肇   庆   学   院

电子信息与机电工程学院普通物理实验  课 实验报告

   07 级  电子(1)  班  2B  组 实验合作者李雄  实验日期  20##年4月16日

           姓名:  王英   学号  25号    老师评定                          

 

              实验题目：     长   度   测   量   

(1)  实验目的

学习米尺、游标卡尺、螺旋测微计和移测显微镜的结构、工作原理和使用方法，初步掌握实验数据记录、有效数字和误差计算规则以及对测量结果的表示方法。

(2)实验仪器

米尺、游标卡尺、螺旋测微计、移测显微镜。

(3)实验原理

①游标卡尺的工作原理

游标卡尺是利用主尺和副尺的分度的微小差异来提高仪器精度的。如图2.2.1-3所示的“十分游标”，主尺上单位分度的长度为1mm，副尺的单位分度的长度为0.9mm，副尺有10条刻度，当主、副尺上的零线对齐时，主、副尺上第n (n为小于9的整数) 条刻度相距为n×0.1=0.n mm，当副尺向右移动0.n mm时，则副尺上第n条刻度和主尺上某刻度对齐。由此看出，副尺移动距离等于0.1mm的n倍时都能读出，这就是“十分游标”能把仪器精度提高到0.1mm的道理。

其他类型游标卡尺的工作原理与上述相同。

②螺旋测微计的工作原理

如图2.2.1-4所示，A为固定在弓形支架的套筒，C是螺距为0.5mm的螺杆，B为活动套筒,它和测微螺杆连在一起。活动套筒旋转一周,螺杆移动0.5mm。活动套筒左端边缘沿圆周刻有50个分度，当它转过1分度，螺杆移动的距离δ=0.5/50=0.01mm，这样，螺杆移动0.01mm时，就能准确读出。

③移测显微镜

移测显微镜的螺旋测微装置的结构和工作原理与螺旋测微计相似，所以能把仪器精度提高到0.01mm。由于移测显微镜能将被测物体放大，因而物体上相距很近的两点间的距离也能测出。

(4)实验数据与处理(橙色字体的数据是在实验室测量出的原始数据，其他数据是计算所得。)

一、用米尺测量

①用米尺测量木条长度，米尺的量程2m，最小分度值1mm。

单次测量：    l=45.55(cm)   Δl=0.10(cm)         U_B(l)===0.058cm

测量结果： l±U_B(l) =45.55±0.06(cm) =(4.555±0.006)×10^-1(m)

②用米尺多次测量木盒的长度  表1-1 

=0.00946mm≈0.01mm

U_B===0.06cm

U_C(l)= ==0.06cm,

测量结果：l ±U_C(l) =15.51±0.06(cm)=(1.551±0.006)×10^-1(m)

二、用游标卡尺（千分尺）测量铜套的高H、外径D、内径d等基本量度，估算各直接测量量的不确定度。计算出物体的体积，估算不确定度。

②表1-2 游标卡尺(量程125mm、最小分度值Δ_仪=0.02mm、零点读数0.00mm)测量铜管外形尺寸

=0.00955mm≈0.01mm

同样可以计算出U_A(D)=0.00843mm ≈0.01mm，U_A(d)=0.00989mm≈0.01mm，

U_B===0.01mm

U_C(H)= =0.0150mm≈0.01mm,

U_C(D)==0.0143mm≈0.01mm，

U_C(d)= =0.0152mm≈0.01mm，

计算铜套的体积及其不确定度：

V==4063.73mm³=4.0637×10^-6(m)

(式中的不确定度U(D) U(d) U(H)代入C类不确定度)

=21.68 mm³=21.68×10^-9(m)

测量结果为：铜套的体积V=(4.06±0.02) ×10^-6(m)

 

三、用螺旋测微器（外径用千分尺）测量小铁球的直径D，并计算其体积

表1-3   最小分度值Δ_仪=0.01mm，系统误差=仪器的零点读数= -0.005mm

钢珠的直径为：D=5.006±0.006

=0.03

U_B===0.006mm

U_C(D)==0.0143mm≈0.01mm，

=65.68574926≈65.69mm³(不要求计算体积V的不确定度)

