基于單片機(jī)改造邁氏干涉儀自動(dòng)測(cè)量微小長(zhǎng)度

摘要：為了能精確地自動(dòng)測(cè)量He-Ne激光波長(zhǎng)和透明薄膜厚度，采用單片機(jī)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)邁克爾干涉儀的微調(diào)手輪轉(zhuǎn)動(dòng)，使光屏上產(chǎn)生穩(wěn)定變化的干涉條紋，用光電二極管檢測(cè)條紋信號(hào)光強(qiáng)變化，通過(guò)光電轉(zhuǎn)換電路將光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，輸入到單片機(jī)進(jìn)行處理，測(cè)量結(jié)果自動(dòng)顯示在液晶屏上。在一般實(shí)驗(yàn)環(huán)境下進(jìn)行了多次實(shí)驗(yàn)，將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較得出，改造后的儀器測(cè)量微小長(zhǎng)度速度快，誤差小，精確度高。
關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)；步進(jìn)電機(jī)；邁克爾遜干涉儀；微小長(zhǎng)度測(cè)量；薄膜厚度測(cè)量

0 引言
    薄膜厚度是薄膜性能參數(shù)的重要指標(biāo)，如何準(zhǔn)確、快速、方便地測(cè)量膜厚在實(shí)驗(yàn)中具有十分重要的意義。邁克爾遜干涉儀測(cè)量激光波長(zhǎng)是大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中重要的一部分，實(shí)驗(yàn)時(shí)實(shí)驗(yàn)者手動(dòng)調(diào)節(jié)微調(diào)手輪，人眼觀察干涉條紋，帶來(lái)很多人為誤差，影響測(cè)量結(jié)果。為了保護(hù)實(shí)驗(yàn)者視力，提高測(cè)量精度，擴(kuò)大測(cè)量范圍，同時(shí)促進(jìn)光學(xué)教學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器的發(fā)展，在研究單片機(jī)的基礎(chǔ)上，對(duì)邁克爾遜干涉儀進(jìn)行了探索和改造。
    改造后的邁克爾遜干涉儀在不改變物理學(xué)基本原理的基礎(chǔ)上，增加了電子技術(shù)中的大量元素，使物理學(xué)和電子技術(shù)很好地結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)激光波長(zhǎng)和薄膜厚度的自動(dòng)測(cè)量。測(cè)量簡(jiǎn)便、精確度高，有一定的實(shí)用性。

1 系統(tǒng)工作原理
    基于單片機(jī)改造的邁克爾干涉儀進(jìn)行微小長(zhǎng)度的自動(dòng)測(cè)量，測(cè)量對(duì)象為激光波長(zhǎng)和薄膜厚度，系統(tǒng)工作原理如圖1所示。

1．1 激光波長(zhǎng)測(cè)量
    使用He-Ne激光作光源，利用光的分振幅干涉法。用步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)微調(diào)手輪轉(zhuǎn)動(dòng)代替手動(dòng)調(diào)節(jié)，電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度對(duì)應(yīng)光程差為2△d；光屏上得到的“吞”、“吐”條紋，通過(guò)光電轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為脈沖信號(hào)，輸入到單片機(jī)進(jìn)行計(jì)數(shù)(條紋數(shù)N)，代替了人眼觀察條紋計(jì)數(shù)；測(cè)量步驟、結(jié)果(波長(zhǎng)λ=2△d／N)及相對(duì)誤差通過(guò)液晶屏顯示，從而實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)自動(dòng)測(cè)量。
1．2 薄膜厚度測(cè)量
    使用白光作光源，利用等厚干涉法。光路原理圖如圖2所示，當(dāng)白光光程差為零時(shí)發(fā)生干涉現(xiàn)象，將光屏上的彩色條紋通過(guò)光電轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為脈沖信號(hào)，同時(shí)記錄M1的初位置d1；放入薄膜后，光程差增大，彩色條紋消失；電機(jī)帶動(dòng)M1移動(dòng)到彩紋再現(xiàn)，記錄M1的末位置d2。用阿貝折射儀測(cè)出薄膜折射率n，輸入到單片機(jī)，根據(jù)公式進(jìn)行處理，即可得到薄膜厚度。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及硬件電路設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要是在原有物理光學(xué)儀器——邁克爾干涉儀的基礎(chǔ)上增加了電子技術(shù)的設(shè)計(jì)模塊，如圖3所示。模塊包括：?jiǎn)纹瑱C(jī)系統(tǒng)、鍵盤控制單元、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、光電轉(zhuǎn)換電路和液晶顯示單元。

