(zhuǎn)變量motor_step加，電機反轉(zhuǎn)變量motor_step減。motor_step值乘以電機的步長值即得到步進電機帶動邁克爾干涉儀微調(diào)旋鈕轉(zhuǎn)過的長度。

4 實驗結(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。在一般實驗環(huán)境下，經(jīng)過大量測試，系統(tǒng)均能準確、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％，遠低于手動測量產(chǎn)生的誤差。
測量誤差主要來源于△d的測量和條紋計數(shù)N。步進電機的步進值為19．53nm，它比微調(diào)旋鈕的最小刻度100nm還要小80．47nm，提高了對△d測量的準確度，因此誤差較小。實驗過程中，空氣擾動、實驗桌的碰撞、外界振動都會產(chǎn)生毛刺信號影響光敏二極管對干涉條紋的檢測，產(chǎn)生計數(shù)錯誤，從而產(chǎn)生測量誤差。對于較小的毛刺信號，通過編程進行處理，不會對條紋計數(shù)產(chǎn)生大的影響，但對于嚴重的干擾信號，系統(tǒng)無法處理。系統(tǒng)會根據(jù)測量的結(jié)果自動判斷實驗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
實驗選用標準厚度為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，在一般實驗環(huán)境下，對薄膜厚度進行了大量的測量，表2所示為測量的一部分數(shù)據(jù)，其中d1為未插薄膜前彩色條紋出現(xiàn)時動鏡的位置，d2為插入薄膜后彩色條紋出現(xiàn)時動鏡的位置。

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)。測量薄膜厚度的誤差主要來源于兩個方面，△和n的測量。雖然步進電機的步進值較小，但并不能完全消除對△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。實驗過程中，外界的干擾以及儀器本身因素都會影響測量結(jié)果。

5 結(jié)語
基于單片機改造后的邁克爾遜干涉儀可以精確、快速、自動測量激光波長和薄膜厚度。采用非接觸法測量薄膜厚度，不會對薄膜造成破壞，擴展了邁克爾遜干涉儀的使用范圍，提高了實用性。改裝電路元器件價格低廉，組裝簡單，對邁克爾遜干涉儀的手動測量與外觀沒有任何影響，促進了光學(xué)教學(xué)實驗儀器的發(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)實驗室與電子電工實驗室提供實驗器材，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)，同時對湖北師范學(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。