基本信息
- 項目名稱：
- 基于單片機改造邁氏干涉儀自動測量微小長度
- 小類：
- 信息技術
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 基于單片機改造邁氏干涉儀用于自動測量He-Ne激光波長和透明薄膜厚度。通過單片機驅(qū)動步進電機帶動儀器的微調(diào)手輪轉(zhuǎn)動，使光屏上產(chǎn)生穩(wěn)定變化的干涉條紋，使用光敏二極管檢測條紋信號光強變化，通過光電轉(zhuǎn)換電路將光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，輸入到單片機進行處理，測量結(jié)果自動顯示在液晶屏上。實驗結(jié)果證明，改造后的邁克爾干涉儀提高了測量的精確度、速度和效率。
- 詳細介紹：
- 作品基于單片機改造了邁克爾干涉儀進行微小長度的自動測量，測量對象為激光波長和透明的薄膜厚度，系統(tǒng)工作原理如圖1所示： 圖1 系統(tǒng)工作原理圖 1、激光波長測量：使用氦氖激光作光源，利用光的分振幅干涉法。用步進電機帶動微調(diào)手輪轉(zhuǎn)動代替手動調(diào)節(jié)，電機旋轉(zhuǎn)角度對應光程差2△d；光屏上得到的"吞"、"吐"條紋通過光電轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為脈沖信號，輸入到單片機進行計數(shù)(條紋數(shù)n)，代替了人眼觀察條紋計數(shù)；測量步驟、結(jié)果（波長λ=2△d/n）及相對誤差通過液晶屏顯示，從而實現(xiàn)波長自動測量。 2、薄膜厚度測量：使用白光作光源，利用等厚干涉法。光路原理圖如圖2所示，當白光光程差為零時發(fā)生干涉現(xiàn)象, 將光屏上的彩色條紋通過光電轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為脈沖信號，同時記錄M1的初位置d1；放入薄膜后，光程差增大，彩色條紋消失；電機帶動M1移動到彩紋再現(xiàn)，記錄M1的末位置d2。用阿貝折射儀測出薄膜折射率n，輸入到單片機，根據(jù)公式L=|d2-d1|/(n-1)進行處理，即可得到薄膜厚度。 圖2 白光干涉原理圖 儀器改造后的主要特點： 改造后的邁克爾遜干涉儀提高了實驗的效率和準確度，拓寬了使用范圍，不僅可以自動測量激光波長，避免了以往的人眼計數(shù)、手動調(diào)節(jié)等操作過程所引起的人為誤差，而且能利用白光干涉自動測量透明薄膜厚度，所采用光學的非接觸性測量方法不會對薄膜造成損害，有一定的創(chuàng)新意義和實用價值！
作品圖片
作品專業(yè)信息
設計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術關鍵和主要技術指標
- 薄膜厚度是薄膜性能參數(shù)的重要指標，如何準確、快速、方便地測量膜厚在實驗中具有十分重要的意義。邁克爾遜干涉儀測量激光波長是大學物理實驗中重要的一部分，實驗時實驗者手動調(diào)節(jié)微調(diào)手輪，人眼觀察干涉條紋，帶來很多人為誤差，影響測量結(jié)果。為了保護實驗者視力,提高測量精度,擴大測量范圍，同時促進光學教學實驗儀器的發(fā)展，在研究單片機的基礎上，對邁克爾遜干涉儀進行了探索和改造。改造后的邁克爾遜干涉儀在不改變物理學基本原理的基礎上，增加了電子技術中的大量元素，使物理學和電子技術很好地結(jié)合起來，實現(xiàn)了對激光波長和薄膜厚度的自動測量。測量簡便、精確度高，有一定的實用性。
科學性、先進性
