CN109186783A - 一种基于plc的干涉条纹测波长实验设备及其实验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于PLC的干涉条纹测波长实验设备，光路操作板上依次设有光路机构、丝杆滑块机构和人机交互机构，丝杆滑块机构包括支架、步进电机、丝杆和旋转编码器，丝杆安装在支架上，丝杆的一端与步进电机的输出轴连接，另一端与旋转编码器连接，支架内设有导轨，丝杆上套装有与导轨配合滑动的滑块，在滑块上设有与光路机构配合的动镜，人机交互机构包括第一数据显示模块、第二数据显示模块、操作按钮和控制器；固定板上安装有电源模块、电机驱动器、降压模块、数码管译码器和接线端子排。实验装置移动的精度高，操作方便，光敏传感器计数避免损伤人眼，通过PLC计算简化实验和计算过程，满足实验精度的要求并且实验数据处理速度快。
Description
技术领域
本发明属于实验教学设备技术领域，尤其是涉及一种基于PLC的干涉条纹测波长实验设备及其实验方法。
背景技术
迈克尔逊干涉仪是利用分振幅法产生双光束以实现干涉。通过调整该干涉仪，可以产生等厚干涉条纹，也可以产生等倾干涉条纹。若观察到干涉条纹移动一条，便是平面反射镜的动臂移动量为入射光波长的一半，等效于两平面反射镜间的空气膜厚度改变量为入射光波长的一半。传统的迈克尔逊干涉实验的测量方法是转动螺旋测微器驱动仪器的动镜位置从而改变干涉光的光程差使等倾干涉的圆环形条纹不断从中心“吐出”或向中心“吞进”现象，通过记录干涉的圆环形条纹的吞吐变化次数和相应移动动镜的位移量，再通过复杂的逐差法等数据处理得出测量结果。人工操作一般需要统计上百次干涉环的吞吐变化，这种测量技术方法操作步骤繁琐，且人为计数的稳定度不高，容易造成误差；另外，测量时处于偏暗环境中，而干涉实验需要实验人员用眼睛直接注视着两束激光来调出干涉条纹，之后再观察并统计条纹变化数，人眼将相干光聚焦于视网膜，当光强超过一定数值后对视网膜会有损伤作用，对人眼形成一定的伤害和刺激。
目前，实验中一般都是用手旋转鼓轮以使干涉条纹变化，但是由于人为转动手轮易出现手抖或不稳定的情况，并且仪器的传动部件间存在配合间隙，导致仪器存在空程差，影响仪器的计数和测量结果不准确，具有局限性。
发明内容
本发明的目的是提供一种结构简单、传动驱动稳定、计数操作便利、测量准确性高的基于PLC的干涉条纹测波长实验设备。
本发明的技术方案如下：
一种基于PLC的干涉条纹测波长实验设备，包括光路机构，所述光路机构包括光源发射器、分光板、反射镜、光圈投影板和动镜，所述光路机构安装在光路操作板，所述光路操作板还安装有丝杆滑块机构和人机交互机构；
所述动镜安装在所述丝杆滑块机构上以用于带动所述动镜实现移动；
所述光圈投影板上安装有光敏传感器以用于感应投射在所述光圈投影板上的光环信号。
所述人机交互机构包括第一数据显示模块、第二数据显示模块、操作按钮和控制器，所述控制器与所述第一数据显示模块、第二数据显示模块和操作按钮电连接，所述控制器与光敏传感器和丝杆滑块机构的驱动电机电连接，所述控制器读取光敏传感器的信号，控制丝杆滑块机构的驱动电机运行以带动动镜移动。
在上述技术方案中，所述丝杆滑块机构包括支架、步进电机、丝杆和旋转编码器，所述丝杆安装在支架上，所述丝杆的一端与所述步进电机的输出轴连接，另一端与所述旋转编码器连接，所述支架内设有导轨，所述丝杆上套装有与所述导轨配合滑动的滑块。
在上述技术方案中，所述实验设备包括固定板，所述固定板上安装有电源模块、电机驱动器、降压模块、数码管译码器和接线端子排，所述电源模块与所述电机驱动器、降压模块、数码管译码器和接线端子排电连接，其中：
电源模块，用于为光敏传感器与电机驱动器供电，为24V直流开关电源模块；
电机驱动器，用于驱动步进电机转动；
降压模块，用于将电源模块供应的直流电24V电压降低为5V，为光敏传感器和电机驱动器的VCC端供电；
数码管译码器包括第一译码器模块和第二译码器模块，第一译码器模块，用于驱动第一数据显示模块运行；第二译码器模块，用于驱动第二数据显示模块运行；
在上述技术方案中，所述操作按钮包括：
装置启动按钮，用于启动实验装置；
装置关闭按钮，用于关闭实验装置；
电机正转按钮，用于控制电机正转；
电机反转按钮，用于控制电机反转；
