迈克耳逊干涉条纹计数器的研制

吕玉祥，段晓丽

(太原理工大学 理学院，山西 太原 030024)

迈克尔逊干涉实验[1-2]是计算光波波长的重要实验之一。在迈克耳逊干涉仪的观测屏上观察到干涉条纹后，旋转迈克尔逊干涉仪上的细调手轮，干涉条纹便一个一个地涌出或陷入，记录涌出或陷入N个干涉条纹时转盘所移动距离Δd，根据公式

即可计算出光波波长。实验要求连续测量7次，每次移动50个条纹。但由于迈克尔逊干涉仪缺少相配套的自动记录干涉条纹个数的计数装置[3]，操作人员做实验时要求在光线较暗的环境中进行，调节细调手轮的同时用肉眼观察光谱并记录涌出或陷入的干涉条纹数，记录移动的条纹数超过300个，眼睛容易疲劳，导致工作效率低，计算出的光波波长误差较大。为此，研制了与迈克尔逊干涉仪相配套的迈克尔逊干涉条纹自动计数仪，减少了操作人员的工作量，提高了工作效率。

1 系统硬件设计

根据干涉条纹明暗相间的特点，可以将接收到的强弱相间的光信号[4-5]转换为电信号，然后对电信号进行调理放大，经模数转换后最终转换为微处理器可以识别的高低电平，此时对高低电平的计数就是对明暗条纹的计数，其系统原理如图1所示。

1.1 光电转换处理系统

光电转换处理系统由光传感器、信号调理放大构成，最终将光信号变为单片机可以识别的高低电平信号。

图1 系统原理

1.1.1 光接收部分

激光器发出的激光功率约为4 mW，干涉条纹中心光斑直径约为7 mm，光强最强，但光功率约为74μW，衰减严重，且离中心光斑越远，光功率越小，因此对传感器的要求比较严格。本系统所使用的传感器受光面积为0.6 mm×0.6 mm，内部有1个光电二极管阵列，该光电二极管阵列具有精确、线性和可重复的电流转换功能，对紫外和红外波段的光有抑制作用。其特性曲线如图2所示。

图2 特性曲线

由于衰减严重，传感器测得的中心明条纹电流仅有23μA，即使在输出电流源端口接10～50 kΩ的增益电阻，输出电压也只能达到毫安级，单片机并不能识别出高低电平，因此需要对信号进行放大[6-9]。记光信号经过传感器及增益电阻后输出电压为u1，如图3(a)所示。

1.1.2 信号调理放大

本系统所用的放大器采用了直流模拟调制技术，避免了大多数隔离放大器模块所存在的电磁干扰问题。该放大器几乎无需外部元件，利用电位器即可调节放大增益。记放大后输出电压为u2，如图3(b)所示。

放大后的波形不是很规则，所以用NE555集成芯片，组成施密特触发器[10]，对波形进行变换和整形，其中在施密特触发器6管脚的分压电阻相等，输入端的两个阈值电压分别是VT+=2/3 VCC，VT-=1/3 VCC，当u2加到施密特触发器的输入端，波形上升时输出u2，在VT+处翻转，在波形下降时输出u2在VT-处翻转，输入信号变为规则的矩形脉冲，如图3(c)所示。

经过放大整形的高低电平的电压差比较大，在计数时，软件可以灵活设置参考电压Vref。

图3 信号调理放大

1.2 A/D转换及计数显示

信号转换为规则的矩形脉冲后，经过A/D转换为数字信号，送入CPU，最终显示计数值。

A/D转换采用TLC542，该芯片是8位开关电容逐次逼近模拟数字转换器，采用CMOS工艺，允许高速数据传输，每秒采样达40 000次，内部有检测功能，在转换结束时，EOC引脚输出高电平以示转换结束。

计数值用CH451驱动的数码管显示。CH451是一个整合了数码管显示驱动和键盘扫描控制以及μP监控的多功能外围芯片。CH451内置RC振荡电路，提供上电复位和看门狗等监控功能，可以动态驱动8位数码管或者64位LED，具有BCD译码、闪烁、移位等功能。同时，还可以进行64键的键盘扫描，有利于仪器的改进。

2 系统软件设计

程序流程如图4所示，电路接通电源后，对CH451、TLC542初始化，条纹计数变量Count自动清零，设定参考电压(高电平的下界Vrefh及低电平的上界Vrefl)，判别A/D第一次采集的输入电压Vin是否小于Vrefl，延时50 ms，判别第二次采集的输入电压Vin是否大于Vrefh，若两次的输入电压均不满足条件，继续采集;若满足条件，说明低电平跳变到高电平，出现一个上升沿，即有一个暗条纹涌出或陷入，计数器加1，当计数到50时，发出提示音提示操作人员停止旋转细调手轮，记录转盘所移动的距离。

图4 流程图

3 实验数据

实验连续测量7次，每次让条纹涌出或陷入50个，数据用逐差法处理。该计数器的外形设计，使得实验背景环境无论在黑暗状态或日光照射状态下均能正常工作。表1给出了利用该计数器记录条纹个数所测得的几组数据，其中，d0为迈克耳逊干涉仪读数尺上的初始刻度;d1-d7分别为条纹每涌出或陷入50个读数尺上的刻度。利用λ=2Δd/N求出相应的波长。由表1可以看出，测量结果比较精确，其误差主要来源于距离Δd的测量误差。

表1 实验数据

4 结束语

文中设计了基于单片机的迈克耳逊干涉条纹计数器。实验表明，该计数器可以减轻操作人员的视觉疲劳、保护眼睛、减少人为误差、提高测量精度。该计数器具有工作性能稳定、抗干扰能力强、操作简便、能较好地消除背景光的影响等优点。

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