陳修芳 趙 斌 張 多

（武漢輕工大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，湖北 武漢430023）

自20 世紀(jì)60 年代初激光問世以來，激光已成為精密測(cè)量中的有利工具。 目前出現(xiàn)的各種各樣的激光位移測(cè)量?jī)x，都是靠人的眼睛來讀數(shù)，這就不可避免地引起個(gè)人的視覺誤差或同一個(gè)人目測(cè)時(shí)的統(tǒng)計(jì)誤差，從而影響產(chǎn)品的質(zhì)量[1]。本文介紹一種具有數(shù)顯記錄和語音播報(bào)功能的法布里-珀羅干涉測(cè)微儀，該裝置精度高、穩(wěn)定性好、能夠準(zhǔn)確測(cè)出微小長(zhǎng)度及微小位移。

1 法布里-珀羅干涉測(cè)微儀的基本組成和工作原理

本測(cè)微儀由He-Ne 激光光源、干涉鏡片、精密滑塊、測(cè)量探頭、自制蝸輪蝸桿傳動(dòng)裝置（見圖1）和記錄裝置等組成（具體組裝圖見圖2）。

圖1 蝸輪蝸桿傳動(dòng)裝置

圖2 法布里-珀羅干涉測(cè)微儀的組裝圖

法布里-珀羅干涉測(cè)微儀由平行放置的兩塊鍍有高反射率薄膜的平面玻璃鏡片組成， 當(dāng)光束通過兩塊以固定的間距放置的玻璃鏡片時(shí)，就會(huì)發(fā)生多光束干涉的現(xiàn)象[2]。當(dāng)鍍有高反膜兩鏡片之間距離的改變量為λ／2，就能觀察到一個(gè)環(huán)的吞吐。 因其干涉條紋非常細(xì)銳，我們從理論上推導(dǎo)出兩玻璃片間的距離d 與最內(nèi)層圓環(huán)半徑r 的關(guān)系[3]，制作了r 變化的細(xì)化標(biāo)尺（10 個(gè)圓環(huán)刻度），表示r 每變化一個(gè)刻度，Δd 就改變?chǔ)耍?0，通過記錄吞吐環(huán)的數(shù)目，并測(cè)量始末狀態(tài)時(shí)最內(nèi)層圓環(huán)半徑r 的大小，從而達(dá)到測(cè)量微小長(zhǎng)度的目的，使測(cè)量精度可達(dá)λ／20。該裝置的實(shí)驗(yàn)原理是使一鏡片固定，位置始終保持不變；另一鏡片固定在裝有測(cè)量頭的精密滑塊上，通過滑塊移動(dòng)而使兩鏡片之間距離改變，Δd 即是測(cè)量探頭的位移量。通過自制的計(jì)錄裝置記錄吞吐圓環(huán)的個(gè)數(shù)N，從而實(shí)現(xiàn)測(cè)量微小長(zhǎng)度及微小長(zhǎng)度的變化ΔL＝Nλ／2。 記錄裝置的工作原理如圖3 所示。 光敏管放置在干涉條紋的中心，將條紋光強(qiáng)變化及背景光信號(hào)的疊加信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，用來驅(qū)動(dòng)計(jì)算器數(shù)字顯示和語音播報(bào)。

圖3 記錄裝置原理圖

圖4 虛光源法研究F-P 干涉儀的非定域干涉

表1 d－r 關(guān)系表

通過計(jì)算器計(jì)錄縮進(jìn)或冒出的環(huán)數(shù)以及用游標(biāo)卡尺測(cè)量始末狀態(tài)時(shí)最內(nèi)層圓環(huán)半徑r 的大小， 對(duì)照表1 即可得到待測(cè)物體的厚度，該方法能將測(cè)量精度提高一個(gè)數(shù)量級(jí)。

2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析處理

先用螺旋測(cè)微器測(cè)得銅薄片的厚度約為84μm-85μm。法布里-珀羅干涉測(cè)微儀測(cè)銅薄片的具體操作如下：

1）先將待測(cè)銅片放在測(cè)量探頭（與一塊玻璃板一起固定在精密滑塊上）和基準(zhǔn)臺(tái)之間，探頭只受滑塊的重力作用壓在待測(cè)片上，記錄初態(tài)r 的大?。?/p>

