迈克尔逊干涉仪自动计数器的设计

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自动记录干涉条纹数目装置的研制

第２３卷第１期大学物理
实
验
Ｖｏ．３Ｎ０１２．１
Ｆｅ．０１ｂ２０
２１００年２月
ＰＨＹＳＣＡＬＩＥＸＰＥＲＩＥＮＴ０ＦＣ０ＬＬＥＧＥ
文章编号：０７２３（０００ —０３０１０—９４２１）１０６—３
图１光敏二极冒的供电和模数转换电路。
ＲＢ反接高电平，使其失去功能。当电路进行正常工作时，显示数码管将显示被记录的条纹数目。在
关键词：教学实验仪器；克尔逊干涉仪；迈干涉条纹
文献标识码：Ａ中图分类号：３．０４６１
迈克尔孙干涉仪的原理与使用是大学物理实验基础光学部分的重要内容，过该仪器一方面通可以直观了解等倾、厚干涉现象，等另一方面利用该仪器还可以进行一些物体的形变测量。目前在高校普遍开设的借助迈克尔逊干涉仪观察非定域干涉条纹，量激光波长的实验中，测同学们需要一
发生相反的变化。当光敏二极管两端的电压变化范
围达到能够使施密特触发器发生跳变时，在施密特触发器输出端可形成高低电平的变化。本装置使用
自动记录干涉条纹数目装置的研制
的触发器型号是ＨＤ４Ｓ３。７Ｌ１２
立的十进制计数电路进行级联后构成的。片显三示译码器的接地端连接在一起接到计数电路的接
地端ＧＤ上。Ｎ信号输入端Ｄ、Ｄ、３０Ｄ、２Ｄ分别连