四、用移测显微镜测量（量程100mm、最小分度值0.01mm）毛细管直径

(表1-4)  测量玻璃毛细管内的直径d，移测显微镜量程为50mm，最小分度值Δ_仪=0.01mm，

D=│A-B│，计算A类不确定度U_A也就是平均值标准偏差。

测量结果：玻璃毛细管内的直径 d±U_A=0.337±0.008(mm)=(0.337±0.008)×10^-3(m)

实验感想：写出自己实验时所获得的启示或掌握的知识。

注意：写实验报告必须用专用的A4实验报告纸，不能用其他形式的作业本信纸方格纸等，并且一定要写上班别、学号、组别、实验题目、实验日期等内容。并且要与预习报告装订在一起交

第二篇：测量1埃(0.1nm)长度的实验报告

实验报告

实验名称：基于单片机改造迈干涉仪自动测量微小长度

专业：数理科学与信息技术基础班

班级：1191101

成员：罗杰杨伟肖兴慰谢万成向陆军邹鹏飞

徐建罗俊吴辰凯钟慕华

日期：2013.3.16

摘要：为了能精确地自动测量激光波长和透明薄膜厚度，采用单片机驱动步进电机带动迈克尔干涉仪的微调手轮转动，使光屏上产生稳定变化的干涉条纹，用光电二极管检测条纹信号光强变化，通过光电转换电路将光信号转变为电信号，输入到单片机进行处理，测量结果自动显示在液晶屏上。在一般实验环境下进行了多次实验，将实验结果与标准值进行比较得出，改造后的仪器测量微小长度速度快，误差小，精确度高。　纸张厚度是纸张性能参数的重要指标，如何准确、快速、方便地测量纸厚在实验中具有十分重要的意义。迈克尔逊干涉仪测量激光波长是大学物理实验中重要的一部分，实验时实验者手动调节微调手轮，人眼观察干涉条纹，带来很多人为误差，影响测量结果。为了保护实验者视力，提高测量精度，扩大测量范围，同时促进光学教学实验仪器的发展，在研究单片机的基础上，对迈克尔逊干涉仪进行了探索和改造。
   改造后的迈克尔逊干涉仪在不改变物理学基本原理的基础上，增加了电子技术中的大量元素，使物理学和电子技术很好地结合起来，实现了对纸张厚度的自动测量。测量简便、精确度高，有一定的实用性。

   关键字：单片机  迈克尔逊干涉   自动测量 微小距离

一:实验目的

1.    了解测量1埃级别微小距离的测量方法，掌握常见的测微小距离的方法，学会使用迈克尔逊干涉仪。

2.    初步认识单片机和步进电机的工作原理及其在实验中的作用。

3.培养动手做实验能力，养成良好的实验习惯。

二．实验仪器

迈克尔逊干涉仪，单片机，步进电机，光敏二极管，键盘，液晶显示器，光电信号转换电路，光屏，HE-NE激光，遮光板。

三．实验原理

1系统工作原理

　　基于单片机改造的迈克尔干涉仪进行微小长度的自动测量，测量对象为纸张厚度，系统工作原理如图1所

1.1激光波长测量

　　使用He-Ne激光作光源，利用光的分振幅干涉法。用步进电机带动微调手轮转动代替手动调节，电机旋转角度对应光程差为2△d;光屏上得到的“吞”、“吐”条纹，通过光电转换电路转换为脉冲信号，输入到单片机进行计数(条纹数N)，代替了人眼观察条纹计数;测量步骤、结果(波长λ=2△d/N)及相对误差通过液晶屏显示，从而实现波长自动测量。

 　1.2薄膜厚度测量

使用白光作光源，利用等厚干涉法。光路原理图如图2所示，当白光光程差为零时发生干涉现象，将光屏上的彩色条纹通过光电转换电路转换为脉冲信号，同时记录M1的初位置d1;放入薄膜后，光程差增大，彩色条纹消失;电机带动M1移动到彩纹再现，记录M1的末位置d2。用阿贝折射仪测出薄膜折射率n，输入到单片机，根据公式可以得到结果。

