基于单片机改造迈氏干涉仪自动测量微小长度

1、 图 6 程序流程图 3.2 步进电机驱动及自动调速程序设计 11 驱动步进电机转动的脉冲信号频率越大，电机转速越高，但频率不能过大也不能过小，否则电机都不会转动。 通过软件延时或定时器中断的方法可以控制电机的转速。软件延时会大量浪费CPU资源，所以采用单片机的定时器0 中断 来驱动28BYJ-48型步进电机转动，给定时器0赋不同的初值对应步进电机不同的转动速度。若四向八拍运行方 式A-AB-B-BC-C-CD-D-DA为电机的正转，则运行方式DA-D-CD-C-BC-B-AB-A为电机反转，每运行完一个八拍相当于电 机走一步 ， 设计变量motor_step专门记录电机的步数，电机正转变量m

2、otor_step加，电机反转变量motor_step 减。motor_step值乘以电机的步长值即得到步进电机带动迈克尔干涉仪微调旋钮转过的长度。 11 9 4 实验结果与精度分析 4.1 He-Ne 激光波长测量 采用波长为632.8nm的He-Ne激光器作为光源。在一般实验环境下，经过大量测试，系统均能准确、快速测量出 波长长度，表一是系统一次测量的数据。 表一：激光波长实验数据 条纹数 手动测量 /nm 100 100 100 623.7 628.7 642.0 自动测量 /nm 理论值/nm 633.0216 633.0139 632.0313 632.8 632.8 632.8 手

3、动测量相对误差% 自动测量相对误差% 1.44 0.64 1.45 0.035 0.034 0.121 系统自动测量的最终结果为多次测量的平均值，由表一可以看出，与理论值非常接近，平均误差为0.06%，远 低于手动测量产生的误差。 测量误差主要来源于d 的测量和条纹计数N。步进电机的步进值为19.53纳米，它比微调旋钮的最小刻度100纳 米还要小80.47纳米，提高了对d 测量的准确度，因此误差较小。实验过程中，空气扰动、实验桌的碰撞、外界振 动都会产生毛刺信号影响光敏二极管对干涉条纹的检测，产生计数错误，从而产生测量误差。对于较小的毛刺信号， 通过编程进行处理，不会对条纹计数产生大的影响，但

4、对于严重的干扰信号，系统无法处理。系统会根据测量的结 果自动判断实验误差是否在允许范围内，若不在，将提示重新测量。 4.2 透明薄膜厚度测量 实验选用标准厚度为80µm的透明薄膜作为测试品，用阿贝折射仪测出此薄膜的折射率n=1.4294 78 ，在一般实 验环境下，对薄膜厚度进行了大量的测量，下表二所示为测量的一部分数据，其中d1为未插薄膜前彩色条纹出现时 动镜的位置，d2为插入薄膜后彩色条纹出现时动镜的位置。 表二：透明薄膜厚度数据 d1/mm 29.27834 29.34168 29.25766 d2/mm 29.31338 29.37667 29.29275 =| d2 - d

5、1 |/µm 35.04 34.99 35.09 L=/(n-1/µm 81.6048 81.4785 81.7170 从上表数据可以算出，测试薄膜厚度的平均值为81.6001µm，精度较高（测量薄膜厚度精确到了0.1纳米级） 。测 量薄膜厚度的误差主要来源于两份方面，和n的测量。虽然步进电机的步进值较小，但并不能完全消除对测量的误 差，而是将其大大减小了。薄膜上的灰尘不可避免地影响薄膜的折射率n。实验过程中，外界的干扰以及仪器本身因 素都会影响测量结果。 5 结 语 基于单片机改造后的迈克尔逊干涉仪可以精确、快速、自动测量激光波长和薄膜厚度。采用非接触法测量薄膜

6、 厚度，不会对薄膜造成破坏，扩展了迈克尔逊干涉仪的使用范围，提高了实用性。改装电路元器件价格低廉，组装 简单，对迈克尔逊干涉仪的手动测量与外观没有任何影响，促进了光学教学实验仪器的发展，具有一定的市场前景。 致 谢 本研究在湖北师范学院物理与电子科学学院刘兴云老师的指导下，由光学实验室与电子电工实验室提供实验器 材，经过小组成员的共同努力完成。在此特别感谢刘老师的指导，同时对湖北师范学院物理与电子科学学院和提供 过帮助的老师与同学致以深切的谢意与祝福！ 参考文献 1 陈业仙， 周党培， 关小泉， 伍广胜.一种新型迈克尔干涉仪条纹计数器的设计J.大学物理实验， 2009.09， 22(3： 64

7、-67. 2 姚启钧.光学教程M.第二版.北京：高等教育出版社，2003:36-40 3 刘建静，迈克尔逊干涉仪测波长实验中常见问题分析J.实验科学与技术，2010.2，8(1:30-31. 4 陶振英.在迈氏仪上用白光干涉测量的测量方法J.物理实验，1994.4,15(2:38-41. 5 沈朝晖， 王晶， 马廷钧.用迈克尔逊干涉仪测量单层薄膜的厚度和折射率J.大学物理实验， 1994.3,7(1:34-39. 6 贺水燕，高志峰.白光干涉实验方法探讨J.大学物理实验，2002.12,15(4:2930. 7 黄佐华，何振江.测量薄膜厚度及其折射率的光学方法J.现代科学仪器，2003.18(4,42-44 8 杨修文,石义杰,路素彦.迈克尔逊干涉仪测量薄膜的折射率与厚度J. 郧阳师范高等专科学校学 报,2008.6,28(3:26-27. 9 张毅刚.单片机原理及应用M.北京：高等教