新型迈克尔逊干涉仪条纹计数器的设计_敖天勇

2008年 3月郑州大学学报(工学版)Mar 1　2008第29卷　第1期Journal of Zhengzhou University (Engineering Science )Vol 129　No 11 收稿日期:2007-10-07;修订日期:2007-12-24 基金项目:河南大学2007年度教改项目作者简介:敖天勇(1981-),男,河南信阳人,河南大学助教,硕士研究生,主要从事电子信息技术研究,E -mail:tyao12@. 文章编号:1671-6833(2008)01-0052-04新型迈克尔逊干涉仪条纹计数器的设计敖天勇,向　兵(河南大学物理与电子学院,河南开封475001)摘　要:设计了一种能自动适应不同背景光强的新型迈克尔逊干涉仪条纹计数器.利用光敏二极管将条纹的变化转化为电信号并与数控分压电路的输出进行差动放大,经施密特触发器整形后,送入单片机计数并显示.实验证明,本计数器可以适应不同的背景光强和光源光强,具有精确度高、操作简便、适应性强等优点.关键词:干涉条纹;计数器;数控电位器;单片机中图分类号:TP 216 文献标识码:A0　引言迈克尔逊干涉仪测波长实验在大学物理实验中占有重要地位.实验中通常要求实验者连续数几百个“吞”或“吐”的干涉条纹.实验者长时间盯着条纹,眼睛容易疲劳,造成人为误差.因此,为了保护实验者视力,提高测量精度,设计一个使用简便、测量精确的迈克尔逊干涉仪条纹自动计数器有十分重要的意义.实验中,当旋转迈克尔逊干涉仪上的细调旋钮时,观测屏上会有明暗相间的条纹不断“冒出”或“淹没”.经分析,条纹上某一点的光强也是明暗交替变化的,其明暗变化一个周期,恰好对应条纹的一次吞吐.因此可用光敏探测器将某点的光强变化转换成脉冲信号用于记录条纹数.为使操作方便,不应在光敏探测器前设置遮挡外界光线的遮光系统.这样,进入光敏探测器的光线就包括干涉光和背景光.设干涉光强为f (t ),背景光强为g (t ).经光电探测器转换的输出电压V (t )=η[f (t )+g (t )]+V d ,其中η为探测器的转换系数,V d 为探测器的暗电流引起的压降.设V s (t )=η×f (t ),V c (t )=η×f (t )+V d .对于计数系统而言,V s (t )为有效信号,V c (t )为干扰信号.它们的大小会随着光源光强、环境光强、光敏器件的暗电流特性及对准条纹位置的不同而变化[1].例如,实验室内打开日光灯时干扰信号的值比没有开灯时的值大.通常有效信号的变化频率比较低且不固定,而干扰信号V c (t )近似为直流.若该直流成份较大,经过后级放大时,可能使放大器达到饱和状态,无法产生计数脉冲.从前面的分析可知:直流成份需要消除,但不能用交流放大电路或滤波电路来消除.因此需要用差动电路.由于V c (t )是随着使用条件的不同而异,因此用来抵消它的直流成份也须是可变化的[2].这个直流成份虽然可以通过可调电位器提供,但是在每次计数前都需要进行人工校准.这样做非常麻烦而且精确度较差.虽然已有许多关于该类计数器的设计,但都没有考虑背景光强的影响,在实际应用中也只有在严格的使用条件下才能可靠地工作.针对这个问题,笔者制作一种利用数控电位器实现的能够自动适应不同背景光强的新型计数器.1　系统工作原理系统工作原理如图1所示.首先通过光敏探测器将条纹光强变化转换为电信号V s .数控电位器1产生用于抵消干扰信号的直流参考电平V c .V s 与V c 进行差动放大,再通过波形整形电路转换成为TT L 脉冲,送入单片机进行计数.校准时缓慢转动旋钮使条纹不断吞吐,按一下校准键后,系统启动A /D 进行采样并根据其结果调节数控电位器1和数控电位器2,直到产生出合适的参考　第1期敖天勇等　新型迈克尔逊干涉仪条纹计数器的设计53　电平和放大倍数,锁定数控电位器,停止校准并显示校准完毕符号.按一下清零键,系统从零开始重新计数和显示.图1　系统工程原理图F i g .1　W ork i n g pr i n c i ple of syste m2　系统设计2.1　硬件设计该系统硬件由光电转换、信号放大、波形整形、数控分压和单片机控制与显示5个单元构成.光电转换单元、信号放大单元及数控分压单元的电路如图2所示.限于篇幅,只给出部分电路图.下面分别介绍各个单元的设计.图2　光电转换、数控分压及放大电路图F i g .2　Photoelectr i c conversi on,d i g it a l poten ti o m eterand am pli f i er c i rcu it2.1.1光电转换单元该单元由R1、R2及光敏二极管D1构成.由于实验中通常使用的是氦氖激光器,根据光敏器件的波长灵敏度特性,选用光敏二级管作为探测器.R1为限流保护电阻.V s 的变化与接收光强的变化近似成正比.2.1.2　信号放大单元该单元采用的是双端输入单端输出的差动放大电路[3],由运放单元A1、A2、A3、电阻R5～R12及数控电位器U1(X9312W )组成.它的一个输入端接光电转换信号V s ,另一个输入端接数控分压单元的输出V c .其输出V o =R w +R 7+R 8R w ×R 12R 10(V s -V c ),其中R w 是数控电位器U1的阻值,其大小可由单片机调节.因此,放大倍数可变从而能适应不同光源光强.显然,当V c 的值等于V s 中的直流成份时,该电路可以消除V s 掉中的干扰信号.信号V o 近似为正弦信号,它反映了探测器接收光强的变化.该电路具有很高的输入阻抗和抗干扰能力.2.1.3　数控分压单元该单元由数控电位器U2(X9312U )、A /D 及单片机组成.根据A /D 的采样结果调节数控电位器U2的输出V c ,使其能抵消光电转换信号V s 中的干扰信号.电阻R3,R4起到了提高分压精度与限流保护的作用.U2的VW 端的步进电压ΔV =(VH -VL )/99.为了判断V o 的大小及极性,A /D 转换单元采用具有双极性输入的AD574.它工作于±5V 的双极性输入,8位转换的模式下,采用查询方式判断转换结束.2.1.4　波形整形单元由于信号V o 的变化一般比较缓慢而且存在噪声干扰,不能满足数字电路的输入要求.利用NE555构成一个施密特触发器,其低电平的触发电位约为1.6V,高电平的触发电位约为3.2V.信号V o 经它转换成具有TT L 电平的信号V ′o .V ′o 的每一个下跳沿,表示条纹由明到暗的一次变化[4].2.1.5　单片机控制与显示单元波形整形单元的输出V ′o 接单片机AT89C52外部中断I N T0引脚,校准键接外部中断I N T1引脚,清零键接计数器T0引脚.显示部分由总线驱动器74LS245、锁存器74LS574及四位一体的七段数码管组成,采用的是动态扫描显示方案.A /D的CS 、A0及R / C 引脚均通过地址锁存器74LS373与单片机相接,数据线与P0口相接.2.2　软件设计2.2.1　自动校准程序校准功能是利用外部中断I N T1实现的[5].在中断服务程序中调用校准程序.按一下校准键,系统进入中断服务程序,启动A /D 采样V o .校准程序中设置一个记录V o 最大值的变量V max ,一个记录V o 最小值的变量V m in ,记录前两次采样值的变量X 1,X 2,两个长度为8的数组max[8]与m in [8],并设每次采样所得值为X.除V m in 的初始值为0xFF 外,其他变量初始值均为零.校准流程图如图3所示.(1)极大极小值采集.若X >V max ,V max 则的值更新为X,并启动下一次采样.若X ≤V max ,则判断X 1,X 2是否为递增关系.如果是,则先将V max 存入54　郑州大学学报(工学版)2008年数组max 中,然后将V max 清零并启动下一次采样.图3　校准流程图F i g .3　Flow chart of the regul a tor 若X 1,X 2为非递增关系,则接着判断X 是否小于V m in .若X <V m in ,则V m in 的值更新为X,并启动下一次采样.若X ≥V m in ,则需要判断X 1、X 2是否为递减关系,如果是,则先将V m in 存入数组m in 中,然后将V m in 置为0xFF 并启动下一次采样.直到两个数组均存满时,分别计算两个数组的平均值V max 和V m in ,以及数组max 中的最小值V max_m in 和数组m in 中的最大值V m in_max .计算V max 与V max_m in ,V m in 与V m in_max 的百分比误差.若误差不超过20%,则表示采样有效,否则重新采集数据[6].(2)判断是否满足要求.若有V max_m in >3.5V 0<V m in_max <1V ,则显示校准完毕符号,退出校准状态.否则,进行(3)中的算法调整放大倍数和参考电平.(3)调节调整放大倍数和参考电平.若是第一轮调节,则先将数控电位器U1、U2的阻值分别设置为特定初始值R w 0、R c 0,然后调用极大极小值采集函数,重新获取数据.否则就利用上一轮的阻值进行计算.设此时的放大倍数为A 0,参考电平为V c 0,则有V max_m in =A 0(V in_max -V c 0)(1)V m in_max =A 0(V in_m in -V c 0)(2)3.5=A 1(V in_max -V c 1)(3)1=A 1(V in_m in -V c 1)(4)其中公式(3)、(4)是我们期望得到的结果.通过上面4个式子可以求出A 1及V c 1,进而可以求出此时需要设定的电阻值以及设置数控电位器的控制时序.即有ΔV c =C v /1-V c 0=(3V m in_max -V max_m in /A 0(5)ΔR w =R w 1-R w 0=　(V max_m in -2V m in_max )×(R w 0+R 7+R 8)×R w 0(R w 0+R 7+R 8)-R w 0×(V max_m in -2V m in_max )(6)利用ΔV c 的正负性控制U2的滑动方向,利用不小于其绝对值与电压步进值ΔV 的商的最小正整数控制U2步进个数,即先计算出N =「ΔV c /ΔV ,然后置U2的CS 端为低电平.若ΔV c 为正,则置U /D 端为高电平,否则置为低电平.再在I N C 端产生N 个下跳沿,最后将当前位置锁存[7].同理,利用ΔR w 的正负性与大小控制U1的调节.计算出M =「ΔR w /ΔR 后,置U1的CS 端为低电平.若ΔR w 为正,则置U /D 端为高电平,否则置为低电平.再在I N C 端产生M 个下跳沿后,将当前位置锁存.调整结束后,再次采集判断,直到满足V max_m in >3.5V 且0<V m in_max <1V,这时显示校准完毕符号,退出校准状态.2.2.2　计数与清零当有一个脉冲的下跳沿到来时,就进入I N T0中断服务程序一次.在该中断服务程序中设置有记录脉冲个数的变量X.每进入中断服务程序一次,X 加1.清零功能是利用定时器/计数器T0实现的.设T0为计数模式,其初始值为FFFFH.当按下清零键,计数器T0就会产生中断,并将变量X 清零,这样计数初始值和显示均变为零.3　测试结果及分析经过多次实际测试,在背景光照度从0.1lx到998lx 的范围内,该计数器均能准确地记录吞吐的条纹数,并且与人工观测到的吞吐条纹个数完全一致,误计率为0.即至少在背景环境从黑暗状态到有日光灯照射及有室外光线漫射进入的状态下,该计数器均能正常工作.表1给出了利用该计数器记录条纹个数时,测得的几组数据.其中D1、D2分别为计数时迈克尔逊干涉仪读数尺上的初始刻度和结束刻度.利用λ=(2×Δd )/D 求出相应的波长.由表1可以看出,测量结果相对来说非常精确,其误差主要来源于距离Δd 的测量误差.随着记录个数的增加而相对误差变小,这是因为距离测量相对误差变小.使用该计数器一方面可以减轻实验者的视觉疲劳,保护眼睛,另一方面可以减少人为误差,而且还可以节省实验时间,以便通过多次测量进一步提高测量精度.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.　第1期敖天勇等　新型迈克尔逊干涉仪条纹计数器的设计55表1　实验数据Tab.1　Exper i m en t a l da t aD1/c m D2/c m△d/mm条纹数N/个λ实验值/n mλ理论值/n m相对误差/‰35.5242535.555930.0316*******.6632.81.3034.4774034.540720.06332200633.2632.80.6036.6849536.590010.09494300632.9632.80.16参考文献:[1]　刘芳元.关于迈克尔逊干涉条纹的理论分析[J].中南工学院科技通讯,1995,11(1):33-35.[2]　王守权,张绍良,张　薇.干涉条纹计数器的研制[J].长春邮电学院学报,2000,18(2):55-58. [3]　谢自美.电子线路设计・实验・测试[M].武汉:华中科技大学出版社,2006:32-33.[4]　陈本永,吴晓维,李达成.一种新型的干涉条纹软件计数方法及其实现研究[J].传感技术学报,2004,(9):371-374.[5]　陈光东.单片微型计算机原理及其C语言程序设计[M].武汉:华中科技大学出版社,2004:109-158.[6]　BARONE F,C ALLON I E.Fringe-counting tech2nique used t o l ock a sus pended interfer ometer[J].App lied Op tics,1994,(3):1194-1197.[7]　I ntersil Americas I nc.D igitally Contr olled Potenti ome2ter[E B/OL]/data/fn/fn8176.pdf,2005-03-15.The D esi gn of a Novel Fr i n ge Coun ter for M i chelson I n terferom eterAO Tian-yong,X I A NG B ing(School of Physics and Electr onics,Henan University,Kaifeng475001,China)Abstract:A novel counter for fringes of M ichels on interfer ometer is designed,which can adap t aut omatically t o different degress of illu m inati on intensity of backgr ound.A phot osensitive di ode transf or m s the changes of fringes int o electric signal.The signal and the out put of the digital potenti ometer are differential a mp lified by a differential a mp lifier.A Schm itt trigger transf or m s the out put of the a mp lifier int o pulseswhich are counted and shown by a single chi p m icr ocomputer.It has been p r oved that the counter can be used in circum stances of different illu m inati on intensity of backgr ound and la mp-house.The counter has many advantages,such as high accuracy,easy operati on and wide adap tability.Key words:interference fringe;counter;digital potenti ometer;single chi p m icr ocomputer(上接第30页)Research on the A ttr iti on I n terface of S i C/Cu Com positeF AN B ing-bing,HOU Tie-cui,L IU Rui-yu,L I Kai,WU Yue-s ong,ZHANG Rui(School of Material Science and Engineering,Zhengzhou University,Zhengzhou450001,China)Abstract:Nanoscale Si C/Cu composite particles were p repared with the heter ogeneous p reci p itati on method. Si C/Cu composite material was obtained by hot2p ressing.The wear experi m ent was carried out at400℃.XRD was used t o characterize the phase of hot2p ressed composite before and after the wear test.SE M techniques were used t o observe the mor phol ogy of the wear track and the p r opagati on of cracks in the wear traces.The results indicated that,under the experi m ental conditi on,the phase of fricti on interface changed.The content of Cu2O increased and Cu O appeared.W ith the circulati on l oad increase,the crack was observed,and it car2 ried on al ong the Si C/Cu interface.W hile the existence of Si C particles,which will p revent the crack expan2 si on,is advantage ous t o enhance the wear resistance of the co mpound material greatly.Key words:Si C/Cu;composite;attriti on interface;crack expansi on。

