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。

2．3 液晶显示单元和键盘控制单元
    键盘用作数据输入和测量步骤控制，本设计使用4×4的矩阵键盘，相对于独立按键，矩阵键盘大大节省了单片机的I／O口，扩大了按键功能，同时也节省了硬件资源。液晶屏作为人机交互界面，显示实验数据和测量信息。

3 软件设计
    软件设计是实现测量的主体。单片机的应用系统程序设计，常用的是汇编语言和C语言。相对于汇编语言，C语言简洁，使用方便、灵活，可重用性高，可移植性强，所以系统采用C语言编写程序，程序流程如图6所示。

    下面对程序的关键部分进行说明。
3．1 光电转换部分的脉冲计数程序设计
    用单片机的外部中断INT0脚检测光电转换得到的脉冲信号。当有一个脉冲的下降沿到来时，外部中断服务程序执行一次。在中断服务程序中设置记录脉冲个数的变量mai_chong_ji_shu。在两次脉冲间隔超过50 ms的情况下，每进入中断服务程序一次，mai_chong_ji_shu加1。如果两次脉冲间隔不超过50 ms，说明出现了毛刺信号，mai_chong_ji_shu不会加1，这样设计可以除去毛刺信号。
3．2 步进电机驱动及自动调速程序设计
    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motor_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。

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632．8 nm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1是系统一次测量的数据。

    系统自动测量的最终结果为多次测量的平均值，由表1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19．53nm，它比微调旋钮的最小刻度100nm还要小80．47nm，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=1．429 4，在一般实验环境下，对薄膜厚度进行了大量的测量，表2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。

    从表2数据可以算出，测试薄膜厚度的平均值为81．600 1 μm，精度较高(测量薄膜厚度精确到了0．1 nm级)。测量薄膜厚度的误差主要来源于两个方面，△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。
    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。