第一切换显示按钮，用于切换至显示光环个数；
第二切换显示按钮，用于切换至显示波长；
第三切换显示按钮，用于切换至滑块移动的距离。
在上述技术方案中，所述固定板上还安装有：
第一译码器模块，用于驱动第一数据显示模块运行；
第二译码器模块，用于驱动第二数据显示模块运行；
所述控制器通过第一译码器模块与第一数据显示模块连接，所述控制器通过第二译码器模块与所述第二数据显示模块连接。
在上述技术方案中，所述实验设备为一箱体，所述箱体的一侧铰接一箱盖，所述光路操作板与固定板安装在所述箱体内。
在上述技术方案中，所述旋转编码器通过联轴器与所述丝杆连接。
在上述技术方案中，所述丝杆的螺距为1mm。
在上述技术方案中，所述固定板通过连接柱与光路操作板连接。
在上述技术方案中，所述箱体的侧面设有插口，用于与外部的电源连接。
本发明的另一个目的是提供一种基于PLC的干涉条纹测波长实验设备的实验方法，包括以下步骤：
(1)给实验设备供电，打开光源发射器，调节光路机构中的分光板、反射镜的位置，以使光圈投影板上显示出等间距的光环。
(2)按下装置启动按钮，PLC控制器控制实验装置启动。
(3)按下电机反转按钮，PLC控制器发出信号，步进电机转动驱动丝杆运行，以驱动滑块带动动镜移动以调节整个光路向前移动，当步进电机反转时，第一数据显示模块增计数，此时第一数据显示模块实时显示旋转编码器转动过的圈数，第二数据显示模块实时显示旋转编码器转过的未满一圈时的角度，在旋转编码器转动一圈后，第一数据显示模块的数字加1，第二数据显示模块的数字清零，开始再次计数。
(4)按下第一切换显示按钮，将信号传送至PLC控制器，PLC控制器控制光敏传感器感应光环数，并将感应到的光环数信号传输回PLC控制器，并通过第二数据显示模块显示出光环数，并记录下光环数的数据。
(5)按下第三切换显示按钮，旋转编码器感应到的步进电机转动过的角度信号发送至PLC控制器中，并在PLC控制器的控制下，通过第一数据显示模块显示出滑块的移动距离，并记录下滑块移动距离的数据(其中，旋转编码器的转动过的圈数+未满一圈的角度/360°乘以丝杆的螺距精度得到滑块的移动距离)。
(6)重复上述步骤(3)-(5)，记录下光环数与滑块移动距离的数据，反复重复600次后，根据记载的数据得出波长，完成测量。
(7)按下电机正转按钮，PLC控制器控制步进电机正转，带动动镜向后移动，第二数据显示模块进行减计数，直至动镜移动至初始位置。
(8)按下装置关闭按钮，第一数据显示模块、第二数据显示模块全部清零，装置回复至初始状态，关闭电源，结束实验。
本发明具有的优点和积极效果是：
1.步进电机驱动滑块精准地前后移动，并配合旋转编码器测量滑块的位移和速度，不需要人员手动以调节干涉条纹，实验的精度高。
2.光圈投影板与光敏传感器配合，避免人眼全程注视实验过程，不会损伤实验人员的眼睛。
3.全程显示干涉光环的数据，并且通过PLC的内部运算，直观显示出PLC运算出来的结果，能够与实验人员计算的结果进行比较，在实验中及时发现问题。
附图说明
图1是本发明的基于PLC的干涉条纹测波长实验设备的结构示意图；
图2是本发明的基于PLC的干涉条纹测波长实验设备的电路结构示意图；
图3是本发明的基于PLC的干涉条纹测波长实验设备的端子连接图；
图4是本发明中固定板的结构示意图；
图5是本发明中丝杆滑块机构的结构示意图。
图中：
1、箱体 2、光路操作板 3、光源发射器
4、箱盖 5、分光板 6、反射镜
7、动镜 8、步进电机 9、第一数据显示模块
10、控制器 11、第二数据显示模块 12、插口
14、装置启动按钮 15、装置关闭按钮 16、电机正转按钮
17、电机反转按钮 18、第一切换显示按钮 19、第二切换显示按钮
20、第三切换显示按钮 21、滑块 22、旋转编码器
23、光圈投影板 24、光敏传感器 25、固定板
26、电机驱动器 27、降压模块 28、接线端子排
29、第一译码器模块 30、第二译码器模块 31、电源模块
33、丝杆 36、支架
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明，决不限制本发明的保护范围。
实施例1
如图1、图2、图4、图5所示，本发明的基于PLC的干涉条纹测波长实验设备，包括箱体1和安装在箱体1上的箱盖4，箱体内由上至下依次设置有光路操作板2和固定板25；