迈克尔逊干涉仪自动计数器的设计

迈克尔逊干涉仪自动计数器的设计迈克尔逊干涉仪是一种常用的光学实验仪器，用于测量光波的干涉现象。

为了提高测量的准确性和效率，设计一种自动计数器来替代传统的手工计数方式，将大大提升实验仪器的使用便捷性和数据采集的精确度。

一、引言迈克尔逊干涉仪是基于干涉原理的光学仪器，通过将光束进行分离再合并，利用干涉条纹的移动来测量波长、折射率等光学参数。

而在传统的使用过程中，人工记录干涉条纹的移动并进行计数，不仅费时费力，还容易出现误差。

因此，设计一种自动计数器来实现干涉仪的自动计数是非常必要的。

二、设计方案为了实现迈克尔逊干涉仪的自动计数，我们可以采用以下设计方案：1. 光学系统设计在设计自动计数器之前，首先需要对传统的迈克尔逊干涉仪进行改进，以适应自动计数器的运行。

例如，可以引入光学衰减器，使得干涉条纹的亮度合适，便于光电二极管的检测和计数。

2. 光电二极管检测自动计数器的核心部分是光电二极管，它能够将光信号转化为电信号，并通过电子元器件进行信号放大和处理。

在迈克尔逊干涉仪中，光电二极管可以采集到干涉条纹的信号，并通过放大电路转换为适合计数的电信号。

3. 计数电路设计自动计数器需要设计合适的计数电路，用于接收光电二极管的信号并进行计数。

计数电路可以根据实际需求选择合适的芯片或模块，如计数器芯片或可编程逻辑器件等。

4. 数码显示为了方便实验人员读取计数结果，可以设计一个数码显示屏，将计数结果以数字形式展示出来。

数码显示屏可以直接与计数电路相连，通过显示驱动电路将计数结果显示出来。

三、工作流程设计完毕后，自动计数器的工作流程如下：1. 设置基准位置对干涉仪进行基准设置，使得初始状态下的干涉条纹处于参考位置。

可以使用调节装置，进行微调和校准，使得干涉条纹清晰可见。

2. 信号采集与处理光电二极管接收干涉条纹的光信号，将其转化为电信号。

这个电信号经过电子元器件的放大和滤波处理，在计数电路中产生可用于计数的脉冲信号。

3. 计数与显示计数电路接收到脉冲信号后，进行计数操作，并将计数结果传递给数码显示屏进行显示。

迈克尔逊干涉仪自动测量系统设计

第29卷第6期2016年12月大学物理实验PHYSICAL EXPERIMENT OF COLLEGEV〇1.29No.6Dec.2016文章编号：1007-2934(2016)06-0069-04迈克尔逊干涉仪自动测量系统设计刘恒洲，喻秋山，胡远强，张剑(长江大学，湖北荆州434023)摘要：迈克尔逊干涉仪能够演示多种光的波动现象，也在众多的光学领域内有着实际应用。

项目以STC89S52单片机为核心，以步进电机为驱动源，以双PIN光电二极管为光电转换元件，以差动运算放大器OPA129和滞回比较器LM339组成滤波、整形电路，结合多重减震措施，设计出一套迈克尔逊干涉仪自动测量装置。

该装置拥有自动计数和测距的功能，具有交互界面友好、操作简单、测量精准等特点，能适用于各种迈克尔逊干涉仪的应用场合。

关键词：迈克尔逊干涉仪;干涉纹样；自动测量装置;设计中图分类号：O436 文献标志码：A D0l:10.14139/22-1228.2016.006.017迈克尔逊干涉实验能直观地反映光的干涉现象，是光学经典实验之一。

迈克尔逊干涉仪具有结构简单、光路清晰、测量精度高等特点,在测量光波波长、介质折射率、微小位移变化等领域内有着广泛的应用。

但基于传统迈克尔逊干涉仪的实验中，需人工对快速“吞/吐”的干涉纹样进行观察和计数，观测过程中眼睛需长时间紧盯接收屏上的纹样明暗变化次数，非常容易造成视觉疲劳, 从而漏记或多记条纹移动数量,增大实验误差，且该操作的简单重复会耗费学生大量的时间和精力，并降低其对实验原理理解的深入和研究兴趣[1]。

鉴于人工测量方法所带来的诸多不足，我们以STC89S52单片机为核心研制了一款能够自动精确检测并记录条纹移动数量、反射镜移动距离的迈克尔逊干涉实验装置。

该装置不仅可大幅提高实验效率，还可减少测量误差和提高实验数据测量精度,有益于学生更好地将重点放在对光路组成、干涉原理和应用的学习上，加强对光波干涉条件和形成特性的理解。

迈克尔逊干涉仪自动计数器的设计_毛巍威

Computer Knowledge and Technology 电脑知识与技术计算机工程应用技术本栏目责任编辑：梁书第8卷第34期(2012年12月)迈克尔逊干涉仪自动计数器的设计毛巍威，李永涛，包刚，李兴鳌，徐凯臣，杨运升（南京邮电大学，江苏南京210046）摘要：该文介绍了一种迈克尔逊干涉仪自动计数器的设计与应用。

该计数器通过比较光敏电阻和阈值来采集干涉条纹的变化，同时产生与明暗条纹相对应的电脉冲，再通过单片机来计数并显示。

结构简单,具有较好的实用性,并且实验人员测量时可以从烦琐的读数工作中解脱出来。

实验测试结果显示，该装置改善了人工计数引起的一些问题，降低了测量产生的误差，提高了实验结果的精确度。

关键词:迈克尔逊干涉仪；计数器；干涉条纹；单片机；光敏电阻中图分类号：O4-333文献标识码：A 文章编号：1009-3044(2012)34-8308-03The Design of Automatic Counter for Michelson InterferometerMAO Wei-wei ，LI Yong-tao ，BAO Gang ，LI Xing-ao ，XU Kai-chen ，YANG Yun-sheng(Nanjing University of Posts and Telecommunications,Nanjing 210046,China)Abstract:The design and applications of automatic counter for Michelson interferometer are presented.The photoconductive re⁃sistance and thresholds comparator are used in the device to collect the interference stripes,producing the electric impulses corre⁃sponding to the light and dark stripes.The electric impulses are counted and displayed by the microcontrollers.The device for theexperiment has a simply structure,good accuracy and may leave the operator from trivial counting works.Based on the data ofexperiment,problems of manual count can be solved,measurement error be reduced,thus the accuracy of the experiment im⁃proved.Key words:Michelson interferometer;counter;interference stripe;microcontrollers;photoconductive resistance1概述在大学物理实验教学中,迈克尔逊干涉实验是经典光学实验之一，它能够直观地反映光波的干涉现象，同时可以计算光波波长。

一种新型迈克尔逊干涉仪条纹计数器的设计

圈３施密特触发鼍
地记录吞吐的条纹数，并且与人工观？贝４到的吞吐条纹个数完全一致，误计率为０，表１给出了利用该计数器记录条纹个数时，测得的几组数据。其中Ｄ１、Ｄ２分别为计数时迈克尔逊干涉仪的初始读数和结束读数，利用Ａ＝（２×Ａｄ）／Ｎ求出相应的波长。由表１可以看出，测量结果非常精确。其误差主要来源于距离△ｄ的测量误差。随着记录个数的增加而相对误差变小，这是因为距离测量相对误差变小。
要设计了一种简便的能自动适应不同背景光强的新型迈克尔逊干涉仪条纹计数
器。利用光敏电阻将条纹的变化转化为电信号，同时检测出背景光，并利用减法器去掉背景，经施密特触发器整形后。送入单片机计数并显示。实验证明，本计效器原理简单，可以适应不同的背景光强，具有精确度高、操作简便可靠等优点。关键词迈克尔逊干涉仪；干涉条纹；计数器；单片机
收稿日期：２００９—０２—１８
－———６４・・一
万方数据
的阻值，从而改变差动放大器的放大倍数的方法来去除背景光的干扰，达到了较好的目的。但由于数控电阻要用到ＡＤ转换等，软硬件设计上较为复杂，成本较高。本文利用同型号的两只光敏电阻．一只用于把干涉条纹的变化转变为电信号，一只用于检测背景光的干扰信号，省去了数控电阻的调节部分。
光强为ｇ（ｔ）。经光电探测器转换的输出电压Ｖ（ｔ）＝以．厂（ｔ）＋ｇ（ｔ）］＋馏，其中＇７为探测器的转换系数，馏为探测器的暗电流引起的压降，设Ｖｓ（ｔ）砑×ｆ（ｔ）Ｖｃ（ｔ）＝叩×．厂（ｔ）＋
附，对于计数系统而畜’，ｈ（ｔ）为有效信号，％（１为干扰信号。它们的大小会随着光源光强、环境光强、光敏器件的暗电流特性及对准条纹位置的不同而变化【２ｊ例如实验室内打开
中圈分类号：０４—３３
文献标识码：Ａ
Ｏ引离
迈克尔逊干涉仪测激光波长实验在大学物理实验中占有重要地位１１ｊ。实验中通常要

