CN103065533B - 牛顿环干涉条纹计数装置及计数方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种牛顿环干涉条纹计数装置及方法，其特征在于：光电传感器对准开合窗，采集明暗干涉条纹信息，检测出其接收到的光强的变化量，转换为电信号并输入到光电调节电路，进行数据处理；容栅传感器则把机械位移量转变成电信号的相位变化量，然后送给容栅传感调节电路进行数据处理；CPU，对液晶屏的内部寄存器、显存操作控制处理，使条纹距离信息通过接口和电缆传输到容栅传感集成电路上，通过显示屏显示出条纹个数和距离信息来在液晶屏上显示出条纹个数和距离。
Description
技术领域
本发明涉及一种牛顿环干涉条纹计数装置及计数方法，属于物理光学领域。
背景技术
牛顿环是光的一种干涉图样，是一些明暗相间的同心圆环。大学物理实验中用一个曲率半径很大的凸透镜和平面玻璃接触，在平行单色光下照射时，用显微镜可以看到以接触点为圆心，其周围为一些明暗相间的同心圆环的现象。
牛顿环中这些圆圈的距离不等，随离中心点的距离的增加而逐渐变窄。实验中使用读数显微镜观察干涉条纹，需要记录几十级次的条纹距离，数起来很不方便，容易出现数错，数乱的现象，给实验带来不便。
发明内容
为此，本发明公开了一种牛顿环干涉条纹计数装置，具有：支架、钠光灯、牛顿环仪、半反半透镜、开合窗、传动鼓轮、主显示器、传动杆、机箱、定栅、动栅、光电传感器、电源、液晶屏控制电路、光电调节电路、容栅传感集成电路和CPU控制电路，其特征在于，牛顿环仪放置在支架上；钠光灯发出平行入射的单色光，在牛顿环仪之间的空气层上下表面反射形成干涉条纹，透过半反半透镜后，照射入开合窗；转动传动鼓轮带动传动杆左右移动；光电传感器对准开合窗，采集明暗干涉条纹信息，检测出其接收到的光强的变化量，转换为电信号并输入到光电调节电路，进行数据处理；定栅固定在传动杆上，动栅与光电传感器一起，随传动杆左右移动；容栅传感器则把机械位移量转变成电信号的相位变化量，然后送给容栅传感调节电路进行数据处理；CPU，对液晶屏的内部寄存器、显存操作控制处理，使条纹距离信息通过接口和电缆传输到容栅传感集成电路上，通过显示屏显示出条纹个数和距离信息来在液晶屏上显示出条纹个数和距离。
本发明还公开了一种牛顿环干涉条纹计数方法，其特征在于：（1）钠光灯发出平行入射的单色光，在牛顿环仪之间的空气层上下表面反射形成干涉条纹，透过半反半透镜后，照射入开合窗；（2）转动传动鼓轮带动传动杆左右移动；（3）采集明暗干涉条纹信息，检测出其接收到的光强的变化量，转换为电信号并输入到光电调节电路，进行数据处理；（4）动栅与光电传感器一起随传动杆左右移动；（5）把机械位移量转变成电信号的相位变化量，然后送给容栅传感调节电路进行数据处理；（6）CPU对液晶屏的内部寄存器、显存操作控制处理，使条纹距离信息通过接口和电缆传输到容栅传感集成电路上，通过显示屏显示出条纹个数和距离信息来在液晶屏上显示出条纹个数和距离。
采用自动数字化的计数和数显模式，避免肉眼观察牛顿环带来的不便，能够从任意条纹开始，记录任意条纹的个数和距起点条纹的距离，方便实验中对牛顿环的数据的处理和记录，提高实验的效率。
附图说明
图1为本发明的计数装置的结构示意图；
图2为本发明的计数装置中主显示器的结构图；
图3为本发明的计数装置的电路原理框图；
图4为本发明的机箱内的结构示意图。
具体实施方式
