范淑媛,熊永紅,李紀(jì)文

(華中科技大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中心,湖北武漢430074)

1 引 言

分光計(jì)是精確測(cè)定光偏轉(zhuǎn)角的儀器,它是光學(xué)實(shí)驗(yàn)中常用的實(shí)驗(yàn)儀器.光學(xué)中的許多基本量如波長(zhǎng)、折射率等都可以直接或間接地用光的偏轉(zhuǎn)角來(lái)表示,因而這些量都可以通過(guò)使用分光計(jì)來(lái)測(cè)量.分光計(jì)的基本光學(xué)結(jié)構(gòu)又是許多光學(xué)儀器(如棱鏡光譜儀、光柵光譜儀、分光光度計(jì)、單色儀等)的基礎(chǔ)[1].故掌握分光計(jì)的調(diào)節(jié)和使用,是大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程要求學(xué)生掌握的基本技能之一.但是分光計(jì)的讀數(shù)麻煩,尤其在比較暗的光學(xué)實(shí)驗(yàn)室內(nèi),讀數(shù)費(fèi)力,容易出錯(cuò).本文采用角度傳感器來(lái)代替分光計(jì)原來(lái)的機(jī)械讀數(shù)盤(pán),并把角度直接用數(shù)字顯示出來(lái),實(shí)現(xiàn)快捷方便讀數(shù).

2 光電編碼器在分光計(jì)中的應(yīng)用研究

2.1 原有的分光計(jì)機(jī)械盤(pán)讀數(shù)方法

將讀數(shù)盤(pán)的內(nèi)盤(pán)即游標(biāo)盤(pán)鎖定,使之不能繞中心軸轉(zhuǎn)動(dòng);然后將讀數(shù)盤(pán)外刻度盤(pán)的鎖緊螺釘鎖緊,使之與望遠(yuǎn)鏡同步繞中心軸轉(zhuǎn)動(dòng).則望遠(yuǎn)鏡繞中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角度就可以通過(guò)讀數(shù)盤(pán)讀取轉(zhuǎn)動(dòng)之前讀數(shù)和轉(zhuǎn)動(dòng)之后的讀數(shù)之差得到.讀數(shù)系統(tǒng)用游標(biāo)來(lái)提高精度,精度為1′,用雙游標(biāo)來(lái)消除偏心差[2].要得到1個(gè)角度的測(cè)量值必須讀取4個(gè)數(shù)據(jù)再通過(guò)計(jì)算得到.

2.2 絕對(duì)式編碼器介紹

絕對(duì)式編碼器是光電編碼器的一種,是通過(guò)光電轉(zhuǎn)換輸出其主軸上的機(jī)械幾何位移量,并轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字的傳感器.

基本結(jié)構(gòu)如圖1所示,碼盤(pán)與狹縫盤(pán)同軸安裝在編碼器的主軸上,碼盤(pán)或狹縫盤(pán)固定在編碼器主軸上并隨主軸一起轉(zhuǎn)動(dòng),碼盤(pán)或狹縫盤(pán)固定于基座上,與其中之一相對(duì)平行安裝,兩者之間保持一定的間隙,碼盤(pán)與狹縫盤(pán)之間相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng).碼盤(pán)上沿徑向有若干同心碼道,每條道上由透光和不透光的扇形區(qū)相間組成,相鄰碼道的扇區(qū)數(shù)目是雙倍關(guān)系,碼盤(pán)上的碼道數(shù)就是它的二進(jìn)制數(shù)碼的位數(shù)[3],狹縫盤(pán)上的狹縫與碼盤(pán)上的碼道相匹配,當(dāng)碼盤(pán)順(逆)時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),狹縫在遇到碼盤(pán)上相對(duì)應(yīng)的碼道通光部分時(shí),呈現(xiàn)高電平狀態(tài)輸出,遇有不通光區(qū)段時(shí),呈現(xiàn)低電平狀態(tài)輸出,各狹縫處輸出的高低電平狀態(tài)就代表了編碼器主軸的位置[4].其優(yōu)點(diǎn)是輸出的編碼代表角度坐標(biāo)的絕對(duì)值,容易翻譯成用數(shù)字表示的角度值,且沒(méi)有累積誤差,數(shù)據(jù)重復(fù)性好,電源切除后位置信息不會(huì)丟失.所以光電角度傳感器比其他的磁式、電容式、電阻式等傳感器更方便數(shù)字化,不需要定標(biāo)[5].本研究中采用的是16位的絕對(duì)編碼器,測(cè)角范圍在 0°～360°.