2．1 光電轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)
    光電轉(zhuǎn)換電路由兩部分組成，如圖4所示，氦氖激光干涉條紋檢測(cè)和白光干涉彩紋檢測(cè)，它的作用是把變化的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為可供單片機(jī)識(shí)別的脈沖信號(hào)。

2．1．1 激光干涉條紋檢測(cè)
   該部分由兩個(gè)光敏二極管，偏置電阻R1，R2，分壓電阻R3，R4和一個(gè)運(yùn)算放大器A1組成。當(dāng)微調(diào)旋鈕轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，光屏上會(huì)出現(xiàn)圓環(huán)型“吞”、“吐”條紋，一個(gè)光敏二極管對(duì)準(zhǔn)圓環(huán)條紋正中心，另一個(gè)用于檢測(cè)背景光，這樣設(shè)計(jì)可以大大減小外界光強(qiáng)的影響，在一般光強(qiáng)下均可測(cè)量。光敏二極管對(duì)變化的光信號(hào)敏感，加上偏置電阻R1和R2后會(huì)輸出合適的電信號(hào)。分壓電阻R3，R4給運(yùn)算放大器的反向輸入端提供合適的門限電壓，電信號(hào)從同向輸入端輸入，當(dāng)高于反向輸入端的門限電壓Um1時(shí)，輸出電壓翻轉(zhuǎn)到電源電壓的正極(+5 V)，當(dāng)輸入電壓低于反向端的門限電壓Um1時(shí)，輸出電壓翻轉(zhuǎn)到電源電壓的地(0 V)。由此，“吞”、“吐”條紋轉(zhuǎn)換為了脈沖信號(hào)。
2．1．2 白光干涉彩紋檢測(cè)
    該部分由光敏二極管1，偏置電阻R1，放大器A2和門限比較器A3組成。它的原理與激光類似，當(dāng)彩紋出現(xiàn)時(shí)，光強(qiáng)度變化會(huì)使光敏二極管1產(chǎn)生微弱的電信號(hào)，此信號(hào)經(jīng)過(guò)放大器A2被放大(放大器的放大倍數(shù)由電阻R6和R7決定)，再經(jīng)過(guò)門限比較器A3(門限比較器的門限值由電阻R8和R9確定)，最后轉(zhuǎn)變?yōu)榱嗣}沖信號(hào)。
2．2 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)
    步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的開(kāi)環(huán)控制元件，它的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率。采用步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)邁克爾干涉儀的微調(diào)旋鈕轉(zhuǎn)動(dòng)，避免了很多人為因素對(duì)測(cè)量的干擾。本作品選用28BYJ-48型步進(jìn)電機(jī)，它的步進(jìn)值小，提高了測(cè)量的精確度。
    步進(jìn)電機(jī)一經(jīng)選定，其性能取決于電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電壓。步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速越高，力矩越大則要求電機(jī)的電流越大，驅(qū)動(dòng)電源的電壓越高。單片機(jī)I／O口流出的電流太小不能驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，需要外接驅(qū)動(dòng)芯片增大電流。選用高壓大電流達(dá)林頓晶體管陣列ULN2003驅(qū)動(dòng)28BYJ-48型步進(jìn)電機(jī)，其工作原理如下：當(dāng)輸入端為高電平時(shí)，ULN2003輸出端為低電平；當(dāng)輸入端為低電平時(shí)，ULN2003輸出端為高電平。驅(qū)動(dòng)電路如圖5所示。

