范淑媛,熊永紅,李紀(jì)文

(華中科技大學(xué)物理實驗中心,湖北武漢430074)

1 引 言

分光計是精確測定光偏轉(zhuǎn)角的儀器,它是光學(xué)實驗中常用的實驗儀器.光學(xué)中的許多基本量如波長、折射率等都可以直接或間接地用光的偏轉(zhuǎn)角來表示,因而這些量都可以通過使用分光計來測量.分光計的基本光學(xué)結(jié)構(gòu)又是許多光學(xué)儀器(如棱鏡光譜儀、光柵光譜儀、分光光度計、單色儀等)的基礎(chǔ)[1].故掌握分光計的調(diào)節(jié)和使用,是大學(xué)物理實驗課程要求學(xué)生掌握的基本技能之一.但是分光計的讀數(shù)麻煩,尤其在比較暗的光學(xué)實驗室內(nèi),讀數(shù)費力,容易出錯.本文采用角度傳感器來代替分光計原來的機械讀數(shù)盤,并把角度直接用數(shù)字顯示出來,實現(xiàn)快捷方便讀數(shù).

2 光電編碼器在分光計中的應(yīng)用研究

2.1 原有的分光計機械盤讀數(shù)方法

將讀數(shù)盤的內(nèi)盤即游標(biāo)盤鎖定,使之不能繞中心軸轉(zhuǎn)動;然后將讀數(shù)盤外刻度盤的鎖緊螺釘鎖緊,使之與望遠鏡同步繞中心軸轉(zhuǎn)動.則望遠鏡繞中心軸轉(zhuǎn)動的角度就可以通過讀數(shù)盤讀取轉(zhuǎn)動之前讀數(shù)和轉(zhuǎn)動之后的讀數(shù)之差得到.讀數(shù)系統(tǒng)用游標(biāo)來提高精度,精度為1′,用雙游標(biāo)來消除偏心差[2].要得到1個角度的測量值必須讀取4個數(shù)據(jù)再通過計算得到.

2.2 絕對式編碼器介紹

絕對式編碼器是光電編碼器的一種,是通過光電轉(zhuǎn)換輸出其主軸上的機械幾何位移量,并轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字的傳感器.

基本結(jié)構(gòu)如圖1所示,碼盤與狹縫盤同軸安裝在編碼器的主軸上,碼盤或狹縫盤固定在編碼器主軸上并隨主軸一起轉(zhuǎn)動,碼盤或狹縫盤固定于基座上,與其中之一相對平行安裝,兩者之間保持一定的間隙,碼盤與狹縫盤之間相對轉(zhuǎn)動.碼盤上沿徑向有若干同心碼道,每條道上由透光和不透光的扇形區(qū)相間組成,相鄰碼道的扇區(qū)數(shù)目是雙倍關(guān)系,碼盤上的碼道數(shù)就是它的二進制數(shù)碼的位數(shù)[3],狹縫盤上的狹縫與碼盤上的碼道相匹配,當(dāng)碼盤順(逆)時針轉(zhuǎn)動時,狹縫在遇到碼盤上相對應(yīng)的碼道通光部分時,呈現(xiàn)高電平狀態(tài)輸出,遇有不通光區(qū)段時,呈現(xiàn)低電平狀態(tài)輸出,各狹縫處輸出的高低電平狀態(tài)就代表了編碼器主軸的位置[4].其優(yōu)點是輸出的編碼代表角度坐標(biāo)的絕對值,容易翻譯成用數(shù)字表示的角度值,且沒有累積誤差,數(shù)據(jù)重復(fù)性好,電源切除后位置信息不會丟失.所以光電角度傳感器比其他的磁式、電容式、電阻式等傳感器更方便數(shù)字化,不需要定標(biāo)[5].本研究中采用的是16位的絕對編碼器,測角范圍在 0°～360°.

圖1 編碼器結(jié)構(gòu)工作原理圖

2.3 編碼器的安裝方法

將分光計原來的讀數(shù)機械盤去掉,重新制作適合的分光計中心軸,分光計的中心軸是固定不動的,載物臺和望遠鏡都可以繞著中心軸轉(zhuǎn)動.將中間空心的編碼器套在中心軸上,編碼器的外盤固定在望遠鏡的支架上,編碼器的空心軸固定在分光計的中心軸上,如圖2所示.編碼器輸出的角度二進制編碼信號輸送到角位移顯示器,最后在液晶屏上顯示出對應(yīng)的角度值.

讀數(shù)時,在望遠鏡轉(zhuǎn)動之前的位置處將角位移顯示器的讀數(shù)清零,然后轉(zhuǎn)動望遠鏡,角度顯示器可同步顯示轉(zhuǎn)動的角度值.最小分辨率為20″.實驗前分光計的調(diào)整和原來的調(diào)整方法一致.