系统结构主要是在原有物理光学仪器——迈克尔干涉仪的基础上增加了电子技术的设计模块，如图3所示。模块包括：单片机系统、键盘控制单元、电机驱动电路、光电转换电路和液晶显示单元。

2.1光电转换电路设计

　光电转换电路由两部分组成，如图4所示，氦氖激光干涉条纹检测和白光干涉彩纹检测，它的作用是把变化的光信号转换为可供单片机识别的脉冲信号。

　2.1.1激光干涉条纹检测

该部分由两个光敏二极管，偏置电阻R1，R2，分压电阻R3，R4和一个运算放大器A1组成。当微调旋钮转动时，光屏上会出现圆环型“吞”、“吐”条纹，一个光敏二极管对准圆环条纹正中心，另一个用于检测背景光，这样设计可以大大减小外界光强的影响，在一般光强下均可测量。光敏二极管对变化的光信号敏感，加上偏置电阻R1和R2后会输出合适的电信号。分压电阻R3，R4给运算放大器的反向输入端提供合适的门限电压，电信号从同向输入端输入，当高于反向输入端的门限电压Um1时，输出电压翻转到电源电压的正极(+5V)，当输入电压低于反向端的门限电压Um1时，输出电压翻转到电源电压的地(0V)。由此，“吞”、“吐”条纹转换为了脉冲信号。

白光干涉彩纹检测

　　该部分由光敏二极管1，偏置电阻R1，放大器A2和门限比较器A3组成。它的原理与激光类似，当彩纹出现时，光强度变化会使光敏二极管1产生微弱的电信号，此信号经过放大器A2被放大(放大器的放大倍数由电阻R6和R7决定)，再经过门限比较器A3(门限比较器的门限值由电阻R8和R9确定)，最后转变为了脉冲信号。

　2步进电机驱动电路设计

步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的开环控制元件，它的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率。采用步进电机带动迈克尔干涉仪的微调旋钮转动，避免了很多人为因素对测量的干扰。本作品选用28BYJ-48型步进电机，它的步进值小，提高了测量的精确度。步进电机一经选定，其性能取决于电机的驱动电压。步进电机转速越高，力矩越大则要求电机的电流越大，驱动电源的电压越高。单片机I/O口流出的电流太小不能驱动电机转动，需要外接驱动芯片增大电流。选用高压大电流达林顿晶体管阵列ULN2003驱动28BYJ-48型步进电机，其工作原理如下：当输入端为高电平时，ULN2003输出端为低电平;当输入端为低电平时，ULN2003输出端为高电平。驱动电路如图5所示。

2.3液晶显示单元和键盘控制单元

　　键盘用作数据输入和测量步骤控制，本设计使用4×4的矩阵键盘，相对于独立按键，矩阵键盘大大节省了单片机的I/O口，扩大了按键功能，同时也节省了硬件资源。液晶屏作为人机交互界面，显示实验数据和测量信息。

3软件设计

3软件设计

软件设计是实现测量的主体。单片机的应用系统程序设计，常用的是汇编语言和C语言。相对于汇编语言，C语言简洁，使用方便、灵活，可重用性高，可移植性强，所以系统采用C语言编写程序，程序流程如图6所示。

　用单片机的外部中断INT0脚检测光电转换得到的脉冲信号。当有一个脉冲的下降沿到来时，外部中断服务程序执行一次。在中断服务程序中设置记录脉冲个数的变量mai_chong_ji_shu。在两次脉冲间隔超过50ms的情况下，每进入中断服务程序一次，mai_chong_ji_shu加1。如果两次脉冲间隔不超过50ms，说明出现了毛刺信号，mai_chong_ji_shu不会加1，这样设计可以除去毛刺信号。

3.2步进电机驱动及自动调速程序设计

驱动步进电机转动的脉冲信号频率越大，电机转速越高，但频率不能过大也不能过小，否则电机都不会转动。通过软件延时或定时器中断的方法可以控制电机的转速。软件延时会大量浪费CPU资源，所以采用单片机的定时器0中断来驱动28BYJ-48型步进电机转动，给定时器0赋不同的初值对应步进电机不同的转动速度。若四向八拍运行方式A-AB-B-BC-C-CD-D-DA为电机的正转，则运行方式DA-D-CD-C-BC-B-AB-A为电机反转，每运行完一个八拍相当于电机走一步，设计变量motor_step专门记录电机的步数，电机正转变量motor_step加，电机反转变量motor_step减。motor_step值乘以电机的步长值即得到步进电机带动迈克尔干涉仪微调旋钮转过的长度。

