基于迈克尔逊干涉仪的远程测控系统研究

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1、长沙理工大学研究生论文选题报告表论文名称基于迈克尔逊干涉仪的远程测控系统研究姓名：学号：学位级别：学科专业：电子科学与技术研究方向：电路与系统指导教师：所属单位：物理与电子科学学院21填表说明1.研究生应根据本表所提出的要点，在教研室作选题报告，充分听取意见，并作修改后填写此表。2.本表一式二份，经教研室及学院批准后，研究生所在学院及研究生各一份。21一、课题来源、国内外研究现状与水平及研究意义、目的。（附主要参考文献）19191.1研究意义实验人员在传统的实验室中操作的是真实存在的实验装置，大多以手工的方式获得实验数据，实验操作技能可以得到反复的训练和提高，但是传统的实验室受时间、空间、资

2、金等资源的限制较大，不能满足实验人员随时随地开展实验的要求，同时其实验内容也会受到现实条件的制约，实验室的维护成本也较高。远程实验室开发的费用适中，它没有时间和空间的制约，可全天候对各地的实验人员开放，实现了实验资源的远程共享，它通过网络计算机操纵真实的或虚拟的实验对象，借助摄像头或模拟界面便可获得较强的实验临场感，通过数字化仪器采集得到更精确的实验数据也可直接通过相关软件进行分析[1]。迈克尔逊干涉仪是一个由迈克尔逊和莫雷设计制造出来的精密光学仪器，在近代物理和近代计量技术中都有着重要的应用。该实验作为经典物理实验，在大多数高校物理实验课中都占有一席之地[2]；同时该实验在原理知识和测量方

3、法等方面都具有较强的综合性,对于培养学生的实践创新能力具有重要意义[3]。在传统的基于迈克尔逊干涉的实验中，实际使用的计数干涉环的方法大多采用人工法，即用人眼直接观察成像到屏幕上的干涉环，人手轻轻旋动微动手轮，每变动一个环，便人工记录一次，每次测量需数出“冒出”或“陷入”的干涉环。此方法操作简单，除了迈克尔逊干涉仪外不需要额外的测量设备，但只能适合计数小干涉环数，而实际操作时往往需要记录超过几百个以上的干涉环数，假如采用此种方法，一方面，极易造成眼睛疲劳而影响读数的准确性[4]；另一方面测量出错后只能重新测量造成大量时间的浪费；再一方面对人眼的伤害大，非常地不人性化。迈克尔逊干涉仪的微调手轮

4、可以通过步进电机转动，转过的距离（也即光程差）便于微机控制和远程控制；迈克尔逊干涉仪的观察屏上有干涉圆环的冒出和湮没现象，具有良好的演示效果，同时通过捕捉观察屏上的图像进行图像处理可以实现条纹的自动计数，避免了人工计数的缺点；将实验现场和实验现象通过网络传输至远程客户端，可以实现远程观测和远程控制。因此，具体设计和实现一个基于迈克尔逊干涉仪的远程测控系统，对于补充和完善远程实验交互系统具有重要的现实意义。1.2国内外发展现状19目前，针对人工计数的缺点，研究人员提出了关于条纹自动计数器的诸多方案，其中主要的两种方案是光电传感器测量法和线阵CCD测量法。光电传感器测量法是使用光电头对准迈克尔逊

5、干涉环中心处，此时，光电头中的光敏管会随着光强信号的变化产生不同大小的光电流。这样就将干涉环的变化转变为电信号的变化，只要对电信号进行一定的处理，就可实现对干涉环的计数。但也存在如下缺点:该方法对器件的摆放要求过于苛刻，且随着测量的进行，条纹的厚度也将出现变化，需随着测量的进行不断地调整器件位置，增加了实际操作的复杂性。线阵CCD测量法是利用线阵CCD传感器将干涉环光信号转化为电信号的图像信号捕获与转换模块，再对来自线阵CCD传感器的电信号转化为数字信号，最后将数据送至微机进行处理，在微机中实现自动计数。这样解决了光电传感器定位难和操作繁琐的缺点，同时借助微机强大的运算功能，进行数字滤波等操

6、作进一步优化图像，通过对应像素点灰度值的变化实现自动计数。缺点:在数据处理方面，仅对干涉环的一维信息进行研究，计数结果过度依赖于采集到的线性区域，同时无法显示干涉环的二维真实图像，不能满足干涉环完整信息研究的需求，对于线性数据的处理也无法充分发挥微机强大的运算功能，在智能处理上存在很大的改善空间。南京邮电大学、合肥电子工程学院都设计了一套基于单片机的干涉条纹自动监测装置，其系统都是由角位移编码器、光敏电阻组成的感光电路和单片机组成[5][6]，其中角位移编码器与微调手轮相连（微调手轮通过人工调节），并将转轴的旋转角度转化为电信号脉冲个数[7]。五邑大学设计的干涉条纹计数器在上述系统上增加了一

7、个检测背景的光敏电阻感光电路，该光敏电阻置于没有条纹的光屏处，通过检测条纹的光敏电阻感光信号减去检测背景的光敏电阻感光信号的方法消除背景光的干扰信号；天津城市建设学院在上述系统的基础上增加了一个电动机[8]，实现了机械调节微调手轮，但并没有实现单片机对该电动机的控制，其实验装置结构图如图8。19图8采用光电传感器的干涉条纹计数装置浙江海洋学院设计的干涉条纹计数装置是使用CCD摄像头捕捉干涉图样，然后将视频数据