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基于单片机改造迈氏干涉仪自动测量微小长度

时间:2023-09-18 15:07:01 850nm脉冲激光二极管

摘要:精确自动测量He-Ne激光波长和透明薄膜厚度,采用单片机驱动步进电机驱动迈克尔干涉仪微调手轮旋转,使干涉条纹变化稳定,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换为电信号,输入单片机处理,测量结果自动显示在液晶屏上。多次实验在一般实验环境下进行,将实验结果与标准值进行比较,改造后的仪器测量速度快,误差小,精度高。

0 引言

薄膜厚度是薄膜性能参数的重要指标准确、快速、方便地测量膜厚在实验中具有重要意义。迈克尔逊干涉仪测量激光波长是大学物理实验的重要组成部分。在实验过程中,实验者手动调整微调手轮,观察干涉条纹,造成许多人为误差,影响测量结果。为了保护实验者的视力,提高测量精度,扩大测量范围,促进光学教学实验仪器的发展,迈克尔逊干涉仪在研究单片机的基础上进行了探索和改造。

改造后的迈克尔逊干涉仪在不改变物理基本原理的基础上,增加了电子技术中的大量元素,将物理与电子技术很好地结合起来,实现了激光波长和薄膜厚度的自动测量。测量简单,精度高,实用性强。

1 系统工作原理

基于单片机改造的迈克尔干涉仪自动测量激光波长和薄膜厚度,系统工作原理如图1所示。

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1.1 激光波长测量

使用He-Ne激光作为光源,采用光分振幅干涉法。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;光屏上获得的吞咽和呕吐条纹通过光电转换电路转换为脉冲信号,输入单片机计数(条纹数N),取代人眼观察条纹计数;测量步骤和结果(波长λ=2△d/N)通过液晶屏显示相对误差,实现波长自动测量。

1.2 测量薄膜厚度

以白光为光源,采用等厚干涉法。如图2所示,当白光光程差为零时,光屏上的彩色条纹通过光电转换电路转换为脉冲信号,并记录M1的初位置d1.放入薄膜后,光程差增大,彩色条纹消失;电机驱动M1移动到彩纹再现,记录M1的末位置d2。用阿贝折射仪测量薄膜折射率n,按公式输入单片机

薄膜厚度可通过处理获得。

2 硬件电路及硬件电路设计

系统结构主要是在原物理光学仪器迈克尔干涉仪的基础上增加电子技术的设计模块,如图3所示。该模块包括: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,氦霓虹激光干涉条纹检测和白光干涉彩色检测,将变化的光信号转换为单片机识别的脉冲信号。

2.1.1 激光干涉条纹检测

偏置电阻由两个光敏二极管组成R1,R2,分压电阻R3,R四、操作放大器A1组成。当微调旋钮旋转时,光屏幕上会出现吞咽和呕吐条纹。一根光敏二极管对准环条纹的中心,另一根用于检测背景光。这样,在一般光强下,设计可以大大降低外部光强的影响。光敏二极管对变化的光信号敏感,加上偏置电阻R1和R2后输出合适的电信号。分压电阻R3,R4为操作放大器的反向输入端提供适当的门限电压,当门限电压高于反向输入端时,电信号从同向输入端输入Um1时,输出电压转向电源电压的正极( 5 V),当输入电压低于反向端的门限电压时Um1时,输出电压转向电源电压(0 V)。因此,吞咽、呕吐条纹转换为脉冲信号。

2.1.2 白光干涉彩纹检测

该部分由光敏二极管1组成,偏置电阻R1,放大器A2.门限比较器A3组成。其原理与激光相似。当出现彩色图案时,光强的变化会使光敏二极管1产生微弱的电信号,通过放大器A电阻放大(放大器的放大倍数)R6和R7决定),然后通过门限比较器A3(门限比较器的门限值由电阻引起R8和R9确定),最后转换为脉冲信号。

2.2 步进电机驱动电路设计设计

步进电机是一种开环控制元件,将电脉冲转换为角位移,其速度和停止位置仅取决于脉冲信号的频率。步进电机驱动迈克尔干涉仪的微调旋钮旋转,避免了许多人为因素对测量的干扰。本工作选择28BYJ-48步进电机步进值小,提高了测量精度。

一旦选择步进电机,其性能取决于电机的驱动电压。步进电机转速越高,转矩越大,电机电流越大,驱动电源电压越高。单片机I/O流出口的电流太小,无法驱动电机旋转,需要外部驱动芯片来增加电流。高压大电流达林顿晶体管阵列ULN2003驱动28BYJ-48步进电机的工作原理如下:当输入端为高电时,ULN2003为低电平时,2003输出端为低电平,ULN2003输出端为高电平。如图5所示。

