基于单片机改造迈氏干涉仪自动测量微小长度

摘要：为了能精确地自动测量He-Ne激光波长和透明薄膜厚度，采用单片机驱动步进电机带动迈克尔干涉仪的微调手轮转动，使光屏上产生稳定变化的干涉条纹，用光电二极管检测条纹信号光强变化，通过光电转换电路将光信号转变为电信号，输入到单片机进行处理，测量结果自动显示在液晶屏上。在一般实验环境下进行了多次实验，将实验结果与标准值进行比较得出，改造后的仪器测量微小长度速度快，误差小，精确度高。
关键词：单片机；步进电机；迈克尔逊干涉仪；微小长度测量；薄膜厚度测量

0 引言
薄膜厚度是薄膜性能参数的重要指标，如何准确、快速、方便地测量膜厚在实验中具有十分重要的意义。迈克尔逊干涉仪测量激光波长是大学物理实验中重要的一部分，实验时实验者手动调节微调手轮，人眼观察干涉条纹，带来很多人为误差，影响测量结果。为了保护实验者视力，提高测量精度，扩大测量范围，同时促进光学教学实验仪器的发展，在研究单片机的基础上，对迈克尔逊干涉仪进行了探索和改造。
改造后的迈克尔逊干涉仪在不改变物理学基本原理的基础上，增加了电子技术中的大量元素，使物理学和电子技术很好地结合起来，实现了对激光波长和薄膜厚度的自动测量。测量简便、精确度高，有一定的实用性。

1 系统工作原理
基于单片机改造的迈克尔干涉仪进行微小长度的自动测量，测量对象为激光波长和薄膜厚度，系统工作原理如图1所示。

1．1 激光波长测量
使用He-Ne激光作光源，利用光的分振幅干涉法。用步进电机带动微调手轮转动代替手动调节，电机旋转角度对应光程差为2△d；光屏上得到的“吞”、“吐”条纹，通过光电转换电路转换为脉冲信号，输入到单片机进行计数(条纹数N)，代替了人眼观察条纹计数；测量步骤、结果(波长λ=2△d／N)及相对误差通过液晶屏显示，从而实现波长自动测量。
1．2 薄膜厚度测量
使用白光作光源，利用等厚干涉法。光路原理图如图2所示，当白光光程差为零时发生干涉现象，将光屏上的彩色条纹通过光电转换电路转换为脉冲信号，同时记录M1的初位置d1；放入薄膜后，光程差增大，彩色条纹消失；电机带动M1移动到彩纹再现，记录M1的末位置d2。用阿贝折射仪测出薄膜折射率n，输入到单片机，根据公式进行处理，即可得到薄膜厚度。

2 系统结构及硬件电路设计
系统结构主要是在原有物理光学仪器——迈克尔干涉仪的基础上增加了电子技术的设计模块，如图3所示。模块包括：单片机系统、键盘控制单元、电机驱动电路、光电转换电路和液晶显示单元。

2．1 光电转换电路设计
光电转换电路由两部分组成，如图4所示，氦氖激光干涉条纹检测和白光干涉彩纹检测，它的作用是把变化的光信号转换为可供单片机识别的脉冲信号。

2．1．1 激光干涉条纹检测
该部分由两个光敏二极管，偏置电阻R1，R2，分压电阻R3，R4和一个运算放大器A1组成。当微调旋钮转动时，光屏上会出现圆环型“吞”、“吐”条纹，一个光敏二极管对准圆环条纹正中心，另一个用于检测背景光，这样设计可以大大减小外界光强的影响，在一般光强下均可测量。光敏二极管对变化的光信号敏感，加上偏置电阻R1和R2后会输出合适的电信号。分压电阻R3，R4给运算放大器的反向输入端提供合适的门限电压，电信号从同向输入端输入，当高于反向输入端的门限电压Um1时，输出电压翻转到电源电压的正极(+5 V)，当输入电压低于反向端的门限电压Um1时，输出电压翻转到电源电压的地(0 V)。由此，“吞”、“吐”条纹转换为了脉冲信号。
2．1．2 白光干涉彩纹检测
该部分由光敏二极管1，偏置电阻R1，放大器A2和门限比较器A3组成。它的原理与激光类似，当彩纹出现时，光强度变化会使光敏二极管1产生微弱的电信号，此信号经过放大器A2被放大(放大器的放大倍数由电阻R6和R7决定)，再经过门限比较器A3(门限比较器的门限值由电阻R8和R9确定)，最后转变为了脉冲信号。
2．2 步进电机驱动电路设计
步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的开环控制元件，它的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率。采用步进电机带动迈克尔干涉仪的微调旋钮转动，避免了很多人为因素对测量的干扰。本作品选用28BYJ-48型步进电机，它的步进值小，提高了测量的精确度。
步进电机一经选定，其性能取决于电机的驱动电压。步进电机转速越高，力矩越大则要求电机的电流越大，驱动电源的电压越高。单片机I／O口流出的电流太小不能驱动电机转动，需要外接驱动芯片增大电流。选用高压大电流达林顿晶体管阵列ULN2003驱动28BYJ-48型步进电机，其工作原理如下：当输入端为高电平时，ULN2003输出端为低电平；当输入端为低电平时，ULN2003输出端为高电平。驱动电路如图5所示。