图中支架1，钠光灯2，牛顿环仪3，半反半透镜4，开合窗5，传动鼓轮6，主显示器7，传动杆8，机箱9，定栅10，动栅11，光电传感器12，电源13，液晶屏控制电路14，光电调节电路15，容栅传感集成电路16，CPU控制电路17，清零计数按钮18，清零距离按钮19，开关按钮20，显示屏21，电源插座22，电源指示灯23，内壁28，接口30，电缆31，导线32。
针对大学物理实验用牛顿环测平凸透镜的曲率半径中，实验中需要人眼观察几十级次的明暗条纹，并用读数显微镜读取所需级次条纹距牛顿环中心的距离，实验过程复杂，容易出现数错，数乱的现象，给实验带来不便。本发明内容涉及一种明暗条纹自动计数和数显的装置，能够很大程度的减少实验时间，方便实验对数据的记录和处理，提高实验的效率。
该装置的主要控制电路如图3所示，其中，光电传感器接收明暗干涉条纹信息，检测出其接收到的光强的变化量，转换为电信号输入光电调节电路进行数据处理；容栅传感器则把机械位移量转变成电信号的相位变化量，然后送给容栅传感调节电路进行数据处理。通过CPU控制处理，对液晶屏的内部寄存器、显存操作，在液晶屏上显示出条纹个数和距离。为了方便实验中用逐差法处理数据，按下清零计数按钮和清零距离按钮可以把任意条纹作为起点，从零开始计数。
图1为本发明的计数装置的结构示意图，支架1上安放牛顿环仪3和整个实验装置。装置各个部位位置合适，只要有光平行入射，开合窗5中就能观察到清晰的明暗干涉条纹。实验中钠光灯2发出的单色光平行入射，在牛顿环仪3之间的空气层上下表面反射形成干涉条纹，透过半反半透镜4后，照射入开合窗5。
本装置的主要工作过程为:打开装置开关20，光电传感器12对准开合窗5，光电传感器12和光电调节电路15一起固定在传动杆8上，转动传动鼓轮6，光电传感器12随传动杆8左右移动，采集到明暗干涉条纹亮度的变化，光电传感器12输出一系列正弦波电压信号，传输到光电调节电路15，在光电调节电路15中把正弦波电压信号经过滤波、放大和整形后输出相应的矩形波电压信号给模数转换电路26,模数转换电路26把模拟矩形波电压信号转换为数字信号给CPU控制电路17，CPU控制电路17不断扫描检测信号，出现明条纹时，检测到低电压信号，CPU控制电路17输出控制脉冲信号，驱动液晶屏控制电路14在显示屏21显示增加一个条纹数（如图2所示）；传动杆8上有光电传感器12和容栅传感器，还有各自的电路，要放得下这些东西，必须在传动杆周围留有一定的空间，这里以把两种传感器分别放到传动杆的两边为例，一种正对着开合窗5，而定栅10放到了机箱内部（如图4所示），固定在机箱内壁28上，动栅11与定栅10相邻。内壁28位于机箱9中传动杆8的下方，定栅10附着在内壁28上，动栅11与定栅10和内壁28相邻，动栅11则与光电传感器12一起，紧固在传动杆8上。转动传动鼓轮6，传动杆8左右移动，动栅11与定栅10的相对位置变化量引起栅极间电容的变化，转换为级间差动电压的改变量，动栅11则输出差动电压信号到容栅传感调节电路16上经过解调、滤波、放大、整形和鉴相器调相，把调相信号的相位变化量传输到模数转换电路26中转换为数字信号给CPU控制电路17,CPU控制电路17不断扫描检测数字信号。由于容栅传感器的位置改变则它的级间电容就会发生变化，也就是说一个级间电容值对应一个电压值，一个电压值对应一个数字信号，即不同的数字信号对应一个距离。例如，距离是5mm，对应电压是5V，但是CPU不识别5V，只识别二进制数，所以要把对应电压信号转换为CPU识别的二进制数（数字信号），如11001011，CPU检测到这个数字信号，在液晶屏上显示的是对应的距离。而条纹个数也是这样，只不过它只有两个状态，明暗各对应一个数字信号。因此当栅极间电容变化时，捕获对应距离的数字信号，CPU控制电路17输出控制脉冲信号，驱动液晶屏控制电路14在显示屏21显示出对应条纹距离。