圖1 編碼器結(jié)構(gòu)工作原理圖

2.3 編碼器的安裝方法

將分光計(jì)原來(lái)的讀數(shù)機(jī)械盤(pán)去掉,重新制作適合的分光計(jì)中心軸,分光計(jì)的中心軸是固定不動(dòng)的,載物臺(tái)和望遠(yuǎn)鏡都可以繞著中心軸轉(zhuǎn)動(dòng).將中間空心的編碼器套在中心軸上,編碼器的外盤(pán)固定在望遠(yuǎn)鏡的支架上,編碼器的空心軸固定在分光計(jì)的中心軸上,如圖2所示.編碼器輸出的角度二進(jìn)制編碼信號(hào)輸送到角位移顯示器,最后在液晶屏上顯示出對(duì)應(yīng)的角度值.

讀數(shù)時(shí),在望遠(yuǎn)鏡轉(zhuǎn)動(dòng)之前的位置處將角位移顯示器的讀數(shù)清零,然后轉(zhuǎn)動(dòng)望遠(yuǎn)鏡,角度顯示器可同步顯示轉(zhuǎn)動(dòng)的角度值.最小分辨率為20″.實(shí)驗(yàn)前分光計(jì)的調(diào)整和原來(lái)的調(diào)整方法一致.

2.4 消除偏心差的調(diào)整方案設(shè)計(jì)

在安裝編碼器時(shí),可能存在編碼器的軸中心和分光計(jì)的軸中心存在不重合的情況,那么就會(huì)產(chǎn)生偏心差.如圖3所示,如果二者同軸,望遠(yuǎn)鏡從 A端轉(zhuǎn)到B端,轉(zhuǎn)過(guò)的角度剛好是180°;如果編碼器的軸心O′在分光計(jì)的軸心O的下方,當(dāng)望遠(yuǎn)鏡從 A轉(zhuǎn)到B時(shí),轉(zhuǎn)角∠AOB＜180°;而此時(shí)編碼器相對(duì)轉(zhuǎn)角∠AO′B=180°,故造成角位移顯示器顯示的角度大于望遠(yuǎn)鏡的實(shí)際轉(zhuǎn)角;同理,如果編碼器的軸心O′在分光計(jì)的軸心O的上方,當(dāng)編碼器相對(duì)轉(zhuǎn)角∠AO′B=180°時(shí),望遠(yuǎn)鏡的實(shí)際轉(zhuǎn)角∠AOB＞180°.機(jī)械讀數(shù)盤(pán)的偏心差是利用雙游標(biāo)讀數(shù)來(lái)解決的,而本研究中,采用精確安裝編碼器來(lái)直接消除偏心差.

圖3 偏心差分析

在調(diào)好的分光計(jì)的載物臺(tái)上放置一雙面反射鏡,并固定載物臺(tái),將望遠(yuǎn)鏡轉(zhuǎn)至與反射鏡一側(cè)鏡面正對(duì)垂直位置,觀察到“+”圖像,并將其調(diào)到分劃板的中心位置,將角位移數(shù)字顯示器的讀數(shù)清零.然后將望遠(yuǎn)鏡轉(zhuǎn)到雙面反射鏡的另一側(cè),觀察“+”圖像,并也同樣將其調(diào)到望遠(yuǎn)鏡的分劃板的中心位置,此時(shí),如果編碼器的讀數(shù)為180°,則編碼器的中心軸O′和分光計(jì)的中心軸O重合;如果編碼器的讀數(shù)大于或小于180°,就可以通過(guò)圖3原理來(lái)判斷編碼器中心偏離的情況,從而調(diào)整角度傳感器相應(yīng)的安裝微調(diào)螺釘,經(jīng)反復(fù)多次校準(zhǔn),偏心差可以調(diào)整到±20″以內(nèi).