在光路操作板2上由左至右依次设有光路机构、丝杆滑块机构和人机交互机构。
上述光路机构通过螺丝安装在光路操作板2上，光路机构包括光源发射器3、分光板5、反射镜6、光圈投影板23和光敏传感器24，光源发射器3设置在分光板5的后方，反射镜6设置在光源发射器3的右侧，光圈投影板23设置在光源发射器3的左侧以用于接收光源发射器3的投射的光环，光敏传感器24设置在光圈投影板23上以用于感应光环的信号；
上述丝杆滑块机构包括支架36、步进电机8、丝杆33(丝杆33的螺距为1mm)和旋转编码器22，丝杆33安装在支架36上，丝杆33的一端与步进电机8的输出轴连接，另一端与旋转编码器22连接，旋转编码器22通过联轴器与丝杆33连接，且丝杆33与旋转编码器22的轴心相同，旋转编码器22每旋转一周可产生2500个脉冲，其实验精度高；支架36内设有导轨，丝杆33上套装有与导轨配合滑动的滑块21，在滑块21上设有与光路机构配合的动镜7；
上述人机交互机构包括：第一数据显示模块9、第二数据显示模块11、操作按钮和PLC控制器10，PLC控制器10与第一数据显示模块9、第二数据显示模块11和操作按钮电连接，第一数据显示模块9、第二数据显示模块11通过螺丝安装在光路操作板2上，光敏传感器24与旋转编码器22与PLC控制器10电连接，具体如下：
第一数据显示模块9，用于显示旋转编码器22转动过的圈数、滑块21移动的距离和实验测出的波长；
第二数据显示模块10，用于显示旋转编码器22转动过未满一圈时的角度、光敏传感器24检测出的光环个数；
操作按钮，用于控制实验装置的运行、步进电机的正反转、数据显示模块显示的切换，其中操作按钮具体包括：装置启动按钮14，用于启动实验装置；装置关闭按钮15，用于关闭实验装置；电机正转按钮16，用于控制电机正转；电机反转按钮17，用于控制电机反转；第一切换显示按钮18，用于切换至显示光环个数；第二切换显示按钮19，用于切换至显示波长；第三切换显示按钮20，用于切换至滑块移动的距离。
上述固定板25上安装有电源模块31、电机驱动器26、降压模块27、数码管译码器和接线端子排28，电源模块31与电机驱动器26、降压模块27、数码管译码器和接线端子排28电连接，具体如下：
电源模块31，为24V直流开关电源模块；
电机驱动器26(例如型号为DM320)，用于驱动步进电机8转动；
降压模块27，用于将电源模块31供应的直流电24V电压降低为5V，为光敏传感器24和电机驱动器26的VCC端供电；
数码管译码器包括第一译码器模块29和第二译码器模块30，第一译码器模块29，用于驱动第一数据显示模块9运行；第二译码器模块30，用于驱动第二数据显示模块10运行，PLC控制器10分别通过第一译码器模块29和第二译码器模块30与第一数据显示模块9和第二显示模块10连接，以控制两个数据显示模块的运行。
如图3所示，进一步的说，PLC控制器型号为FX2N-64MT，PLC控制器与各部件的连接，7个操作按钮分别与X10、X11、X12、X13、X15、X16和X17的端子连接，且连接输出COM点，第一译码器模块29与Y20-Y27端子连接，第二译码器模块30与Y30-Y37端子连接，旋转编码器22与X0、X1端子连接，光敏传感器24与X2端子连接，电机驱动器与Y0端子连接。
在使用上述基于PLC的干涉条纹测波长实验装置的具体步骤如下：
(1)给装置供电，打开光源发射器3，调节光路机构中的分光板5、反射镜6的位置，使光圈投影板23上显示出等间距的光环；
(2)按下装置启动按钮14，PLC控制器10控制实验装置启动；
(3)按下电机反转按钮17，PLC控制器10发出信号，步进电机8转动驱动丝杆33运行，以驱动滑块21带动动镜移动以调节整个光路向前移动，当步进电机8反转时，第一数据显示模块9增计数，此时第一数据显示模块9实时显示旋转编码器22转动过的圈数，第二数据显示模块11实时显示旋转编码器22转过的未满一圈时的角度，在旋转编码器22转动一圈后，第一数据显示模块9的数字加1，第二数据显示模块11的数字清零，开始再次计数；
(4)按下第一切换显示按钮18，将信号传送至PLC控制器10，PLC控制器10控制光敏传感器24感应光环数，并将感应到的光环数信号传输回PLC控制器10，并通过第二数据显示模块11显示出光环数，并记录下光环数的数据；