优选地，该装置的主显示器7上有清零计数按钮18和清零距离按钮19，可以选定任意一条明暗条纹为起点，按下清零计数按钮18和清零距离按钮19则开始计数，通过显示屏21可以看到任意条纹的个数和据起点条纹的距离，省去数固定条纹的时间和过程。
本发明的第一个实施例是一种牛顿环干涉条纹计数装置，其结构上具有：支架1、钠光灯2、牛顿环仪3、半反半透镜4、开合窗5、传动鼓轮6、主显示器7、传动杆8、机箱9、定栅10、动栅11、光电传感器12、电源13、液晶屏控制电路14、光电调节电路15、容栅传感集成电路16和CPU控制电路17，其特征在于，牛顿环仪放置在支架上；钠光灯发出平行入射的单色光，在牛顿环仪之间的空气层上下表面反射形成干涉条纹，透过半反半透镜后，照射入开合窗；转动传动鼓轮带动传动杆左右移动；光电传感器对准开合窗，检测出接收到的光强的变化量，转换为电信号并输入到光电调节电路，经过滤波、放大和整形输出相应的正弦波电压信号给模数转换电路，模数转换电路把电压信号转换为数字信号给CPU控制电路,CPU控制电路获得明暗条纹个数信息驱动液晶屏控制电路在显示屏上显示条纹个数。定栅固定在内壁上，动栅则与光电传感器一起，随传动杆左右移动；动栅和定栅之间的相对运动引起栅极间电容的变化，转换为级间差动电压的改变量，动栅则输出差动电压信号到容栅传感调节电路上经过解调、滤波、放大、整形和鉴相器调相，把调相信号的相位变化量传输到模数转换电路中转换为数字信号给CPU控制电路。CPU控制电路驱动液晶屏控制电路在显示屏显示出条纹距离。
本发明的第二个实施例是一种牛顿环干涉条纹计数方法，其特征在于：（1）钠光灯发出平行入射的单色光，在牛顿环仪之间的空气层上下表面反射形成干涉条纹，透过半反半透镜后，照射入开合窗；（2）转动传动鼓轮带动传动杆左右移动；（3）采集明暗干涉条纹信息，检测出其接收到的光强的变化量，转换为电信号并输入到光电调节电路，进行数据处理；（4）动栅与光电传感器一起随传动杆左右移动；（5）把机械位移量转变成电信号的相位变化量，然后送给容栅传感调节电路进行数据处理；（6）CPU对液晶屏的内部寄存器、显存操作控制处理，使条纹距离信息通过接口和电缆传输到容栅传感集成电路上，通过显示屏显示出条纹个数和距离信息来在液晶屏上显示出条纹个数和距离。
采用本发明中公开的明暗干涉条纹计数器及任意条纹间距离的自动数显装置，能够从任意条纹开始，记录任意个条纹的个数和距起点条纹的距离，装置结构紧凑，实验过程快捷迅速，能够有效避免数条纹带来的不便，提高实验效率，方便对牛顿环的处理和记录，提高测量的精确度。是一种理想的牛顿环条纹计数和数显装置。
以上所述实施例仅表达了本发明优选的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (2)
1.一种牛顿环干涉条纹计数装置，具有：支架、钠光灯、牛顿环仪、半反半透镜、开合窗、传动鼓轮、主显示器、传动杆、机箱、定栅、动栅、光电传感器、电源、液晶屏控制电路、光电调节电路、容栅传感集成电路和CPU控制电路，其特征在于，
牛顿环仪放置在支架上；
钠光灯发出平行入射的单色光，在牛顿环仪之间的空气层上下表面反射形成干涉条纹，透过半反半透镜后，照射入开合窗；
转动传动鼓轮带动传动杆左右移动；