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 用裝有光電編碼器的分光計(jì)測(cè)三棱鏡最小偏向角

實(shí)驗(yàn)步驟:

1)分光計(jì)的調(diào)節(jié)與原來(lái)的分光計(jì)實(shí)驗(yàn)相同;

2)儀器調(diào)節(jié)完成后,將三棱鏡放在載物臺(tái)上,找最小偏向角(方法與原來(lái)的分光計(jì)實(shí)驗(yàn)相同);

3)找到最小偏向角對(duì)應(yīng)的三棱鏡的位置,轉(zhuǎn)動(dòng)望遠(yuǎn)鏡,使得此時(shí)的折射光匯聚的像與分劃板的中心線對(duì)齊,打開(kāi)角位移顯示器的電源,并將此時(shí)的讀數(shù)清零;

4)移開(kāi)三棱鏡,轉(zhuǎn)動(dòng)望遠(yuǎn)鏡,對(duì)準(zhǔn)準(zhǔn)直管,使得平行光匯聚的像與分劃板的中心線對(duì)齊,此時(shí)角位移顯示器讀數(shù)即為最小偏向角的值.

5)重復(fù)第3)步和第4)步多次,即可完成最小偏向角的多次測(cè)量;

表1 用數(shù)字分光計(jì)測(cè)最小偏向角

3.2 用傳統(tǒng)的分光計(jì)測(cè)三棱鏡最小偏向角

測(cè)得數(shù)據(jù)如表2.

表2 用傳統(tǒng)分光計(jì)測(cè)最小偏向角

通過(guò)對(duì)以上2種方法測(cè)得的數(shù)據(jù)分析,可以得出用光電編碼器作為角度傳感器的分光計(jì)測(cè)量的數(shù)據(jù)比傳統(tǒng)的分光計(jì)測(cè)量的數(shù)據(jù)的A類(lèi)不確定度更小,表明改造后的分光計(jì)測(cè)得的數(shù)據(jù)的可靠性更高.

4 結(jié) 論

在分光計(jì)中采用高精度的光電編碼器代替原來(lái)的機(jī)械讀數(shù)盤(pán)來(lái)獲得望遠(yuǎn)鏡轉(zhuǎn)動(dòng)的角度,這一方案實(shí)現(xiàn)了分光計(jì)的數(shù)字化.而且在精度方面,從測(cè)三棱鏡玻璃最小偏向角的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出改造后的分光計(jì)精度更高,數(shù)據(jù)重復(fù)性更好,角度測(cè)量的最小分辨率為20″.在使用方面,改造后的分光計(jì)的調(diào)節(jié)部分與原來(lái)的相同,可以直接讀出望遠(yuǎn)鏡轉(zhuǎn)動(dòng)的角度,比原來(lái)的分光計(jì)更方便、快捷.故使用改造后的數(shù)字分光計(jì)可以使課堂中實(shí)驗(yàn)內(nèi)容更飽滿.

[1] 熊永紅,張昆實(shí),任忠明,等.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)[M].北京:科學(xué)出版社,2007:6-33,56-64.

[2] 陳紅,張偉森,王德軍,等.分光計(jì)實(shí)驗(yàn)研究[J].長(zhǎng)春大學(xué)學(xué)報(bào),2006,16(4):23-25.

[3] 姜義.光電編碼器的原理與應(yīng)用[J].技術(shù)與應(yīng)用,2010(2):16-20.

[4] 趙志巍,陳赟.一種基于金屬碼盤(pán)的新型絕對(duì)式光電軸角編碼器[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào),2010,23(5):656-659.

[5] 陳劍波,王姝,萬(wàn)振茂,等.角度傳感器在分光計(jì)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用[J].物理實(shí)驗(yàn),2008,28(5):5-8.