(5)按下第三切换显示按钮20，旋转编码器22感应到的步进电机8转动过的角度信号发送至PLC控制器10中，并在PLC控制器10的控制下，通过第一数据显示模块9显示出滑块21的移动距离，并记录下滑块移动距离的数据(其中，旋转编码器的转动过的圈数+未满一圈的角度/360°乘以丝杆的螺距精度得到滑块的移动距离)；
(6)重复上述步骤(3)-(5)，记录下光环数与滑块移动距离的数据，反复重复600次后，根据记载的数据得出波长，完成测量；
(7)按下电机正转按钮，PLC控制器10控制步进电机8正转，带动动镜7向后移动，第二数据显示模块9进行减计数，直至动镜7移动至初始位置；
(8)按下装置关闭按钮，第一数据显示模块9、第二数据显示模块11全部清零，装置回复至初始状态，关闭电源，结束实验。
实施例2
在实施例1的基础上，固定板25通过连接柱(例如采用铜柱)与光路操作板2连接，并且保持固定板25与光路操作板2之间具有间隔距离，形成上层和下层固定安装在箱体1内。
实施例3
在实施例1的基础上，箱盖4通过合页铰接在箱体1的一侧，箱体1的侧面设有插口12，用于与外部的电源连接。
以上对本发明的一个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的等同变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。
Claims (10)
1.一种基于PLC的干涉条纹测波长实验设备，包括光路机构，所述光路机构包括光源发射器(3)、分光板(5)、反射镜(6)、光圈投影板(23)和动镜(7)，其特征在于：所述光路机构安装在光路操作板(2)，所述光路操作板(2)还安装有丝杆滑块机构和人机交互机构；
所述动镜(7)安装在所述丝杆滑块机构上以用于带动所述动镜(7)实现移动；
所述光圈投影板(23)上安装有光敏传感器(24)以用于感应投射在所述光圈投影板(23)上的光环信号；
所述人机交互机构包括第一数据显示模块(9)、第二数据显示模块(11)、操作按钮和控制器(10)，所述控制器(10)与所述第一数据显示模块(9)、第二数据显示模块(11)和操作按钮电连接，所述控制器(10)与光敏传感器(24)和丝杆滑块机构的驱动电机电连接。
2.根据权利要求1所述的干涉条纹测波长实验设备，其特征在于：所述丝杆滑块机构包括支架(36)、步进电机(8)、丝杆(33)和旋转编码器(22)，所述丝杆(33)安装在支架(36)上，所述丝杆(33)的一端与所述步进电机(8)的输出轴连接，另一端与所述旋转编码器(22)连接，所述支架(36)内设有导轨，所述丝杆(33)上套装有与所述导轨配合滑动的滑块(21)。
3.根据权利要求2所述的干涉条纹测波长实验设备，其特征在于：所述实验设备包括固定板(25)，所述固定板(25)上安装有电源模块(31)、电机驱动器(26)和降压模块(27)，所述电源模块(31)与所述电机驱动器(26)、降压模块(27)电连接，所述电机驱动器(26)用于驱动步进电机(8)的运行，所述降压模块(27)用于将所述电源模块(31)的电压降低供电给光敏传感器(24)。
4.根据权利要求3所述的干涉条纹测波长实验设备，其特征在于，所述操作按钮包括：
装置启动按钮(14)，用于启动实验装置；
装置关闭按钮(15)，用于关闭实验装置；
电机正转按钮(16)，用于控制电机正转；
电机反转按钮(17)，用于控制电机反转；
第一切换显示按钮(18)，用于切换至显示光环个数；
第二切换显示按钮(19)，用于切换至显示波长；
第三切换显示按钮(20)，用于切换至滑块移动的距离。
5.根据权利要求4所述的干涉条纹测波长实验设备，其特征在于：所述固定板(25)上还安装有第一译码器模块(29)和第二译码器模块(30)，所述控制器(10)通过所述第一译码器模块(29)与第一数据显示模块(9)连接，所述控制器(10)通过所述第二译码器模块(30)与第二数据显示模块(11)连接。
6.根据权利要求5中所述的干涉条纹测波长实验设备，其特征在于：所述实验设备为一箱体(1)，所述箱体(1)的一侧铰接一箱盖(4)，所述光路操作板(2)与固定板(25)安装在所述箱体(1)内。