2.3 液晶显示单元和键盘控制单元

本设计使用4个键盘作为数据输入和测量步骤控制×与独立按钮相比,4矩阵键盘大大节省了单片机I/O口,扩大了按键功能,节省了硬件资源。液晶显示屏显示实验数据和测量信息作为人机交互界面。

3 软件设计

软件设计是实现测量的主体。汇编语言和C语言常用于单片机的应用系统程序设计。与汇编语言相比,C语言简单,使用方便,灵活,可重用性高,可移植性强,系统采用C语言编写程序,程序流程如图6所示。

以下是程序的关键部分。

3.1 脉冲计数程序设计光电转换部分

中断单片机外部INT用0英尺检测光电转换获得的脉冲信号。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数的变量mai_chong_ji_shu。两次脉冲间隔超过50 ms每次进入中断服务程序,mai_chong_ji_shu加1。如果两个脉冲间隔不超过500 ms,说明毛刺信号出现,mai_chong_ji_shu不加1,这样设计就能去除毛刺信号。

3.2 步进电机驱动和自动调速程序设计

驱动步进电机旋转的脉冲信号频率越高,电机转速越高,但频率不能太大或太小,否则电机不会旋转。电机的转速可以通过软件延迟或定时器中断来控制。软件延迟会浪费很多CPU因此,采用单片机定时器0中断驱动28BYJ-48步进电机旋转,给定时器0不同的初始值对应步进电机不同的旋转速度。若四向八拍运行模式A-AB-B-BC-C-CD-D-DA对于电机的正转,运行模式DA-D-CD-C-BC-B-AB-A对于电机的反转,每次运行后的八拍相当于电机的一步,设计变量motor_step专门记录电机的步数和正转变量motor_step加,电机反转变量motor_step减。motor_step步进电机驱动迈克尔干涉仪微调旋钮旋转的长度值乘以电机的步长值。

4 实验结果及精度分析

4.1 He-Ne激光波长测量

采用波长为632.8 nm的He-Ne激光作为光源。在一般实验环境下,经过大量测试,系统可以准确、快速地测量波长,表1是系统一次测量的数据。

系统自动测量的最终结果是多次测量的平均值。从表1可以看出,它非常接近理论值,平均误差为0.06%远低于手动测量产生的误差。

测量误差主要来自△d测量和条纹计数N。步进电机的步进值为19.53nm,它比微调旋钮最小刻度100nm还要小80.47nm,提高了对△d因此,误差较小。在实验过程中,空气干扰、实验桌碰撞和外部振动会产生毛刺信号,影响光敏二极管对干扰条纹的检测,导致测量误差。对于较小的毛刺信号,编程不会对条纹计数产生很大影响,但系统不能处理严重的干扰信号。根据测量结果,系统会自动判断实验误差是否在允许范围内,如果没有,则提示重新测量。

4.2 测量透明薄膜厚度

标准厚度为80μm用阿贝折射仪测量透明膜的折射率n=1.429 4.在一般实验环境下,测量了大量的薄膜厚度,表2显示了测量数据的一部分d1是未插膜前彩色条纹出现时动镜的位置,d2.插入薄膜后出现彩色条纹时动镜的位置。

测试薄膜厚度的平均值为81.600 1 μm,高精度(测量薄膜厚度精确到0.1 nm级)。薄膜厚度厚度的误差主要来自两个方面,△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△相反,测量误差大大降低。薄膜上的灰尘不可避免地会影响薄膜的折射率n。在实验过程中,外部干扰和仪器本身的因素。

5 结语

基于单片机改造的迈克尔逊干涉仪可以准确、快速、自动地测量激光波长和薄膜厚度。采用非接触法测量薄膜厚度,不损坏薄膜,扩大了迈克尔逊干涉仪的使用范围,提高了实用性。改装后的电路元件价格低廉,组装简单,对迈克尔逊干涉仪的手动测量和外观没有影响,促进了光学教学实验仪器的发展,具有一定的市场前景。

在湖北师范大学物理与电子科学学院刘兴云先生的指导下,光学实验室和电子电工实验室提供了实验设备,并通过小组成员的共同努力完成别感谢刘先生的指导,并对湖北师范大学物理与电子科学学院的老师和学生表示深切的感谢和祝福。

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