迈克耳逊干涉条纹计数器的研制

　　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。

　　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。

　　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+=2/3VCC, VT-=1/3VCC,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。