- 科學性： 改造后的邁克爾遜干涉儀在不改變物理基本原理的基礎上，增加電子技術模塊，實現(xiàn)了微小長度的自動測量，提高了測量的精確度、準確度、速度和效率。 先進性： 與普通的邁克爾遜干涉儀相比，改造后的邁氏干涉儀技術上有四大優(yōu)勢： （1）采用步進值較小的步進電機帶動微調(diào)旋鈕轉(zhuǎn)動。此改裝相比實驗者手動調(diào)節(jié)具有速度快、轉(zhuǎn)速均勻的特點；提高了測量的精確度； （2）利用光敏二極管代替人眼觀測。光敏二極管比人眼對光信號反應靈敏，在波長測量時能夠較為準確快速地進行條紋計數(shù)，縮短了實驗的時間，避免了人眼觀察的疲勞和主觀人為因素的干擾； （3）用程序設計實現(xiàn)測量過程的自動化。 （4）改換白光官光源，擴展邁克爾遜干涉儀的使用范圍。改造前的邁克爾遜干涉儀僅僅使用激光光源，無法實現(xiàn)對固定物體厚度的測量，改用白光后，利用白光干涉原理實現(xiàn)對薄膜厚度的測量。
獲獎情況及鑒定結(jié)果
- 本作品于2010年12月18日由湖北省教育廳舉辦，華中科技大學承辦，光谷體育館舉行的“湖北省首屆大學生物理創(chuàng)新實驗設計大賽”中獲得“一等獎”。
作品所處階段
- 實驗室階段
技術轉(zhuǎn)讓方式
- 無
作品可展示的形式
- 現(xiàn)場演示
使用說明,技術特點和優(yōu)勢,適應范圍,推廣前景的技術性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預測
- 邁克爾遜干涉儀測激光波長實驗在大學物理實驗中占有重要地位。實驗中通常要求實驗者連續(xù)數(shù)幾百個“吞”或“吐”的干涉條紋。實驗者長時間盯著條紋,眼睛容易疲勞,造成人為誤差。因此，為了保護實驗者視力,提高測量精度,基于單片機設計了本作品，操作簡單、測量精確度高。 薄膜厚度是薄膜性能參數(shù)的重要指標，如何準確而快速方便地測量膜厚在實驗中具有十分重要的意義。作品自動測量透明薄膜厚度，達到了 米量級。采用非接觸法測量，不會破壞薄膜，擴展了邁克爾遜干涉儀的適用范圍，提高了實用性。對白光干涉理論的應用探究，推動了普通大學物理實驗的創(chuàng)新與發(fā)展。 改進后的實驗裝置適用于精準測量光波波長和各種透明薄膜的厚度，改裝電路元件價格低廉，組裝簡單，對邁克爾遜干涉儀的手動測量與外觀沒有任何影響，促進了光學教學實驗儀器的發(fā)展，有一定的市場前景。
同類課題研究水平概述
- 邁克爾遜干涉儀是根據(jù)光的干涉原理制成的一種精密的光學儀器，在近代物理和計量技術中有著廣泛應用，用邁克爾遜干涉儀可以測量光波的波長、微小長度、光源的相干長度，還可以研究如溫度、壓強、電場、磁場以及媒介運動等物理因素對光的傳播等等。 利用邁克爾遜干涉儀，實驗室能夠較容易實現(xiàn)對激光波長和微小長度的變化量的手動測量，但實驗過程復雜、效率低。目前在國內(nèi)，邁克遜干涉儀對透明薄膜厚度的自動化測量還沒有完全實現(xiàn)。本作品能夠?qū)崿F(xiàn)波長和薄膜厚度的自動化測量，此高效、精密、全自動化的邁克爾遜干涉儀一旦投入生產(chǎn)，將被市場廣泛需求。 作品采用兩個靈敏的光敏二極管設計了自動條紋計數(shù)系統(tǒng)，避免人眼計數(shù)，提高實驗效率，且在一般光強下均可適用。薄膜厚度是薄膜性能參數(shù)的重要指標，如何準確而快速方便地測量膜厚在實驗中具有十分重要的意義。作品自動測量透明薄膜厚度，達到了 米量級。采用非接觸法測量，不會破壞薄膜，擴展了邁克爾遜干涉儀的適用范圍，提高了實用性。對白光干涉理論的應用探究，推動了普通大學物理實驗的創(chuàng)新與發(fā)展。 改進后的實驗裝置適用于精準測量光波波長和各種透明薄膜的厚度，改裝電路元件價格低廉，組裝簡單，對邁克爾遜干涉儀的手動測量與外觀沒有任何影響，促進了光學教學實驗儀器的發(fā)展，有一定的市場前景。