迈克尔逊干涉环自动计数装置设计_赵忠伟

收稿日期:2009-09-29基金项目:科学创新课题(090415215)作者简介:赵忠伟(1986-),男,河北保定人,硕士研究生,研究方向为光学工程.陈鹏(1987-),男,四川南允人,研究方向为光电工程.#测试与试验#迈克尔逊干涉环自动计数装置设计赵忠伟,陈鹏,孙中涛,程玉宝(合肥电子工程学院,安徽合肥 230037)摘要:针对迈克尔逊干涉仪实验需要人工计数干涉环的问题,研制了一种干涉环自动计数装置.该装置运用光电传感和阈值比较的方法,采集干涉环,产生与明暗环纹相对应的电脉冲,由单片机计数并显示.为滤除电路噪声产生的干扰脉冲,在软件中使用了延时技术,提高了计数的准确性.实验结果表明:该装置计数精确,简单实用,可为此项实验提供方便.关键词:迈克尔逊干涉仪;干涉环计数;装置设计中图分类号:O 433;TP 391.44 文献标识码:A 文章编号:1673-1255(2009)06-0036-03Design of Michelson Interference Ring Auto -Count DeviceZHAO Zhong -wei,CH EN Peng,SU N Zhong -tao,CHENG Yu -bao(H ef ei Electr onic Engineer ing I nstitute,H ef ei 230037,China)Abstract:Aiming at the fact that the M ichelson c s interferometer needs artificial counting the interferencerings,a kind of interference ring auto -count device is designed.T he optoelectronic sensor and thresholds com -parator are used in the device to collect the interference ring,producing the electric impulses corresponding to the light and dark fringes.T he electric im pulses are counted and displayed by the m icrocontrollers.In order to el-i minate the interfering impulses generated by circuit noise,the delay technology of is used in the softw are,w hich improves accuracy of pulse counting.T he experimental result show s that the dev ice is accurate and feasible for M ichelson interference ex periment.Key words:M ichelson c s interferometer;interference ring counting;device design 目前,许多高校的光学课程都开设迈克尔逊干涉实验,因为它能直观地反映光波的干涉现象[1],对光波干涉特性的学习和理解有着极其重要的作用.而实验中所使用的迈克尔逊干涉仪,需要人工对快速移动的干涉环进行计数,使得计数不太准确,容易造成实验误差.为了方便实验,提高精度,需要改进实验装置.在科技发明创造活动中,研制了一种迈克尔逊干涉环自动计数装置.1 迈克尔逊干涉仪的原理迈克尔逊干涉仪的光路图如图1所示[2],P 1和P 2是2块厚度和折射率均相同且彼此准确平行的玻璃片,M 1、M 2是垂直放置的2个平面反射镜,并图1 迈克尔逊干涉仪的光路图第24卷第6期2009年12月光电技术应用ELECT R O-OPT IC T ECHN OL OGY A PPL ICA T IONVol.24,No.6December.2009与P 1和P 2成45b 角.来自光源的光波经P 1反射和透射分为1、2两束光,分别经M 1、M 2反射后,在经P 1的反射和透射而共同进入观察系统.观察系统对干涉场调焦,可看到干涉条纹.调节M 2使h 变化.h 增大时,同心圆不断向外扩展,两亮环之间的间隔变小,看上去条纹变细变密;h 减小时,同心圆不断向内收缩,条纹变粗变稀.通过数圆心的亮、暗变化,可得圆环的个数.2 装置设计2.1 硬件设计迈克尔逊干涉环自动计数装置设计框图如图2所示.在迈克尔逊干涉仪产生的圆环中心使用光信号采集电路,将圆环中心的每一次明、暗变化,转换为一个电脉冲信号,输送到单片机AT89S52[3]的中断端口INT 1.由单片机的中断程序滤除抖动(即噪声干扰)后对电脉冲计数,并在数码块上显示.图2 装置设计框图数码显示采用四位七段数码管,由译码器74LS138和三极管控制,进行动态扫描显示.显示的数值为单片机输出的BCD 码,它由74LS47实现BCD-七段显示译码的转换.总体硬件电路原理图如图3所示.圆环中心的明暗变化由光敏电阻[4]来探测,光信号采集电路图如图4所示.圆心亮时,光敏电阻的阻值变小,比较器LM339正输入端的电位变低,小于负输入端的电位,输出低电平;圆心暗时,反之,输出高电平.因此,圆环中心的每一次明暗变化,将被转换为一个电脉冲.通过计数电脉冲,则得到移动的干涉环数.图3 硬件电路原理图图4 信号采集电路图为了方便人机交互,配置了小键盘,实现装置复位、自检、开始计数和设置数值等功能.为简化电路,采用可编程逻辑器件GAL16V8来执行各按键的/与0操作和自检中的逻辑运算.37第6期赵忠伟等:迈克尔逊干涉环自动计数装置设计2.2 软件编程该装置软件包含自检、计数、显示、键盘响应、数值设置、数值比较、中断处理等子程序.一旦开始计数,当光敏电阻探测到干涉环圆心变亮时,比较器输出低电平,传送到单片机中断INT 1的引脚P3.3上,则产生中断.单片机执行中断子程序,其流程如图5所示.图5 中断处理子程序流程图中断子程序并不是简单地进行脉冲计数,而是采用图5所示的判断)延时)再判断)再延时的流程,滤除背景和电路噪声产生的电脉冲的干扰.具体图6 软件流程框图思路是:当检测到P3.3口输入为低电平时,延时去抖动后仍为低电平,等待P3.3口变为高电平,再经过延时判断,若P3.3口仍为高电平,才确认输入脉冲为有效信号,设置脉冲有效标志,由主程序计数.否则,脉冲无效,认为是噪声干扰,不予计数,直接中断返回,等待下一次中断.延时时间的确定,需要反复实验,是去除干扰的关键所在.一般设为最小脉冲宽度的一半.为了丰富装置的功能,可通过键盘设置该装置的工作模式.一种是直接计数,即正向计数;一种是预先设置计数值,反向计数,一直计到0为止.图6是软件的主流程框图.2.3 实物制作这次创新活动制作的计数装置实物如图7所示,所用的主要电子元器件及其功能见表1.图7 计数装置实物表1 主要元器件清单名称型号作用单片机AT 89S52监控处理四位数码管L ED 显示数据可编程逻辑器件GA L16V 8D 逻辑实现四线七段译码器74L S47段码译码3-8译码器74L S138位码译码比较器L M 339产生脉冲光敏电阻CDS 采集光信号晶振6M工作频率3 实验结果装置使用光敏电阻采集光信号,所以,实验时要求背景光较低.如果在夜晚关灯的情况下进行实验,效果最好.表2是使用本装置进行多次实验后的数(下转第50页)4结束语系统具有质量轻和便携的特点,适合携带和外场测试.采用标准的数据采集模块,具有配置灵活,扩展性好的特点,不仅可以配置各类热电偶传感器,又可通过NI cDAQ9172(带有8个C系列数据采集模块插槽)进行扩展,增加其他的温度采集模块,满足更多通道的温度测试及数据采集的需求.基于系统可实时监测被测对象温度的功能,可加入相应的控制功能,以实现系统的闭环测控,在现有程序基础上,利用LabVIEW可实现快速二次开发集成,极大地提高开发效率,缩短系统的开发周期.参考文献[1]N I92114-Channel T hermocouple Input M odule Operat-ing Instructions And Specifications.[2]杨乐平,李海涛,杨磊.L abV IEW程序设计与应用[M].2版.北京:电子工业出版社,2005.[3]秦树人.虚拟仪器[M].北京:中国计量出版社,2004.[4]黄剑平.基于LabV IEW的激光器斜率效率自动测试系统[J].光电技术应用,2007,22(4):1-4.[5]刘伟,申焱华.基于虚拟仪器的热电偶温度测试与分析系统[J].自动化仪表,2007,28(3):65-69.(上接第38页)据记录.由表2可知:实验装置计数精准,达到了预期效果.表2实验计数比较实验次数12345人工计数1258136170195装置计数001200580136017001954结束语设计的装置不仅可以实现对迈克尔逊干涉环的吞吐移动进行计数,也可以用于斩光器的斩光频率的测定.虽然原理简单,但用途广泛,具有良好的开发价值.参考文献[1]贺秀良.大学基础实验[M].北京:国防工业出版社,2005:240-245.[2]赵凯华,钟锡华.光学[M].北京:北京大学出版社,1982:310.[3]高卫东,辛友顺,韩彦征.51单片机原理与实践[M].北京:北京航空航天大学出版社,2008:118-124. [4]缪家鼎,徐文娟.光电技术[M].杭州:浙江大学出版社,1994:103-111.简讯美国继续发展量子级联激光器美国5西部防务62009年11月10日报道:美国Pranaly-t ica公司赢得美国陆军小型企业技术转让项目合同,继续提高量子级联激光器(Q CL)的性能.Pranaly tica公司是国防高级研究计划局的有效中红外激光器项目的总承包商,该公司在项目第一阶段开发出了功率为3W的室温Q CL,可发出4.6L m的激光.最大电光转换效率可达13%.据Pranalytica公司总裁介绍,其在国防部高级研究计划局的有效中红外激光器项目中将使用最先进的QCL设计和封装工艺,以大大提高Q CL在其他波长的性能.小型企业技术转让项目的最终目标是将Q CL的工作性能从4.6L m扩展到3.5~4.2L m和8~12L m波段.第二阶段目标实现后,将可获得能发出3.8~4.2L m和8~12L m激光的高功率、高效率QCL.主要应用领域包括:自由空间光通信、激光探测和测距、差分吸收激光雷达、远距离气体感知和无创医学诊断.Pranalytica公司近日还推出了一系列高功率全套的室温连续QCL系统(1W、1.5W和2W).这些系统尺寸小、质量轻、功耗低、可靠性好、成本低,可广泛用于各种军用及民用系统中.(徐世录提供)。