2．3 液晶顯示單元和鍵盤控制單元
    鍵盤用作數(shù)據(jù)輸入和測(cè)量步驟控制，本設(shè)計(jì)使用4×4的矩陣鍵盤，相對(duì)于獨(dú)立按鍵，矩陣鍵盤大大節(jié)省了單片機(jī)的I／O口，擴(kuò)大了按鍵功能，同時(shí)也節(jié)省了硬件資源。液晶屏作為人機(jī)交互界面，顯示實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和測(cè)量信息。

3 軟件設(shè)計(jì)
    軟件設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)測(cè)量的主體。單片機(jī)的應(yīng)用系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)，常用的是匯編語(yǔ)言和C語(yǔ)言。相對(duì)于匯編語(yǔ)言，C語(yǔ)言簡(jiǎn)潔，使用方便、靈活，可重用性高，可移植性強(qiáng)，所以系統(tǒng)采用C語(yǔ)言編寫(xiě)程序，程序流程如圖6所示。

    下面對(duì)程序的關(guān)鍵部分進(jìn)行說(shuō)明。
3．1 光電轉(zhuǎn)換部分的脈沖計(jì)數(shù)程序設(shè)計(jì)
    用單片機(jī)的外部中斷INT0腳檢測(cè)光電轉(zhuǎn)換得到的脈沖信號(hào)。當(dāng)有一個(gè)脈沖的下降沿到來(lái)時(shí)，外部中斷服務(wù)程序執(zhí)行一次。在中斷服務(wù)程序中設(shè)置記錄脈沖個(gè)數(shù)的變量mai_chong_ji_shu。在兩次脈沖間隔超過(guò)50 ms的情況下，每進(jìn)入中斷服務(wù)程序一次，mai_chong_ji_shu加1。如果兩次脈沖間隔不超過(guò)50 ms，說(shuō)明出現(xiàn)了毛刺信號(hào)，mai_chong_ji_shu不會(huì)加1，這樣設(shè)計(jì)可以除去毛刺信號(hào)。
3．2 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)及自動(dòng)調(diào)速程序設(shè)計(jì)
    驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的脈沖信號(hào)頻率越大，電機(jī)轉(zhuǎn)速越高，但頻率不能過(guò)大也不能過(guò)小，否則電機(jī)都不會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)。通過(guò)軟件延時(shí)或定時(shí)器中斷的方法可以控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。軟件延時(shí)會(huì)大量浪費(fèi)CPU資源，所以采用單片機(jī)的定時(shí)器0中斷來(lái)驅(qū)動(dòng)28BYJ-48型步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，給定時(shí)器0賦不同的初值對(duì)應(yīng)步進(jìn)電機(jī)不同的轉(zhuǎn)動(dòng)速度。若四向八拍運(yùn)行方式A-AB-B-BC-C-CD-D-DA為電機(jī)的正轉(zhuǎn)，則運(yùn)行方式DA-D-CD-C-BC-B-AB-A為
電機(jī)反轉(zhuǎn)，每運(yùn)行完一個(gè)八拍相當(dāng)于電機(jī)走一步，設(shè)計(jì)變量motor_step專門記錄電機(jī)的步數(shù)，電機(jī)正轉(zhuǎn)變量motor_step加，電機(jī)反轉(zhuǎn)變量motor_step減。motor_step值乘以電機(jī)的步長(zhǎng)值即得到步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)邁克爾干涉儀微調(diào)旋鈕轉(zhuǎn)過(guò)的長(zhǎng)度。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與精度分析
4．1 He-Ne激光波長(zhǎng)測(cè)量
    采用波長(zhǎng)為632．8 nm的He-Ne激光器作為光源。在一般實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，經(jīng)過(guò)大量測(cè)試，系統(tǒng)均能準(zhǔn)確、快速測(cè)量出波長(zhǎng)長(zhǎng)度，表1是系統(tǒng)一次測(cè)量的數(shù)據(jù)。

