基于單片機改造邁氏干涉儀自動(dòng)測量微小長(cháng)度

下面對程序的關(guān)鍵部分進(jìn)行說(shuō)明。
3．1 光電轉換部分的脈沖計數程序設計
用單片機的外部中斷INT0腳檢測光電轉換得到的脈沖信號。當有一個(gè)脈沖的下降沿到來(lái)時(shí)，外部中斷服務(wù)程序執行一次。在中斷服務(wù)程序中設置記錄脈沖個(gè)數的變量mai_chong_ji_shu。在兩次脈沖間隔超過(guò)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(guò)50 ms，說(shuō)明出現了毛刺信號，mai_chong_ji_shu不會(huì )加1，這樣設計可以除去毛刺信號。
3．2 步進(jìn)電機驅動(dòng)及自動(dòng)調速程序設計
驅動(dòng)步進(jìn)電機轉動(dòng)的脈沖信號頻率越大，電機轉速越高，但頻率不能過(guò)大也不能過(guò)小，否則電機都不會(huì )轉動(dòng)。通過(guò)軟件延時(shí)或定時(shí)器中斷的方法可以控制電機的轉速。軟件延時(shí)會(huì )大量浪費CPU資源，所以采用單片機的定時(shí)器0中斷來(lái)驅動(dòng)28BYJ-48型步進(jìn)電機轉動(dòng)，給定時(shí)器0賦不同的初值對應步進(jìn)電機不同的轉動(dòng)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，則運行方式DA-D-CD-C-BC-B-AB-A為
電機反轉，每運行完一個(gè)八拍相當于電機走一步，設計變量motor_step專(zhuān)門(mén)記錄電機的步數，電機正轉變量motor_step加，電機反轉變量motor_step減。motor_step值乘以電機的步長(cháng)值即得到步進(jìn)電機帶動(dòng)邁克爾干涉儀微調旋鈕轉過(guò)的長(cháng)度。

4 實(shí)驗結果與精度分析
4．1 He-Ne激光波長(cháng)測量
采用波長(cháng)為632．8 nm的He-Ne激光器作為光源。在一般實(shí)驗環(huán)境下，經(jīng)過(guò)大量測試，系統均能準確、快速測量出波長(cháng)長(cháng)度，表1是系統一次測量的數據。

系統自動(dòng)測量的最終結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(dòng)測量產(chǎn)生的誤差。
測量誤差主要來(lái)源于△d的測量和條紋計數N。步進(jìn)電機的步進(jìn)值為19．53nm，它比微調旋鈕的最小刻度100nm還要小80．47nm，提高了對△d測量的準確度，因此誤差較小。實(shí)驗過(guò)程中，空氣擾動(dòng)、實(shí)驗桌的碰撞、外界振動(dòng)都會(huì )產(chǎn)生毛刺信號影響光敏二極管對干涉條紋的檢測，產(chǎn)生計數錯誤，從而產(chǎn)生測量誤差。對于較小的毛刺信號，通過(guò)編程進(jìn)行處理，不會(huì )對條紋計數產(chǎn)生大的影響，但對于嚴重的干擾信號，系統無(wú)法處理。系統會(huì )根據測量的結果自動(dòng)判斷實(shí)驗誤差是否在允許范圍內，若不在，將提示重新測量。
4．2 透明薄膜厚度測量
實(shí)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(shí)驗環(huán)境下，對薄膜厚度進(jìn)行了大量的測量，表2所示為測量的一部分數據，其中d1為未插薄膜前彩色條紋出現時(shí)動(dòng)鏡的位置，d2為插入薄膜后彩色條紋出現時(shí)動(dòng)鏡的位置。

從表2數據可以算出，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(lái)源于兩個(gè)方面，△和n的測量。雖然步進(jìn)電機的步進(jìn)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(shí)驗過(guò)程中，外界的干擾以及儀器本身因素都會(huì )影響測量結果。

5 結語(yǔ)
基于單片機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(cháng)和薄膜厚度。采用非接觸法測量薄膜厚度，不會(huì )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(shí)用性。改裝電路元器件價(jià)格低廉，組裝簡(jiǎn)單，對邁克爾遜干涉儀的手動(dòng)測量與外觀(guān)沒(méi)有任何影響，促進(jìn)了光學(xué)教學(xué)實(shí)驗儀器的發(fā)展，具有一定的市場(chǎng)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下，由光學(xué)實(shí)驗室與電子電工實(shí)驗室提供實(shí)驗器材，經(jīng)過(guò)小組成員的共同努力完成。在此特別感謝劉老師的指導，同時(shí)對湖北師范學(xué)院物理與電子科學(xué)學(xué)院和提供過(guò)幫助的老師與同學(xué)致以深切的謝意與祝福。