基于单片机的迈克耳孙干涉仪自动计数装置

２１００年第２期
物理通报
物理实验教学
基于单片机的迈克耳孙干涉仪自动计数装置
付喜锦李本印
（东学院物理与电子工程学院甘肃庆阳７５０）陇４００
摘要：用Ａ８Ｃ１片机，迈克耳孙干涉仪设计了干涉条纹自动计数装置．程序来控制计数和步进电选Ｔ９５单为用
由此式和迈克耳孙干涉仪（Ｍ一１０型）ＷＳ０的读数结构可知，的数值由机体侧面的 “ 米刻度 △ｄ毫尺” 最小读数１ｍ）拖板“ 调手轮 ” （ｍ、粗标尺（最小读数１×１－０２ｍｍ） “ 调手轮 ”标尺（小读数１× 和微最１Ｉ０４ｍｍ）三者之和来确定，Ａｄ每改变一个，有就
量 △ ｄ内“ 出”或 “ 涌陷入 ”的干涉条纹个数 Ⅳ，能就
计算出单色光波长２
＝
１０型）克耳孙干涉仪观察等倾干涉条纹，量激０迈测光波长时，要记录５０个条纹，能满足实验要需０才
—
５１ —
２１００年第２期
物理通报
物理实验教学
向转动 “ 微调手轮 ” 正确读取三者数值即可． Ⅳ值而是实验者观察到干涉圆环条纹 “ 出 ” “ 涌或陷入 ”的个数，至少５需组数据，组数据至少记录“ 出” 每涌或 “ 陷入 ”干涉条纹１０条．０转动 “ 调手轮 ”不均匀或微观察不仔细，均会造成较大的实验误差．因此，设计