2.4 消除偏心差的調(diào)整方案設(shè)計

在安裝編碼器時,可能存在編碼器的軸中心和分光計的軸中心存在不重合的情況,那么就會產(chǎn)生偏心差.如圖3所示,如果二者同軸,望遠鏡從 A端轉(zhuǎn)到B端,轉(zhuǎn)過的角度剛好是180°;如果編碼器的軸心O′在分光計的軸心O的下方,當(dāng)望遠鏡從 A轉(zhuǎn)到B時,轉(zhuǎn)角∠AOB＜180°;而此時編碼器相對轉(zhuǎn)角∠AO′B=180°,故造成角位移顯示器顯示的角度大于望遠鏡的實際轉(zhuǎn)角;同理,如果編碼器的軸心O′在分光計的軸心O的上方,當(dāng)編碼器相對轉(zhuǎn)角∠AO′B=180°時,望遠鏡的實際轉(zhuǎn)角∠AOB＞180°.機械讀數(shù)盤的偏心差是利用雙游標(biāo)讀數(shù)來解決的,而本研究中,采用精確安裝編碼器來直接消除偏心差.

圖3 偏心差分析

在調(diào)好的分光計的載物臺上放置一雙面反射鏡,并固定載物臺,將望遠鏡轉(zhuǎn)至與反射鏡一側(cè)鏡面正對垂直位置,觀察到“+”圖像,并將其調(diào)到分劃板的中心位置,將角位移數(shù)字顯示器的讀數(shù)清零.然后將望遠鏡轉(zhuǎn)到雙面反射鏡的另一側(cè),觀察“+”圖像,并也同樣將其調(diào)到望遠鏡的分劃板的中心位置,此時,如果編碼器的讀數(shù)為180°,則編碼器的中心軸O′和分光計的中心軸O重合;如果編碼器的讀數(shù)大于或小于180°,就可以通過圖3原理來判斷編碼器中心偏離的情況,從而調(diào)整角度傳感器相應(yīng)的安裝微調(diào)螺釘,經(jīng)反復(fù)多次校準(zhǔn),偏心差可以調(diào)整到±20″以內(nèi).

3 實驗結(jié)果分析

3.1 用裝有光電編碼器的分光計測三棱鏡最小偏向角

實驗步驟:

1)分光計的調(diào)節(jié)與原來的分光計實驗相同;

2)儀器調(diào)節(jié)完成后,將三棱鏡放在載物臺上,找最小偏向角(方法與原來的分光計實驗相同);

3)找到最小偏向角對應(yīng)的三棱鏡的位置,轉(zhuǎn)動望遠鏡,使得此時的折射光匯聚的像與分劃板的中心線對齊,打開角位移顯示器的電源,并將此時的讀數(shù)清零;

4)移開三棱鏡,轉(zhuǎn)動望遠鏡,對準(zhǔn)準(zhǔn)直管,使得平行光匯聚的像與分劃板的中心線對齊,此時角位移顯示器讀數(shù)即為最小偏向角的值.

5)重復(fù)第3)步和第4)步多次,即可完成最小偏向角的多次測量;

表1 用數(shù)字分光計測最小偏向角

3.2 用傳統(tǒng)的分光計測三棱鏡最小偏向角

測得數(shù)據(jù)如表2.

表2 用傳統(tǒng)分光計測最小偏向角

通過對以上2種方法測得的數(shù)據(jù)分析,可以得出用光電編碼器作為角度傳感器的分光計測量的數(shù)據(jù)比傳統(tǒng)的分光計測量的數(shù)據(jù)的A類不確定度更小,表明改造后的分光計測得的數(shù)據(jù)的可靠性更高.

4 結(jié) 論

在分光計中采用高精度的光電編碼器代替原來的機械讀數(shù)盤來獲得望遠鏡轉(zhuǎn)動的角度,這一方案實現(xiàn)了分光計的數(shù)字化.而且在精度方面,從測三棱鏡玻璃最小偏向角的實驗數(shù)據(jù)可以看出改造后的分光計精度更高,數(shù)據(jù)重復(fù)性更好,角度測量的最小分辨率為20″.在使用方面,改造后的分光計的調(diào)節(jié)部分與原來的相同,可以直接讀出望遠鏡轉(zhuǎn)動的角度,比原來的分光計更方便、快捷.故使用改造后的數(shù)字分光計可以使課堂中實驗內(nèi)容更飽滿.

[1] 熊永紅,張昆實,任忠明,等.大學(xué)物理實驗[M].北京:科學(xué)出版社,2007:6-33,56-64.

[2] 陳紅,張偉森,王德軍,等.分光計實驗研究[J].長春大學(xué)學(xué)報,2006,16(4):23-25.

[3] 姜義.光電編碼器的原理與應(yīng)用[J].技術(shù)與應(yīng)用,2010(2):16-20.

[4] 趙志巍,陳赟.一種基于金屬碼盤的新型絕對式光電軸角編碼器[J].傳感技術(shù)學(xué)報,2010,23(5):656-659.

[5] 陳劍波,王姝,萬振茂,等.角度傳感器在分光計實驗中的應(yīng)用[J].物理實驗,2008,28(5):5-8.