基于單片機(jī)改造邁氏干涉儀自動測量微小長度[圖]

摘要：為了能精確地自動測量He-Ne激光波長和透明薄膜厚***，采用單片機(jī)驅(qū)動步***電機(jī)帶動邁克爾干涉儀的微調(diào)手輪轉(zhuǎn)動，使光屏上產(chǎn)生穩(wěn)定變化的干涉條紋，用光電二極管檢測條紋信號光強(qiáng)變化，通過光電轉(zhuǎn)換電路將光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，輸入到單片機(jī)***行處理，測量結(jié)果自動顯示在液晶屏上。在一般實(shí)驗(yàn)環(huán)境下***行了多次實(shí)驗(yàn)，將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)值***行比較得出，改造后的儀器測量微小長***速***快，誤差小，精確***高。

0 引言

薄膜厚***是薄膜性能參數(shù)的重要指標(biāo)，如何準(zhǔn)確、快速、方便地測量膜厚在實(shí)驗(yàn)中具有十分重要的意義。邁克爾遜干涉儀測量激光波長是大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中重要的一部分，實(shí)驗(yàn)時(shí)實(shí)驗(yàn)者手動調(diào)節(jié)微調(diào)手輪，人眼觀察干涉條紋，帶來很多人為誤差，影響測量結(jié)果。為了保護(hù)實(shí)驗(yàn)者視力，提高測量精***，擴(kuò)大測量范圍，同時(shí)促***光學(xué)教學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器的發(fā)展，在研究單片機(jī)的基礎(chǔ)上，對邁克爾遜干涉儀***行了探索和改造。

改造后的邁克爾遜干涉儀在不改變物理學(xué)基本原理的基礎(chǔ)上，增加了電子技術(shù)中的大量元素，使物理學(xué)和電子技術(shù)很好地結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)了對激光波長和薄膜厚***的自動測量。測量簡便、精確***高，有一定的實(shí)用性。

1 系統(tǒng)工作原理

基于單片機(jī)改造的邁克爾干涉儀***行微小長***的自動測量，測量對象為激光波長和薄膜厚***，系統(tǒng)工作原理如圖1所示。

1.1 激光波長測量

使用He-Ne激光作光源，利用光的分振幅干涉法。用步***電機(jī)帶動微調(diào)手輪轉(zhuǎn)動代替手動調(diào)節(jié)，電機(jī)旋轉(zhuǎn)角***對應(yīng)光程差為2△d；光屏上得到的“吞”、“吐”條紋，通過光電轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為脈沖信號，輸入到單片機(jī)***行計(jì)數(shù)(條紋數(shù)N)，代替了人眼觀察條紋計(jì)數(shù)；測量步驟、結(jié)果(波長λ=2△d/N)及相對誤差通過液晶屏顯示，從而實(shí)現(xiàn)波長自動測量。

1.2 薄膜厚***測量

使用白光作光源，利用等厚干涉法。光路原理圖如圖2所示，當(dāng)白光光程差為零時(shí)發(fā)生干涉現(xiàn)象，將光屏上的彩色條紋通過光電轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為脈沖信號，同時(shí)記錄M1的初位置d1；放入薄膜后，光程差增大，彩色條紋消失；電機(jī)帶動M1移動到彩紋再現(xiàn)，記錄M1的末位置d2。用阿貝折射儀測出薄膜折射率n，輸入到單片機(jī)，根據(jù)公式***行處理，即可得到薄膜厚***。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及硬件電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要是在原有物理光學(xué)儀器——邁克爾干涉儀的基礎(chǔ)上增加了電子技術(shù)的設(shè)計(jì)模塊，如圖3所示。模塊包括：單片機(jī)系統(tǒng)、鍵盤控制單元、電機(jī)驅(qū)動電路、光電轉(zhuǎn)換電路和液晶顯示單元。

2.1 光電轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

光電轉(zhuǎn)換電路由兩部分組成，如圖4所示，氦氖激光干涉條紋檢測和白光干涉彩紋檢測，它的作用是把變化的光信號轉(zhuǎn)換為可供單片機(jī)識別的脈沖信號。

2.1.1 激光干涉條紋檢測

該部分由兩個光敏二極管，偏置電阻R1，R2，分壓電阻R3，R4和一個運(yùn)算放大器A1組成。當(dāng)微調(diào)旋鈕轉(zhuǎn)動時(shí)，光屏上會出現(xiàn)圓環(huán)型“吞”、“吐”條紋，一個光敏二極管對準(zhǔn)圓環(huán)條紋正中心，另一個用于檢測背景光，這樣設(shè)計(jì)可以大大減小外界光強(qiáng)的影響，在一般光強(qiáng)下均可測量。光敏二極管對變化的光信號敏感，加上偏置電阻R1和R2后會輸出合適的電信號。分壓電阻R3，R4給運(yùn)算放大器的反向輸入端提供合適的門限電壓，電信號從同向輸入端輸入，當(dāng)高于反向輸入端的門限電壓Um1時(shí)，輸出電壓翻轉(zhuǎn)到電源電壓的正極(+5V)，當(dāng)輸入電壓低于反向端的門限電壓Um1時(shí)，輸出電壓翻轉(zhuǎn)到電源電壓的地(0V)。由此，“吞”、“吐”條紋轉(zhuǎn)換為了脈沖信號。

2.1.2 白光干涉彩紋檢測

該部分由光敏二極管1，偏置電阻R1，放大器A2和門限比較器A3組成。它的原理與激光類似，當(dāng)彩紋出現(xiàn)時(shí)，光強(qiáng)***變化會使光敏二極管1產(chǎn)生微弱的電信號，此信號經(jīng)過放大器A2被放大(放大器的放大倍數(shù)由電阻R6和R7決定)，再經(jīng)過門限比較器A3(門限比較器的門限值由電阻R8和R9確定)，最后轉(zhuǎn)變?yōu)榱嗣}沖信號。

2.2 步***電機(jī)驅(qū)動電路設(shè)計(jì)