迈克尔逊干涉环纹自动计数系统设计

第３３卷第４期大学物理实验Ｖｏｌ.３３Ｎｏ.４２０２０年８月ＰＨＹＳＩＣＡＬＥＸＰＥＲＩＭＥＮＴＯＦＣＯＬＬＥＧＥＡｕｇ.２０２０收稿日期:２０２０￣０４￣２３基金项目:江苏省现代教育技术研究２０１９年度立项课题(２０１９￣Ｒ￣７２７２９)文章编号:１００７￣２９３４(２０２０)０４￣００２４￣０５迈克尔逊干涉环纹自动计数系统设计吴文娟１ꎬ李致金２(１.南京林业大学理学院ꎬ江苏南京㊀２１００３７ꎻ２.南京信息工程大学人工智能学院ꎬ江苏南京㊀２１００４４)摘要:迈克尔逊干涉实验中ꎬ需对数量众多的干涉环纹进行计数ꎬ人工测量时容易出现错数的情况ꎮ考虑到明暗条纹的色差很大ꎬ可利用色差的变化区别明暗条纹ꎮ本文设计了基于ＴＣＳ３２００Ｄ色度传感器的检测方法ꎬＴＣＳ３２００Ｄ将明暗条纹转成频差很大的频率信号ꎬ测试系统检测一定时域内信号频率的变化ꎬ即可自动计数明暗条纹ꎮ该方法设计简单㊁响应快速㊁计数准确ꎮ在大学物理实验中具有一定的实用性ꎮ关键词:迈克尔逊干涉ꎻ条纹计数ꎻＴＣＳ３２００Ｄꎻ色差中图分类号:Ｏ４￣３３文献标志码:ＡＤＯＩ:１０.１４１３９/ｊ.ｃｎｋｉ.ｃｎ２２￣１２２８.２０２０.０４.００６㊀㊀迈克尔逊干涉实验作为一个经典的光学实验ꎬ光路清晰简单ꎬ能够直观的反映光的干涉现象ꎬ并在测量光波长方面具有很高的精确度ꎬ所以很多高校都开设了该实验ꎮ实验中通常要求实验者在光线较暗的环境中连续数几百个吞或吐的干涉条纹ꎬ每计数５０或１００个干涉条纹数目ꎬ读一次平面镜位置ꎬ至少读１０次ꎮ这样连续数５００或１０００个条纹ꎬ眼睛极易疲劳ꎬ容易数错ꎮ目前ꎬ针对迈克尔逊干涉实验手动计数的不足ꎬ文献[１￣５]设计了基于光敏电阻的迈克尔逊干涉条纹自动计数系统ꎮ迈克尔逊干涉明暗纹引起光敏电阻阻值的变化ꎬ光敏电阻阻值变化转换成电压变化ꎬ系统对电压信号进行模数(Ａ/Ｄ)转换ꎬ从而测出明暗条纹ꎬ并自动计数ꎮ光敏电阻阻值变化有一定的响应时间ꎬ当手轮转动速度较快时ꎬ就会影响测量的精度ꎮ实验中条纹明暗变化是连续的ꎬ也就是光敏电阻阻值变化是连续的ꎬ判断明暗条纹的电阻阈值很难确定ꎬ同时光敏电阻阻值随温度变化也会变化ꎬ因此ꎬ该系统在实用中有一定的局限性ꎮ文献[６]设计了采用光电二极管检测迈克尔逊明暗条纹ꎬ该系统明暗条纹的电阻阈值很难确定ꎬ因此ꎬ实际使用中还是有局限性ꎮ文献[７]基于面阵ＣＣＤ摄像头迈克尔逊干涉环自动计数系统ꎬ文献[８]设计了基于ＰＡＳＣＯ科学工作室和ＭＡＴＬＡＢ编程法实现迈克尔逊干涉条纹的计数ꎬ系统设计成本高ꎬ操作麻烦ꎬ实用性不强ꎮ本文考虑到迈克尔逊干涉实验中ꎬ以发射红光的Ｈｅ￣Ｎｅ激光器为光源ꎬ干涉环纹为红黑相间的条纹ꎬ接收屏上光强发生明暗交替变化时ꎬ对应红黑颜色交替变化ꎮ因此可以把颜色传感器作为探测器ꎬ将圆心处的明暗条纹变化转换成脉冲信号来记录条纹数量的变化ꎮ１㊀迈克尔逊干涉仪实验原理迈克尔逊干涉仪的光路如图１所示ꎮ以Ｈｅ￣Ｎｅ激光器为光源发射出红色激光ꎬ光束照射到下表面镀了半透半反射膜的分化板Ｇ１上被分成了光强近似相等的反射光和透射光ꎬ它们分别射向平面镜Ｍ１和Ｍ２并被反射回来ꎬ在光屏Ｅ处相遇发生干涉ꎬ形成明暗(红黑)相间的环形条纹(如图２)ꎮ图１　迈克尔干涉仪的光路图转动微调螺旋调节Ｍ２的位置使ｄ变化ꎬ光屏上就不断吞吐出明暗环纹ꎮ干涉条纹圆心的光程差近似等于２ｄꎬ当ｄ逐渐增加时ꎬ干涉圆环一个个从中心向外冒出ꎻ当ｄ逐渐减小时ꎬ干涉条纹在圆心处一个个逐渐减小直到消失ꎮ从数量上看ꎬ如果ｄ减小或增加半个波长时ꎬ光程差就减少或增加一个整波长λꎬ对应的就有一个圆环条纹在中心消失或在中心冒出 ꎬ在实验中数出变化的条纹个数Ｎ并读出Ｍ２的位置变化量Δｄꎬ就可以求出光波波长:λ＝２Δｄ/Ｎ.图２㊀干涉环纹２㊀自动计数系统设计根据迈克尔逊干涉的实验原理ꎬ以发射红光的Ｈｅ￣Ｎｅ激光器为光源ꎬ转动迈克尔逊干涉仪的微调旋钮时ꎬ接收屏上会有明暗相间的条纹变化ꎬ条纹圆心处光强也是明暗交替变化的ꎬ明暗变化一个周期ꎬ对应颜色红黑变化一个周期ꎬ正好对应条纹的一次吞或吐 ꎮ因此可以把颜色传感器作为探测器ꎬ将圆心处的明暗条纹变化转换成脉冲信号ꎬ这样可以记录条纹数ꎮ我们设计的装置系统包括:(１)ＴＣＳ３２００Ｄ颜色传感器数据采集电路ꎻ(２)１２８６４液晶显示电路ꎻ(３)与上位机通信电路ꎻ(４)键盘控制电路ꎻ(５)上位机管理软件ꎮ系统设计框图如图３所示ꎮ图３㊀系统设计框图本系统采用新唐Ｎ７６Ｅ６１６微控制器为主控芯片ꎮＮ７６Ｅ６１６提供丰富的外设ꎬ两个１６位定时/计时器ꎬ多个Ｉ/Ｏ口ꎬ最大１８０段的ＬＣＤ驱动ꎬ两个全双工的ＵＡＲＴꎮ２.１㊀ＴＣＳ３２００Ｄ颜色传感器[９]ＴＣＳ３２００Ｄ是一款全彩的颜色检测器ꎬ能在一定范围内检测和测量几乎所有的可见光ꎮ通常所看到的物体颜色ꎬ实际上是物体表面吸收了照射在它上面的白光(日光)中的一部分有色成分ꎬ各种颜色是由不同三原色(红㊁绿㊁蓝)混合而成的ꎮ对于ＴＣＳ３２００Ｄ来说ꎬ选定一个颜色滤波时ꎬ它只允许某种特定的原色通过ꎬ阻止其他原色的通过ꎮ迈克尔逊干涉条纹实验中ꎬ亮条纹为红光ꎬ暗条纹为黑色ꎮ本系统设计时选择红色滤波器时ꎬ入射光中只有红色可以通过ꎬ蓝色和绿色都被阻止ꎬ这样就可以得到红色光的光强ꎬ即可记取亮条纹ꎮＴＣＳ３２００Ｄ传感器有红绿蓝和清除４种滤光器ꎬ可通过其引脚Ｓ２和Ｓ３的高低电平来选择滤波器模式ꎬ如表１所示ꎮ本系统中设置Ｓ２Ｓ３＝００ꎬ迈克尔逊条纹明条纹红色光通过ꎬ其余光滤除ꎮ表１㊀ＴＣＳ３２００Ｄ滤光设置表Ｓ２Ｓ３ＰＨＯＴＯＤＩＯＤＥＴＹＰＥＬＬＲｅｄＬＨＢｌｕｅＨＬＣｌｅａｒ(ｎｏｆｉｌｔｅｒ)ＨＨＧｒｅｅｎＴＣＳ３２００Ｄ设计有可编程的彩色光到电信号频率转换器ꎬ当被检测物光源通过相应的滤波器达到ＴＣＳ３２００Ｄ感光芯片上ꎬ其内置的振荡器输出方波信号ꎬ方波频率与所感应的光强成正比例关系ꎬ光强越强ꎬ方波频率越高ꎮ在迈克尔逊实验中ꎬ亮条纹和暗条纹的光强相差很大ꎬ因此在记取亮条纹和暗条纹数据时ꎬ可以轻松确定阈值ꎬ确保检测数据的正确性ꎮＴＣＳ３２００Ｄ传感器设计有一个ＯＵＴ引脚ꎬＯＵＴ引脚输出的方波信号频率与内置的振荡器的频率也成正比ꎬ其比例因子可以通过传感器的Ｓ０和Ｓ１引脚设置ꎬ设置关系如表２所示ꎮ本系统中设置Ｓ０Ｓ１＝１１ꎬ取全频率ꎮ表２㊀ＴＣＳ３２００Ｄ输出频率表Ｓ０Ｓ１ＯＵＴＰＵＴＦＲＥＱＵＥＮＣＹＳＣＡＬＩＮＧ(ｆ０)ＬＬＰｏｗｅｒｄｏｗｎＬＨ２％ＨＬ２０％ＨＨ１００％ＴＣＳ３２００Ｄ与主控芯片控制电路如图４所示ꎮＯＥ为ＴＣＳ３２００Ｄ输出使能端ꎬ低电平有效ꎮＯＵＴ５２迈克尔逊干涉环纹自动计数系统设计为ＴＣＳ３２００Ｄ脉冲输出端ꎬ接Ｎ７６Ｅ６１６的１６位计数器０端ꎮ２.２㊀显示电路本系统为显示检测到的条纹数目ꎬ设计有ＬＣＤ显示电路ꎮＬＣＤ仅显示明条纹的数目ꎬ采用１２８６４液晶显示模组ꎬ驱动简单ꎮ显示电路如图４所示ꎮ图４㊀ＴＣＳ３２００Ｄ与主控系统接口图２.３㊀通信电路本系统设计有ＬＣＤ显示电路外ꎬ还设计有与上位机通信电路ꎮ主控系统采集迈克尔逊明条纹数目ꎬ在ＬＣＤ上显示ꎬ同时还将相关数据打包通过串口发送至上位机管理系统中ꎮ通信电路如图５所示ꎮ图５㊀与上位机串口通信电路本系统采用ＣＨ３４０Ｇ实现与上位机的ＲＳ２３２通信ꎬ通信的数据格式为:波特率为９６００ꎬ８位数据发送ꎬ１停止位ꎬ无校验ꎮ３㊀条纹检测原理本系统设计中设置仅让红光通过ꎬ滤除其余色光ꎮ而在实际测试中ꎬ因环境白光的射入ꎬ会影响明暗条纹阈值的判断ꎬ因此在实用前ꎬ需要对系统白光进行校准ꎮ３.１㊀系统校准白光平衡就是告诉系统什么是白色ꎬ即当前实用环境中红㊁绿㊁蓝三原色光的比重ꎮ从理论上讲ꎬ白色是由等量的红色㊁绿色和蓝色混合而成的ꎮ实际上ꎬ由于实验室环境中光源的影响ꎬ白色中的三原色并不完全相等ꎮ对于ＴＣＳ３２０Ｄ的光传感器来说ꎬ它对这三种基本色的敏感性是不相同的ꎬ导致ＴＣＳ３２０Ｄ的ＲＧＢ输出并不相等ꎬ因此在测试的ＲＧＢ输出并不相等ꎬ因此在测试前进行白光调整ꎮ白光平衡的校正方法是:把一个白色物体放置在ＴＣＳ３２０Ｄ颜色传感器之下ꎬ两者相距１０ｍｍ左右ꎬ点亮传感器上的４个白色ＬＥＤ灯ꎬ用Ｎ７６Ｅ６１６控制器的定时器设置一个固定时间６２迈克尔逊干涉环纹自动计数系统设计１ｓꎬ然后选通Ｒ㊁Ｇ㊁Ｂ三原色的滤波器ꎬ让检测光中的红㊁绿㊁蓝三色光分别通过滤波器ꎬ计算１ｓ内三色光对应的ＴＣＳ３２０Ｄ传感器ＯＵＴ引脚输出信号脉冲数ꎮ系统存储三原色的脉冲数ꎬ再通过正式算式得到三色光的比例因子ꎬ换算出被测光的ＲＧＢ标准值ꎮ３.２㊀测量原理测量时ꎬ将ＴＣＳ３２０Ｄ颜色传感器对准被测条纹出现位置ꎮ本系统为迈克尔逊光斑ꎬ迈克尔逊的光斑为红色和黑色ꎮ当系统的计数器０接口检测ＴＣＳ３２０Ｄ传感器输出端口ꎬ输出信号的频率ꎮ当信号频率达到红光的频率阈值时ꎬ即确定检测到红色光斑ꎬ系统计数器加１ꎮ系统在１２８６４液晶模组上显示明条纹的数目ꎮ４㊀系统软件系统软件包括下位机Ｎ７６Ｅ６１６控制软件和上位机管理软件ꎮ上位机管理软件本文不做介绍ꎮ下位机Ｎ７６Ｅ６１６控制程序包括:(１)液晶驱动程序ꎻ(２)键盘扫描程序ꎻ(３)白光校准程序ꎻ(４)红条纹计数程序ꎻ(５)与上位机通信程序ꎮ本文仅简单介绍白光校准程序和红条纹计数程序ꎮ４.１㊀白光校准程序按下校准键ꎬ系统进入白光校准程序ꎬ程序流程图如图６所示ꎮ４.２㊀计数程序校准后系统进入测量模式ꎮ测量时ꎬ系统开始１００ｍｓ定时器１ꎬ同时打开计数器０ꎬ开始计数输入脉冲ꎮ在１００ｍｓ时间阈值内测量脉冲数为Ｍꎬ系统比较Ｍ和红光标准脉冲阈值ＭＲꎮ当Ｍ<ＭＲ时ꎬ表示检测到暗条纹黑斑ꎬ暗条纹标志ＢＬＡＣＫ置１ꎬ明条纹标志ＬＩＧＨＴ置０ꎬ条纹计数器数据不变ꎮ当Ｍ>ＭＲ时ꎬ表示检测到明条纹红斑ꎬ明条纹标志ＬＩＧＨＴ置１ꎬ暗条纹标志ＢＬＡＣＫ置０ꎮ系统自动进入下１００ｍｓ采样程序ꎬ检测输入脉冲为Ｍꎬ当Ｍ>ＭＲ时ꎬ表明检测到明条纹ꎬ同时读取明条纹标志ꎬ如果明条纹标志为０ꎬ表明条纹由暗变明ꎬ明条纹计数器自动加１ꎻ如果明条纹标志为１ꎬ表明迈克尔逊条纹未发生ꎬ明条纹计数器不加１ꎬ条纹数据不变ꎮ计数程序流程图如图７所示ꎮ图６㊀白光校准流程图图７㊀明条纹计数程序流程图５㊀结㊀论目前迈克尔逊干涉条纹自动计数系统一般采用光敏电阻或ＣＣＤ摄像头的方法检测明暗条纹的变化ꎮ光敏电阻方法存在两点不足:(１)响应速度慢ꎻ(２)判断阈值受环境影响较大ꎮ采用７２迈克尔逊干涉环纹自动计数系统设计ＣＣＤ摄像头作为明暗条纹检测传感器ꎬ设计复杂成本太高ꎮ本文设计基于ＴＣＳ３２０Ｄ颜色传感器的迈克尔逊干涉条纹计数系统ꎬ设计简单㊁响应快速ꎬ可很好地对迈克尔逊干涉条纹计数ꎮ同时本系统还设计了和上位机通信电路ꎬ以便将实验中测量的数据传输至上位机系统中ꎬ实现实验数据的集中化管理ꎮ参考文献:[１]㊀彭琴ꎬ方旺ꎬ杨晓卫ꎬ等.新型干涉条纹计数器的设计与应用[Ｊ].大学物理实验ꎬ２０１４ꎬ１２:９０￣９２. [２]㊀陈业仙ꎬ周党培ꎬ关小泉ꎬ等.一种新型迈克尔逊干涉仪条纹计数器的设计[Ｊ].大学物理实验ꎬ２００９ꎬ２２(３):６４￣６７.[３]㊀赵忠伟ꎬ陈鹏ꎬ孙中涛ꎬ等.迈克尔逊干涉环自动计数装置设计[Ｊ].光电技术应用ꎬ２００９(１２):３６￣３９.[４]㊀周党培ꎬ关小泉ꎬ伍广胜ꎬ等.一种新型迈克尔逊干涉仪条纹计数器的设计[Ｊ].光学仪器ꎬ２００９ꎬ６:５８￣６０.[５]㊀石明吉ꎬ刘斌.新型迈克尔逊干涉条纹测控装置研制[Ｊ].自动化仪表ꎬ２０１８ꎬ９:１４￣１６.[６]㊀刘恒洲ꎬ喻秋山ꎬ胡远强ꎬ等.迈克尔逊干涉仪自动测量系统设计[Ｊ].大学物理实验ꎬ２０１６ꎬ１２:６９￣７２. [７]㊀黄煜ꎬ黄文艳ꎬ张婉柔ꎬ等.基于面阵ＣＣＤ的迈克尔逊干涉环计数方法[Ｊ].计算机工程与应用ꎬ２０１５ꎬ５１(９):１８０￣１８４.[８]㊀赵伟ꎬ陈伟杰ꎬ陈仁安ꎬ等.一种基于ＰＡＳＣＯ和Ｍａｔｌａｂ的干涉条纹计数方法[Ｊ].实验室研究与探索ꎬ２０１４ꎬ７:５３￣５５.[９]㊀李致金ꎬ吴文娟.基于ＭＳＰ４３０微控制器的带ＵＳＢ通信的颜色识别系统[Ｊ].电子技术应用ꎬ２００９ꎬ８:５２￣５５.ＤｅｓｉｇｎｏｆＭｉｃｈｅｌｓｏｎＩｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅＲｉｎｇＡｕｔｏｍａｔｉｃＣｏｕｎｔｉｎｇＳｙｓｔｅｍＷＵＷｅｎｊｕａｎ１ꎬＬＩＺｈｉｊｉｎ２(１.ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＳｃｉｅｎｃｅꎬＮａｎｊｉｎｇＦｏｒｅｓｔｒｙＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙꎬＮａｎｊｉｎｇ２１００３７ꎬＣｈｉｎａꎻ２.ＳｃｈｏｏｌｏｆＡｒｔｉｆｉｃｉａｌＩｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅꎬＮａｎｊｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＳｃｉｅｎｃｅ＆ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬＮａｎｊｉｎｇ２１００４４ꎬＣｈｉｎａ)Ａｂｓｔｒａｃｔ:ＩｎＭｉｃｈｅｌｓｏｎ￣Ｍｏｒｌｅｙｉｎｔｅｒｆｅｒｅｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔꎬｉｔｉｓｎｅｃｅｓｓａｒｙｔｏｃｏｕｎｔａｌａｒｇｅｎｕｍｂｅｒｏｆｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅｒｉｎｇｓꎬａｎｄｉｔｉｓｅａｓｙｔｏｈａｖｅｗｒｏｎｇｎｕｍｂｅｒｉｎｍａｎｕａｌｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ.Ａｓｔｈｅｃｏｌｏｒｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｏｆｂｒｉｇｈｔａｎｄｄａｒｋｓｔｒｉｐｅｓｉｓｖｅｒｙｂｉｇꎬｔｈｅｃｈａｎｇｅｏｆｃｏｌｏｒｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｃａｎｂｅｕｓｅｄｔｏｄｉｓｔｉｎｇｕｉｓｈｔｈｅｂｒｉｇｈｔａｎｄｔｈｅｄａｒｋｏｎｅｓ.ＡｄｅｔｅｃｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｂａｓｅｄｏｎＴＣＳ３２００Ｄｃｈｒｏｍａｔｉｃｉｔｙｓｅｎｓｏｒｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄ.ＴＣＳ３２００Ｄｃｏｎｖｅｒｔｓｂｒｉｇｈｔａｎｄｄａｒｋｓｔｒｉｐｅｓｉｎｔｏａｆｒｅｑｕｅｎｃｙｓｉｇｎａｌｗｉｔｈａｌａｒｇｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅꎬａｎｄｔｈｅｔｅｓｔｓｙｓｔｅｍｄｅｔｅｃｔｓｔｈｅｃｈａｎｇｅｏｆｓｉｇｎａｌｆｒｅｑｕｅｎｃｙｉｎａｃｅｒｔａｉｎｔｉｍｅｄｏｍａｉｎｔｏｃｏｕｎｔｂｒｉｇｈｔａｎｄｄａｒｋｓｔｒｉｐｅｓａｕｔｏｍａｔｉｃａｌｌｙ.Ｔｈｅｍｅｔｈｏｄｉｓｓｉｍｐｌｅｉｎｄｅｓｉｇｎꎬｆａｓｔｉｎｒｅｓｐｏｎｓｅａｎｄａｃｃｕｒａｔｅｉｎｃｏｕｎｔｉｎｇ.Ｉｔｉｓｐｒａｃｔｉｃａｌｉｎｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙｐｈｙｓｉｃｓｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ＭｉｃｈｅｌｓｏｎｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅꎻｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅｒｉｎｇｃｏｕｎｔｉｎｇꎻＴＣＳ３２００Ｄꎻｃｏｌｏｒｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ８２迈克尔逊干涉环纹自动计数系统设计。