2）調(diào)節(jié)蝸輪，使蝸桿緩慢上升，當(dāng)蝸桿頂?shù)骄芑瑝K，測(cè)量探頭與一玻璃板一起開始上升，d 開始變小，計(jì)數(shù)器開始自動(dòng)計(jì)入縮進(jìn)環(huán)數(shù)，隨后測(cè)量探頭由蝸桿帶動(dòng)上升到合適高度，得到總的縮進(jìn)環(huán)數(shù)，即得探頭上升的高度；

3）取出待測(cè)銅片，反向調(diào)節(jié)蝸輪，測(cè)量探頭受滑塊的重力作用隨蝸桿緩慢下降，d 將變大，計(jì)數(shù)器開始自動(dòng)計(jì)入冒出環(huán)數(shù)，直到探頭觸及到基準(zhǔn)平臺(tái)， 繼續(xù)反向調(diào)節(jié)蝸輪， 蝸桿將與滑塊分離，d 將不會(huì)改變，計(jì)數(shù)器將停止記數(shù)。 記錄此時(shí)r 的大小，由此得到總的冒出環(huán)數(shù)，即得探頭下降的高度。

通過計(jì)算縮進(jìn)和冒出的環(huán)數(shù)之差及比較始末狀態(tài)時(shí)r 的大小，得到銅片的厚度。 具體的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2。

表2 用法布里-珀羅干涉測(cè)微儀測(cè)銅片厚度的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明一致性較好， 誤差主要來源于探頭與銅片接觸縫隙，精密滑塊的精度及銅片本身厚薄的均勻性。 該裝置運(yùn)用的純光學(xué)干涉的方法，避免了機(jī)械螺距及空程間隙帶來的誤差。 在測(cè)量不同的材料時(shí)可選用不同的測(cè)量探頭；而且在測(cè)量和讀數(shù)的始末狀態(tài)，測(cè)量探頭只受滑塊重力的作用，盡可能地減小了接觸性測(cè)量中由于受力不同造成松緊程度不同而帶來的誤差。 該裝置使用的精密滑塊技術(shù)參數(shù)： 縱向位移100mm 時(shí)， 橫向偏差僅為3μm， 該裝置的縱向位移在1mm 內(nèi)，橫向偏差較小。

3 結(jié)語

該測(cè)微儀利用渦輪傳動(dòng)裝置實(shí)現(xiàn)了一種新的測(cè)量微小位移及微小長(zhǎng)度的方法，在測(cè)量靈敏度及測(cè)量精度上有所突破，利用自制的計(jì)錄裝置實(shí)現(xiàn)了測(cè)量結(jié)果的語音播報(bào)及數(shù)字顯示功能；同時(shí)也為大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可視化和直觀化提供了新的嘗試。該測(cè)微儀的制作涵蓋了力、熱、聲、光、電和近代物理各個(gè)模塊的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。該裝置結(jié)構(gòu)精巧、操作簡(jiǎn)單，大部分都是利用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的和廢舊的儀器加工制作而來，性價(jià)比高，用途廣泛，測(cè)量精準(zhǔn)，是一個(gè)比較實(shí)用，便于推廣的實(shí)驗(yàn)測(cè)量裝置，具有較高的實(shí)用推廣價(jià)值及市場(chǎng)前景。

［1］韓平,岳連德,吳蓮秀.高精密數(shù)顯測(cè)微儀[J].洛陽工學(xué)院學(xué)報(bào),1996,17(3):31-35.

［2］程曉輝,趙洋,李達(dá)成.F-P 干涉儀在長(zhǎng)度測(cè)量領(lǐng)域的應(yīng)用[J].激光技術(shù),1999,23(3):134-137.

［3］祁勝文,劉貴忠.用激光作光源的非定域干涉研究[J].德州學(xué)院學(xué)報(bào),2003,19(2):16-19.