4实验结果与精度分析

4.1He-Ne激光波长测量

　采用波长为632.8nm的He-Ne激光器作为光源。在一般实验环境下，经过大量测试，系统均能准确、快速测量出波长长度，表1是系统一次测量的数据

系统自动测量的最终结果为多次测量的平均值，由表1可以看出，与理论值非常接近，平均误差为0.06%，远低于手动测量产生的误差。

　　测量误差主要来源于△d的测量和条纹计数N。步进电机的步进值为19.53nm，它比微调旋钮的最小刻度100nm还要小80.47nm，提高了对△d测量的准确度，因此误差系统自动测量的最终结果为多次测量的平均值，由表1可以看出，与理论值非常接近，平均误差为0.06%，远低于手动测量产生的误差。

　　测量误差主要来源于△d的测量和条纹计数N。步进电机的步进值为19.53nm，它比微调旋钮的最小刻度100nm还要小80.47nm，提高了对△d测量的准确度，因此误差较校实验过程中，空气扰动、实验桌的碰撞、外界振动都会产生毛刺信号影响光敏二极管对干涉条纹的检测，产生计数错误，从而产生测量误差。对于较小的毛刺信号，通过编程进行处理，不会对条纹计数产生大的影响，但对于严重的干扰信号，系统无法处理。系统会根据测量的结果自动判断实验误差是否在允许范围内，若不在，将提示重新测量。较校实验过程中，空气扰动、实验桌的碰撞、外界振动都会产生毛刺信号影响光敏二极管对干涉条纹的检测，产生计数错误，从而产生测量误差。对于较小的毛刺信号，通过编程进行处理，不会对条纹计数产生大的影响，但对于严重的干扰信号，系统无法处理。系统会根据测量的结果自动判断实验误差是否在允许范围内，若不在，将提示重新测量。

纸张厚度测量

　实验选用10张纸作为测试品，用阿贝折射仪测出此薄膜的折射率，在一般实验环境下，对薄膜厚度进行了大量的测量，表2所示为测量的一部分数据，其中d1为未插薄膜前彩色条纹出现时动镜的位置，d2为插入纸片后彩色条纹出现时动镜的位置。

　从表2数据可以算出，测试纸厚度的平均值为81.6001μm，精度较高(测量纸厚度精确到了0.1nm级)。测量纸厚度的误差主要来源于两个方面，△和n的测量。虽然步进电机的步进值较小，但并不能完全消除对△测量的误差，而是将其大大减小了。纸上的灰尘及粗糙度不可避免地影响纸的折射率n。实验过程中，外界的干扰以及仪器本身因素都会影响测量结果。

该实验的优点：

1.能精密测量波长和纸的厚度，尽可能的避免人为的影响。

2.用步进电机和编程极大提高了实验的准确度。

3.用多次试验提高精确度。

不足的地方：

1.使用的纸张不能避免它的粗糙度和表面的灰尘。

可以改进的地方：

1.尽量用平整的纸张，可以减少实验的误差。

2.单片机可以制作精密一点，提高实验的精确程度。

参考文献：

1.光学      赵凯华

2.单片机原理及其运用   华南理工   应明仁  王化成

3.单片机原理及应用/物流信息化系列丛书  机械工业出版社     孙媛   刘丙午

　5结语

　　基于单片机改造后的迈克尔逊干涉仪可以精确、快速、自动测量激光波长和薄膜厚度。采用非接触法测量薄膜厚度，不会对薄膜造成破坏，扩展了迈克尔逊干涉仪的使用范围，提高了实用性。改装电路元器件价格低廉，组装简单，对迈克尔逊干涉仪的手动测量与外观没有任何影响，促进了光学教学实验仪器的发展，具有一定的市场前景。