基于迈克尔逊干涉仪的波长自动测量装置的设计及演示

脉冲对应的动镜移动距离为（：ｍ）单位ｍ
△：，（）３
用迈克尔逊干涉仪测量激光波长的实验中，动移
收稿日期：２１．４０：修订日期：２１．６００００．６０００ —ｌ
实验中采用的位移编码器分辨率为５０ＰＲ，０Ｐ所
易产生视觉疲劳，造成环数观测不准，引入人为误差；
反射镜（以下简称动镜）每移动１，／２波长，观察屏上
的非定域干涉圆环就会 “ 冒出”或 “ 进 ” １个，缩圆
环中心则经历一个亮暗周期的变化，这样可以将读取圆环的缩冒个数转化为读取环心亮暗的周期．一在系列连续的测量中，圆环计数开始时动镜的初始位设
天津城市建设学院学报第１卷第３６期２１年９００月
ＪｕｎｌｏｉｊｎｔｕｅｏｒａｏｓｕｔｎＶ１Ｎｏ３Ｓｐ２ｏｒａｆＴａｉＩｓｔｔｆＵｂｎＣｎｔｃｏｏ．ｎｎｉｒｉ１６．ｅ．０１０
的光敏电阻作为光电传感器具有更强的抗干扰能
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
力【光敏电阻将光强信号转换成电压信号，４】．再通过
适当电路对信号进行处理，可以读出干涉圆环的就 “ 冒出” （ “ 进 ”）或缩个数．
角位移编码器是根据光电计数的原理，将转轴的旋转角度转化为电脉冲个数的传感器件．编码器设
基于迈克尔逊干涉仪的波长自动测量装置的设计及演示

