曹雨淅，吳相龍，陳 凱，羅 浩

(西南科技大學(xué)，四川 綿陽 621010)

如今，在諸多照明領(lǐng)域當(dāng)中，LED的使用十分廣泛，隨著其使用的不斷發(fā)展，對其各方面性能的要求也越加嚴(yán)格。而其封裝材料會嚴(yán)重影響LED的性能與使用壽命，封裝材料的主要特性參數(shù)之一就是熱膨脹系數(shù)[1，2]。在材料熱膨脹系數(shù)測量方面，隨著激光器和計算機(jī)的誕生以及各學(xué)科的進(jìn)步，有關(guān)材料熱膨脹的研究正朝著更加精確、方便、快捷的方向不斷發(fā)展。采用更為精密準(zhǔn)確的方法來提升熱膨脹系數(shù)的測量范圍及測量精度，是我國在此方面的主要研究方向。

圖1 邁克爾遜干涉儀原理圖

邁克爾遜干涉儀是大物實驗中的典型實驗裝置，通過對干涉儀進(jìn)行調(diào)整，可以產(chǎn)生等傾干涉條紋與等厚干涉條紋，而利用干涉條紋的變化，可對相關(guān)的微小量進(jìn)行測量[3-5]。因此對邁克爾遜干涉儀進(jìn)行改進(jìn)以測量LED封裝材料的熱膨脹系數(shù)，并且借助當(dāng)今迅速發(fā)展的電子技術(shù)與計算機(jī)技術(shù)可以極大的提高光學(xué)測量的精度和效率。

1 設(shè)計思想

以測量熱膨脹系數(shù)為切入點，為平臺實現(xiàn)實驗數(shù)據(jù)的可視化，實驗結(jié)果的精確化。通過適當(dāng)改變實驗器材，引入單片機(jī)技術(shù)，對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行實時控制與監(jiān)測，利用編程，對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行及時的處理。聯(lián)系邁克爾遜干涉儀與人工智能化，從而實現(xiàn)利用邁克爾遜干涉儀測量熱膨脹系數(shù)自動計數(shù)，自動計算。

對于觀察者而言不用再花費(fèi)大量的時間去讀條紋變化數(shù)，提高了效率；同時因為探測器計數(shù)擁有比人眼計數(shù)更高的精確度，所以也能夠提高精度。通過編程設(shè)計，自動計算熱膨脹系數(shù)，進(jìn)一步提高效率。

2 系統(tǒng)改造方案

式中L0為待測材料原長，可由游標(biāo)卡尺測得。N為當(dāng)合金溫度變化ΔT時干涉條紋變化的個數(shù)，λ=632.8 nm為氦氖激光的波長。

圖2 測量方案原理圖

3 電路及軟件設(shè)計

3.1 干涉條紋識別系統(tǒng)

該方案采用STM32F103C8T6作為主控，利用光敏三極管對干涉條紋的明暗進(jìn)行檢測。如果光敏三極管處于暗條紋區(qū)間，則三極管截斷，從而使得運(yùn)放輸入端獲得一個3v3的高電平。由于運(yùn)放采用的是電壓跟隨器，所以輸出電壓也是3v3。單片機(jī)此時對輸出電壓進(jìn)行檢測就可以分辯出何時處于暗條紋階段，當(dāng)兩個光敏管連續(xù)檢測3次高電平，暗條紋的數(shù)量便加一。隨后對驅(qū)動舵機(jī)進(jìn)行微調(diào)可以使得光敏三極管繼續(xù)向前探測，當(dāng)再次探測到高電壓時，就會立即使舵機(jī)停止驅(qū)動。即可達(dá)到自動調(diào)節(jié)干涉條紋，提高其檢測的精確性。

OLED屏幕可以顯示當(dāng)前條紋的數(shù)目，按鍵可以觸發(fā)計數(shù)開始(清零)/暫停，并可以控制舵機(jī)速度加快或者減慢。LED燈通過燈光閃爍以顯示程序是否正在執(zhí)行。

圖3 干涉條紋識別系統(tǒng)

3.2 測量封裝材料的溫度

利用溫度傳感器可以實現(xiàn)對封裝材料的溫度變化的測量。通過在封裝材料上均勻纏繞上加熱電阻絲，電阻絲通電后封裝材料便會因加熱而產(chǎn)生膨脹，將溫度傳感器與封裝材料相連接便可測量出其溫度變化的相關(guān)數(shù)據(jù)。將數(shù)據(jù)傳輸至計算機(jī)當(dāng)中，便可以進(jìn)行相關(guān)計算。

3.3 編寫程序

通過Qt Creator進(jìn)行計算機(jī)軟件的界面設(shè)計[6]，利用C語言進(jìn)行程序編寫，可以實現(xiàn)運(yùn)用該系統(tǒng)計算封裝材料的熱膨脹系數(shù)以及對干涉條紋變化數(shù)和溫度變化的展示。整個系統(tǒng)使用簡單，計算快捷。

自編小軟件運(yùn)行界面左側(cè)依次展示材料原長，初始以及最終的溫度，條紋的變化數(shù)目，He-Ne激光的波長等數(shù)據(jù)，通過自動計算輸出得到熱膨脹系數(shù)。界面右側(cè)可以多次輸入測量后的計算結(jié)果，然后求得平均值，從而減少測量誤差，提高準(zhǔn)確度。

代碼運(yùn)行樣例如下

圖4 計算系統(tǒng)界面

4 結(jié) 語

本文利用單片機(jī)技術(shù)實現(xiàn)了對干涉條紋的自動識別，利用計算機(jī)編程技術(shù)實現(xiàn)了數(shù)據(jù)可視化以及自動計算的功能。優(yōu)化了邁克爾遜干涉儀在測量熱膨脹系數(shù)當(dāng)中的應(yīng)用，將信息化、智能化技術(shù)引入到邁克爾遜干涉儀當(dāng)中，使測熱膨脹系數(shù)更方便快捷，減少了測量誤差，增加了準(zhǔn)確度，節(jié)省了人力，提高了速率。將現(xiàn)代化信息技術(shù)與大學(xué)物理實驗器材在實驗中的實際運(yùn)用相結(jié)合，獲得了更廣闊的開發(fā)空間，增加了實用性與可操作性。