7.根据权利要求6所述的干涉条纹测波长实验设备，其特征在于：所述旋转编码器(22)通过联轴器与所述丝杆(33)连接。
8.根据权利要求7所述的干涉条纹测波长实验设备，其特征在于：所述固定板(25)通过连接柱与光路操作板(2)连接。
9.根据权利要求8所述的干涉条纹测波长实验设备，其特征在于：所述箱体(1)的侧面设有插口(12)，用于与外部的电源连接。
10.一种如权利要求1-9中任意一项所述的干涉条纹测波长实验设备的实验方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)给实验设备供电，打开光源发射器(3)，调节光路机构中的分光板(5)、反射镜(6)的位置，以使光圈投影板(23)上显示出等间距的光环；
(2)按下装置启动按钮(14)，PLC控制器(10)控制实验装置启动；
(3)按下电机反转按钮(17)，PLC控制器(10)发出信号，步进电机(8)转动驱动丝杆(33)运行，以驱动滑块(21)带动动镜移动以调节整个光路向前移动，当步进电机(8)反转时，第一数据显示模块(9)增计数，此时第一数据显示模块(9)实时显示旋转编码器(22)转动过的圈数，第二数据显示模块(11)实时显示旋转编码器(22)转过的未满一圈时的角度，在旋转编码器(22)转动一圈后，第一数据显示模块(9)的数字加1，第二数据显示模块(11)的数字清零，开始再次计数；
(4)按下第一切换显示按钮(18)，将信号传送至PLC控制器(10)，PLC控制器(10)控制光敏传感器(24)感应光环数，并将感应到的光环数信号传输回PLC控制器(10)，并通过第二数据显示模块(11)显示出光环数，并记录下光环数的数据；
(5)按下第三切换显示按钮(20)，旋转编码器(22)感应到的步进电机(8)转动过的角度信号发送至PLC控制器(10)中，并在PLC控制器(10)的控制下，通过第一数据显示模块(9)显示出滑块(21)的移动距离，并记录下滑块移动距离的数据，其中滑块移动距离为旋转编码器转过的圈数加上未满一圈的角度除以360°再乘以丝杆的螺距；
(6)重复上述步骤(3)-(5)，记录下光环数与滑块移动距离的数据，反复重复600次后，根据记载的数据得出波长，完成测量；
(7)按下电机正转按钮，PLC控制器(10)控制步进电机(8)正转，带动动镜(7)向后移动，第二数据显示模块(9)进行减计数，直至动镜(7)移动至初始位置；
(8)按下装置关闭按钮，第一数据显示模块(9)、第二数据显示模块(11)全部清零，装置回复至初始状态，关闭电源，结束实验。
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| CN (1) | CN109186783A (zh) |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN201335739Y (zh) * | 2008-12-05 | 2009-10-28 | 姜玉生 | 迈克尔逊干涉仪激光条纹变化的自动检测实验装置 |
| CN202648802U (zh) * | 2012-07-04 | 2013-01-02 | 浙江农林大学 | 抗干扰型迈克尔逊干涉仪条纹自动计数器 |
| CN104848946A (zh) * | 2015-04-17 | 2015-08-19 | 南京邮电大学 | 一种基于wifi的迈克尔逊干涉仪自动检测装置 |
| CN105241557A (zh) * | 2015-10-15 | 2016-01-13 | 南阳理工学院 | 一种新型迈克尔逊干涉条纹测控装置及其使用方法 |
| CN207816817U (zh) * | 2018-02-11 | 2018-09-04 | 长春工程学院 | 测量液体折射率的迈克尔逊干涉仪动镜装置 |
| CN208968680U (zh) * | 2018-09-25 | 2019-06-11 | 天津农学院 | 一种基于plc的干涉条纹测波长实验设备 |
-
2018
- 2018-09-25 CN CN201811117174.0A patent/CN109186783A/zh active Pending
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