光电传感器对准开合窗，采集明暗干涉条纹信息，检测出其接收到的光强的变化量，转换为电信号并输入到光电调节电路，进行数据处理；
定栅固定在传动杆上，动栅与光电传感器一起，随传动杆左右移动；
容栅传感器则把机械位移量转变成电信号的相位变化量，然后送给容栅传感调节电路进行数据处理；
CPU，对液晶屏的内部寄存器、显存操作控制处理，使条纹距离信息通过接口和电缆传输到容栅传感集成电路上，通过液晶屏显示出条纹个数和距离信息来在液晶屏上显示出条纹个数和距离；
主显示器上有清零计数按钮和清零距离按钮，可以选定任意一条明暗条纹为起点，按下清零计数按钮和清零距离按钮则开始计数，通过液晶屏可以看到任意条纹的个数和据起点条纹的距离，省去了数固定条纹的时间和过程；
所述牛顿环干涉条纹计数装置的牛顿环干涉条纹计数方法包括：
(1)钠光灯发出平行入射的单色光，在牛顿环仪之间的空气层上下表面反射形成干涉条纹，透过半反半透镜后，照射入开合窗；
(2)转动传动鼓轮带动传动杆左右移动；
(3)采集明暗干涉条纹信息，检测出其接收到的光强的变化量，转换为电信号并输入到光电调节电路，进行数据处理；
(4)动栅与光电传感器一起随传动杆左右移动；
(5)把机械位移量转变成电信号的相位变化量，然后送给容栅传感调节电路进行数据处理；
(6)CPU对液晶屏的内部寄存器、显存操作控制处理，使条纹距离信息通过接口和电缆传输到容栅传感集成电路上，通过液晶屏显示出条纹个数和距离信息来在液晶屏上显示出条纹个数和距离。
2.一种牛顿环干涉条纹计数装置的牛顿环干涉条纹计数方法，其特征在于：
所述牛顿环干涉条纹计数装置，具有：支架、钠光灯、牛顿环仪、半反半透镜、开合窗、传动鼓轮、主显示器、传动杆、机箱、定栅、动栅、光电传感器、电源、液晶屏控制电路、光电调节电路、容栅传感集成电路和CPU控制电路，其特征在于，
牛顿环仪放置在支架上；
钠光灯发出平行入射的单色光，在牛顿环仪之间的空气层上下表面反射形成干涉条纹，透过半反半透镜后，照射入开合窗；
转动传动鼓轮带动传动杆左右移动；
光电传感器对准开合窗，采集明暗干涉条纹信息，检测出其接收到的光强的变化量，转换为电信号并输入到光电调节电路，进行数据处理；
定栅固定在传动杆上，动栅与光电传感器一起，随传动杆左右移动；
容栅传感器则把机械位移量转变成电信号的相位变化量，然后送给容栅传感调节电路进行数据处理；
CPU，对液晶屏的内部寄存器、显存操作控制处理，使条纹距离信息通过接口和电缆传输到容栅传感集成电路上，通过液晶屏显示出条纹个数和距离信息来在液晶屏上显示出条纹个数和距离；
所述牛顿环干涉条纹计数装置的牛顿环干涉条纹计数方法包括：
(1)钠光灯发出平行入射的单色光，在牛顿环仪之间的空气层上下表面反射形成干涉条纹，透过半反半透镜后，照射入开合窗；
(2)转动传动鼓轮带动传动杆左右移动；
(3)采集明暗干涉条纹信息，检测出其接收到的光强的变化量，转换为电信号并输入到光电调节电路，进行数据处理；
(4)动栅与光电传感器一起随传动杆左右移动；
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(6)CPU对液晶屏的内部寄存器、显存操作控制处理，使条纹距离信息通过接口和电缆传输到容栅传感集成电路上，通过液晶屏显示出条纹个数和距离信息来在液晶屏上显示出条纹个数和距离；
选定任意一条明暗条纹为起点，按下清零计数按钮和清零距离按钮则开始计数，通过液晶屏可以看到任意条纹的个数和据起点条纹的距离。
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