干涉条纹计数器的设计与应用

ＭＣ４３１０Ｕ起稳压作用，ＵＲ３是电位器，１、２Ｒ１Ｒ也都是可变电阻，它们的作用是调整电路工作点，使运放输出电压与光电流有一个合适的关系。集成运放Ｏ０成施密特触发器＿，缓慢变化的输Ｐ７构ｌ把
中图分类号：Ｐ９Ｔ２文献标识码：Ｂｄｉ１．９９ｊｉｎ１７－３５２１．４０９ｏ：０３６／．ｓ．６２４０．０１０．５ｓ
Ｄｅｉｎａｄａｐｙｎｆｉｔｒｅｅｃｒｎｅｏｎｅｓｇｎｐｌｉｇｏｎｅｆｒｎｅｆｉｇｓｃｕｔｒ
ＭＡ７１，终，纹数目由七段数码管显示输出。Ｘ２９最条
如图１所示。
学们普遍反应数干涉条纹特别容易眼花缭乱，稍有疏忽就得从头开始。为此，们设计了可与迈克尔我
逊干涉仪配套使用的干涉条纹计数器。
增加，实验误差较大。尤其是迈克尔逊干涉实验，同
的光电流，由集成运放０：放大，１７＇０然后信号经反相器７Ｉ￣反相后输入单片机Ｐ９５４＿Ｓ８Ｃ１的外部中断ＩＴＮ１接口。信号经单片机处理后，入显示驱动芯片输
的集成运放Ｏ０Ｐ７设计了检测放大电路。它的任务是放大光敏电阻的输出信号，配后置处理电路与匹检测器件之间的阻抗。
１３计数电路．
｛

迈克尔逊干涉自动测量仪的设计与制作

同一个光源，所以是相关光，在位置Ｅ处，观察者能看到干涉图样。在大学物理实验中，调节Ｍ与Ｍ严格互相
垂直时就能看到激光的等倾干涉圆环，调节动镜Ｍ。的位置，记录其移动距离 △ ，同时要求学生读取条纹的变化数Ｎ，根据公式 △ — Ｎ（／２），就可
过高低信号的电压差完成计数。实验设计框图如图２所示，开始时预先设置记录的条纹数Ｎ，然后转动
１
＇
Ｇ１ＯＳ２一
迈克尔逊干涉仪的螺旋测微器，移动动镜Ｍ。的位
转换将模拟信号转变为数字信号，再通过８９Ｃ５２单
片机实现计数＿６］。光敏电阻捕捉到强光信号时经Ａ／Ｄ转换变为一个高电压信号，捕捉到暗光信号时经Ａ／Ｄ转换变为一个低电压信号，８９Ｃ５２单片机通
计算波长。由于迈克尔逊干涉实验仪测量的Ａｄ
２．２制作方法
图２买验设计框图
首先了解单片机各引脚的功能，完成光敏电阻及其他元器件到单片机上的连接，然后进行编程，将程序导入单片机并调试，在反复调试程序、完成测试
新技术新工艺
２０１５年第９期目前，有一些设计计数器的资料Ｊ，但是经过试验后发现这些资料都是理论上的，实际不可行，或者只有在很理想的条件下才能计数，而且误差较大。笔者用光敏电阻捕捉光信号，经Ａ／Ｄ转换后由单片机实现计数和计算功能。自动测量仪经过调试实现了在多种条件下完成条纹计数的功能以及波长计算的功能，而且效果较好、误差较小。该测量仪可以代替人眼进行读数，解决了实验人员在条纹计数时的困难，同时也减小了因为条纹计数引起的误差，提高

迈克耳孙干涉仪自动测量系统设计

１８８３年，美国物理学家迈克耳孙与莫雷合作为测量“以太 ”漂移速度而发明了迈克耳孙干涉仪．该仪器利用分振幅法产生双光束以实现干涉，在现代物理和计量之中有着广泛的应用．［１］利用迈克耳孙干涉仪测量激光波长是大学物理实验的重要内容［２］．实验中，为了计算动镜的位移，需要在机体侧面的毫米刻度尺、读数窗口内的刻度盘和微调手轮处读数；为了获得 “吞吐”条纹的数目，需要学生长时间盯着观测屏进行人工计数［３］．由于干涉图案的亮度低，为看清条纹的吞吐情况，实验需要在黑暗环境下进行以降低背景光的影响；但是，为了获取动镜的位移数据，读数时又需要照明，学生常用手机照明．这２个需求相互矛盾，不仅导致实验过程繁琐，而且不同实验台之间会相互影响．此外，人工计数需要长时间用眼很容易导致视觉疲劳，从而导致计数错误．［４６］
迈克耳孙干涉仪自动测量系统设计
石明吉，王飞，王珍桢
（南阳理工学院电子与电气工程学院，河南南阳４７３００４）
摘要：传统的迈克耳孙干涉仪实验需要人工转动微调手轮使动镜移动，需要人工读数获取动镜位移信息，人工计数获取干涉条纹吞吐的数目，不仅容易导致观察者视觉疲劳，而且很容易导致计数错误，引起较大的实验误差．因此，本文设计了基于单片机的迈克耳孙干涉仪自动测量系统，利用直流减速电机带动微调手轮转动使动镜发生位移；利用光敏电阻模块将干涉条纹的移动转换为条纹计数脉冲供单片机计数并显示；利用码盘和红外对射计数传感器模块将微调手轮的转动转换为位移计数脉冲供单片机计数并显示．实验表明：利用迈克耳孙干涉仪自动测量系统测量ＨｅＮｅ激光波长的相对误差为０．２１％，远小于人工测量的相对误差３．０％．

迈克尔逊干涉仪干涉环纹光电计数器的研制

第29卷第6期2016年12月大学物理实验PHYSICAL EXPERIMENT OF COLLEGEV〇1.29No.6Dec.2016文章编号：1007-2934(2016)06-0060-05迈克尔逊干涉仪干涉环纹光电计数器的研制茅天伟，娄家奇，尹燕宁，尹亚玲*(华东师范大学，上海200241)摘要：利用干涉环纹明暗交替变化的原理，设计制作了可以用于迈克尔逊干涉仪的干涉环纹计数的光电计数器，利用此仪器可以精确髙效地实现干涉环纹的计数，减少了由于人眼进行干涉环纹计数的误差，提髙了实验稳定度和精度。

我们将制作的干涉环纹光电计数器用于基于迈克尔逊干涉仪的激光波长实验，结果表明采用光电计数器之后，实验精度比裸眼探测明显提髙，百分差缩小37.5倍，标准差缩小近3倍。

关键词：光电计数器;迈克尔逊干涉仪;激光波长中图分类号：O4-33 文献标志码：A D0l:10.14139/22-1228.2016.006.015迈克尔逊干涉仪是1883年美国物理学家迈克尔逊与莫雷合作为了研究“以太”漂移设计制造出来的精密光学仪器，它是利用分振幅法产生双光束以实现干涉，其在现代物理和计量之中有着广泛的应用。

例如:利用迈克尔逊干涉仪测定液体折射率[1]，金属丝的弹性模量[2]，金属线胀系数[3]，压电陶瓷特性[4]，全息干板膜厚度[5]等,利用迈克尔逊干涉仪构建激光雷达滤光器[6]等等。

基于迈克尔逊干涉仪的激光波长的测量是大学物理实验中基础且重要的光学实验。

但是，该实验中要求学生数几百条甚至上千条干涉环纹的变化。

由于人眼疲劳原因造成的人为误计数使实验的准确度得不到保证[7]。

同时实验中为了减少测量误差需要分多组测量条纹数数据,课堂大多数时间用在机械的读数上[8-9]。

为了减少实验中人为引入的误差同时增加实验效率，我们设计制作了光电计数器来替代裸眼，通过计数器的累加来实现干涉环纹移动数的自动测量。