基本信息
- 项目名称：
- 基于单片机改造迈氏干涉仪自动测量微小长度
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 信息技术
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 基于单片机改造迈氏干涉仪用于自动测量He-Ne激光波长和透明薄膜厚度。通过单片机驱动步进电机带动仪器的微调手轮转动，使光屏上产生稳定变化的干涉条纹，使用光敏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。实验结果证明，改造后的迈克尔干涉仪提高了测量的精确度、速度和效率。
- 详细介绍：
- 作品基于单片机改造了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透明的薄膜厚度，系统工作原理如图1所示： 图1 系统工作原理图 1、激光波长测量：使用氦氖激光作光源，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。 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L=|d2-d1|/(n-1)进行处理，即可得到薄膜厚度。 图2 白光干涉原理图 仪器改造后的主要特点： 改造后的迈克尔逊干涉仪提高了实验的效率和准确度，拓宽了使用范围，不仅可以自动测量激光波长，避免了以往的人眼计数、手动调节等操作过程所引起的人为误差，而且能利用白光干涉自动测量透明薄膜厚度，所采用光学的非接触性测量方法不会对薄膜造成损害，有一定的创新意义和实用价值！
作品图片
作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 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。
科学性、先进性
- 科学性： 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，增加电子技术模块，实现了微小长度的自动测量，提高了测量的精确度、准确度、速度和效率。 先进性： 与普通的迈克尔逊干涉仪相比，改造后的迈氏干涉仪技术上有四大优势： （1）采用步进值较小的步进电机带动微调旋钮转动。此改装相比实验者手动调节具有速度快、转速均匀的特点；提高了测量的精确度； （2）利用光敏二极管代替人眼观测。光敏二极管比人眼对光信号反应灵敏，在波长测量时能够较为准确快速地进行条纹计数，缩短了实验的时间，避免了人眼观察的疲劳和主观人为因素的干扰； （3）用程序设计实现测量过程的自动化。 （4）改换白光官光源，扩展迈克尔逊干涉仪的使用范围。改造前的迈克尔逊干涉仪仅仅使用激光光源，无法实现对固定物体厚度的测量，改用白光后，利用白光干涉原理实现对薄膜厚度的测量。
获奖情况及鉴定结果
- 本作品于2010年12月18日由湖北省教育厅举办，华中科技大学承办，光谷体育馆举行的“湖北省首届大学生物理创新实验设计大赛”中获得“一等奖”。
作品所处阶段
- 实验室阶段
技术转让方式
- 无
作品可展示的形式
- 现场演示
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 迈克尔逊干涉仪测激光波长实验在大学物理实验中占有重要地位。实验中通常要求实验者连续数几百个“吞”或“吐”的干涉条纹。实验者长时间盯着条纹,眼睛容易疲劳,造成人为误差。因此，为了保护实验者视力,提高测量精度,基于单片机设计了本作品，操作简单、测量精确度高。 薄膜厚度是薄膜性能参数的重要指标，如何准确而快速方便地测量膜厚在实验中具有十分重要的意义。作品自动测量透明薄膜厚度，达到了 米量级。采用非接触法测量，不会破坏薄膜，扩展了迈克尔逊干涉仪的适用范围，提高了实用性。对白光干涉理论的应用探究，推动了普通大学物理实验的创新与发展。 改进后的实验装置适用于精准测量光波波长和各种透明薄膜的厚度，改装电路元件价格低廉，组装简单，对迈克尔逊干涉仪的手动测量与外观没有任何影响，促进了光学教学实验仪器的发展，有一定的市场前景。
同类课题研究水平概述
- 迈克尔逊干涉仪是根据光的干涉原理制成的一种精密的光学仪器，在近代物理和计量技术中有着广泛应用，用迈克尔逊干涉仪可以测量光波的波长、微小长度、光源的相干长度，还可以研究如温度、压强、电场、磁场以及媒介运动等物理因素对光的传播等等。 利用迈克尔逊干涉仪，实验室能够较容易实现对激光波长和微小长度的变化量的手动测量，但实验过程复杂、效率低。目前在国内，迈克逊干涉仪对透明薄膜厚度的自动化测量还没有完全实现。本作品能够实现波长和薄膜厚度的自动化测量，此高效、精密、全自动化的迈克尔逊干涉仪一旦投入生产，将被市场广泛需求。 作品采用两个灵敏的光敏二极管设计了自动条纹计数系统，避免人眼计数，提高实验效率，且在一般光强下均可适用。薄膜厚度是薄膜性能参数的重要指标，如何准确而快速方便地测量膜厚在实验中具有十分重要的意义。作品自动测量透明薄膜厚度，达到了 米量级。采用非接触法测量，不会破坏薄膜，扩展了迈克尔逊干涉仪的适用范围，提高了实用性。对白光干涉理论的应用探究，推动了普通大学物理实验的创新与发展。 改进后的实验装置适用于精准测量光波波长和各种透明薄膜的厚度，改装电路元件价格低廉，组装简单，对迈克尔逊干涉仪的手动测量与外观没有任何影响，促进了光学教学实验仪器的发展，有一定的市场前景。
