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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 基于單片機(jī)改造邁氏干涉儀自動(dòng)測量微小長度
- 小類：
- 信息技術(shù)
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 基于單片機(jī)改造邁氏干涉儀用于自動(dòng)測量He-Ne激光波長和透明薄膜厚度。通過單片機(jī)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)儀器的微調(diào)手輪轉(zhuǎn)動(dòng)，使光屏上產(chǎn)生穩(wěn)定變化的干涉條紋，使用光敏二極管檢測條紋信號光強(qiáng)變化，通過光電轉(zhuǎn)換電路將光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺斎氲絾纹瑱C(jī)進(jìn)行處理，測量結(jié)果自動(dòng)顯示在液晶屏上。實(shí)驗(yàn)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(xì)介紹：
- 作品基于單片機(jī)改造了邁克爾干涉儀進(jìn)行微小長度的自動(dòng)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(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)角度對應(yīng)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(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(shí)現(xiàn)波長自動(dòng)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(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光電轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為脈沖信號，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。用阿貝折射儀測出薄膜折射率n，輸入到單片機(jī)，根據(jù)公式L=|d2-d1|/(n-1)進(jìn)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(diǎn)： 改造后的邁克爾遜干涉儀提高了實(shí)驗(yàn)的效率和準(zhǔn)確度，拓寬了使用范圍，不僅可以自動(dòng)測量激光波長，避免了以往的人眼計(jì)數(shù)、手動(dòng)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(dòng)測量透明薄膜厚度，所采用光學(xué)的非接觸性測量方法不會(huì)對薄膜造成損害，有一定的創(chuàng)新意義和實(shí)用價(jià)值！
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 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。邁克爾遜干涉儀測量激光波長是大學(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，帶來很多人為誤差，影響測量結(jié)果。為了保護(hù)實(shí)驗(yàn)者視力,提高測量精度,擴(kuò)大測量范圍，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，實(shí)現(xiàn)了對激光波長和薄膜厚度的自動(dòng)測量。測量簡便、精確度高，有一定的實(shí)用性。
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 科學(xué)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(chǔ)上，增加電子技術(shù)模塊，實(shí)現(xiàn)了微小長度的自動(dòng)測量，提高了測量的精確度、準(zhǔn)確度、速度和效率。 先進(jìn)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(shù)上有四大優(yōu)勢： （1）采用步進(jìn)值較小的步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)微調(diào)旋鈕轉(zhuǎn)動(dòng)。此改裝相比實(shí)驗(yàn)者手動(dòng)調(diào)節(jié)具有速度快、轉(zhuǎn)速均勻的特點(diǎn)；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(yīng)靈敏，在波長測量時(shí)能夠較為準(zhǔn)確快速地進(jìn)行條紋計(jì)數(shù)，縮短了實(shí)驗(yàn)的時(shí)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(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)測量過程的自動(dòng)化。 （4）改換白光官光源，擴(kuò)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(shí)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(shí)現(xiàn)對薄膜厚度的測量。
獲獎(jiǎng)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(xué)承辦，光谷體育館舉行的“湖北省首屆大學(xué)生物理創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)大賽”中獲得“一等獎(jiǎng)”。
作品所處階段
- 實(shí)驗(yàn)室階段
技術(shù)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(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測
- 邁克爾遜干涉儀測激光波長實(shí)驗(yàn)在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中占有重要地位。實(shí)驗(yàn)中通常要求實(shí)驗(yàn)者連續(xù)數(shù)幾百個(gè)“吞”或“吐”的干涉條紋。實(shí)驗(yàn)者長時(shí)間盯著條紋,眼睛容易疲勞,造成人為誤差。因此，為了保護(hù)實(shí)驗(yàn)者視力,提高測量精度,基于單片機(jī)設(shè)計(jì)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(biāo)，如何準(zhǔn)確而快速方便地測量膜厚在實(shí)驗(yàn)中具有十分重要的意義。作品自動(dòng)測量透明薄膜厚度，達(dá)到了 米量級。采用非接觸法測量，不會(huì)破壞薄膜，擴(kuò)展了邁克爾遜干涉儀的適用范圍，提高了實(shí)用性。對白光干涉理論的應(yīng)用探究，推動(dòng)了普通大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新與發(fā)展。 改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置適用于精準(zhǔn)測量光波波長和各種透明薄膜的厚度，改裝電路元件價(jià)格低廉，組裝簡單，對邁克爾遜干涉儀的手動(dòng)測量與外觀沒有任何影響，促進(jìn)了光學(xué)教學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器的發(fā)展，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(xué)儀器，在近代物理和計(jì)量技術(shù)中有著廣泛應(yīng)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(qiáng)、電場、磁場以及媒介運(yùn)動(dòng)等物理因素對光的傳播等等。 利用邁克爾遜干涉儀，實(shí)驗(yàn)室能夠較容易實(shí)現(xiàn)對激光波長和微小長度的變化量的手動(dòng)測量，但實(shí)驗(yàn)過程復(fù)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(dòng)化測量還沒有完全實(shí)現(xiàn)。本作品能夠?qū)崿F(xiàn)波長和薄膜厚度的自動(dòng)化測量，此高效、精密、全自動(dòng)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(gè)靈敏的光敏二極管設(shè)計(jì)了自動(dòng)條紋計(jì)數(shù)系統(tǒng)，避免人眼計(jì)數(shù)，提高實(shí)驗(yàn)效率，且在一般光強(qiáng)下均可適用。薄膜厚度是薄膜性能參數(shù)的重要指標(biāo)，如何準(zhǔn)確而快速方便地測量膜厚在實(shí)驗(yàn)中具有十分重要的意義。作品自動(dòng)測量透明薄膜厚度，達(dá)到了 米量級。采用非接觸法測量，不會(huì)破壞薄膜，擴(kuò)展了邁克爾遜干涉儀的適用范圍，提高了實(shí)用性。對白光干涉理論的應(yīng)用探究，推動(dòng)了普通大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新與發(fā)展。 改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置適用于精準(zhǔn)測量光波波長和各種透明薄膜的厚度，改裝電路元件價(jià)格低廉，組裝簡單，對邁克爾遜干涉儀的手動(dòng)測量與外觀沒有任何影響，促進(jìn)了光學(xué)教學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器的發(fā)展，有一定的市場前景。