    系統(tǒng)自動(dòng)測(cè)量的最終結(jié)果為多次測(cè)量的平均值，由表1可以看出，與理論值非常接近，平均誤差為0．06％，遠(yuǎn)低于手動(dòng)測(cè)量產(chǎn)生的誤差。
    測(cè)量誤差主要來(lái)源于△d的測(cè)量和條紋計(jì)數(shù)N。步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)值為19．53nm，它比微調(diào)旋鈕的最小刻度100nm還要小80．47nm，提高了對(duì)△d測(cè)量的準(zhǔn)確度，因此誤差較小。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，空氣擾動(dòng)、實(shí)驗(yàn)桌的碰撞、外界振動(dòng)都會(huì)產(chǎn)生毛刺信號(hào)影響光敏二極管對(duì)干涉條紋的檢測(cè)，產(chǎn)生計(jì)數(shù)錯(cuò)誤，從而產(chǎn)生測(cè)量誤差。對(duì)于較小的毛刺信號(hào)，通過(guò)編程進(jìn)行處理，不會(huì)對(duì)條紋計(jì)數(shù)產(chǎn)生大的影響，但對(duì)于嚴(yán)重的干擾信號(hào)，系統(tǒng)無(wú)法處理。系統(tǒng)會(huì)根據(jù)測(cè)量的結(jié)果自動(dòng)判斷實(shí)驗(yàn)誤差是否在允許范圍內(nèi)，若不在，將提示重新測(cè)量。
4．2 透明薄膜厚度測(cè)量
    實(shí)驗(yàn)選用標(biāo)準(zhǔn)厚度為80μm的透明薄膜作為測(cè)試品，用阿貝折射儀測(cè)出此薄膜的折射率n=1．429 4，在一般實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，對(duì)薄膜厚度進(jìn)行了大量的測(cè)量，表2所示為測(cè)量的一部分?jǐn)?shù)據(jù)，其中d1為未插薄膜前彩色條紋出現(xiàn)時(shí)動(dòng)鏡的位置，d2為插入薄膜后彩色條紋出現(xiàn)時(shí)動(dòng)鏡的位置。

    從表2數(shù)據(jù)可以算出，測(cè)試薄膜厚度的平均值為81．600 1 μm，精度較高(測(cè)量薄膜厚度精確到了0．1 nm級(jí))。測(cè)量薄膜厚度的誤差主要來(lái)源于兩個(gè)方面，△和n的測(cè)量。雖然步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)值較小，但并不能完全消除對(duì)△測(cè)量的誤差，而是將其大大減小了。薄膜上的灰塵不可避免地影響薄膜的折射率n。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，外界的干擾以及儀器本身因素都會(huì)影響測(cè)量結(jié)果。

5 結(jié)語(yǔ)
    基于單片機(jī)改造后的邁克爾遜干涉儀可以精確、快速、自動(dòng)測(cè)量激光波長(zhǎng)和薄膜厚度。采用非接觸法測(cè)量薄膜厚度，不會(huì)對(duì)薄膜造成破壞，擴(kuò)展了邁克爾遜干涉儀的使用范圍，提高了實(shí)用性。改裝電路元器件價(jià)格低廉，組裝簡(jiǎn)單，對(duì)邁克爾遜干涉儀的手動(dòng)測(cè)量與外觀沒(méi)有任何影響，促進(jìn)了光學(xué)教學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器的發(fā)展，具有一定的市場(chǎng)前景。
    本研究在湖北師范學(xué)院物理與電子科學(xué)學(xué)院劉興云老師的指導(dǎo)下，由光學(xué)實(shí)驗(yàn)室與電子電工實(shí)驗(yàn)室提供實(shí)驗(yàn)器材，經(jīng)過(guò)小組成員的共同努力完成。在此特別感謝劉老師的指導(dǎo)，同時(shí)對(duì)湖北師范學(xué)院物理與電子科學(xué)學(xué)院和提供過(guò)幫助的老師與同學(xué)致以深切的謝意與祝福。