分光计的数字化改造

0 引 言

分光计是一种用途广泛的比较精确测定光偏转角的仪器，也称测角仪。该仪器的调节和使用既能锻炼学生的基本实验技能，又可培养学生解决实际问题的能力。同时，该仪器在大学物理实验中应用广泛，如光波波长测定、一些材料的折射率测定、超声声速测定等一系列实验都可以直接或间接地利用光的偏转角来表示，因而这些量都可以通过使用分光计来测量。分光计的基本光学结构又是许多光学仪器( 如棱镜光谱仪、光栅光谱仪、分光光度计、单色仪等) 的基础［1 －6］。

但是分光计的读数比较麻烦，通常配用一个带光源的放大镜来读数，同时用双度盘的读数来计算光的偏转角度时也比较麻烦，学生常常出错。为简化这些工作，在仪器的基本原理不变的条件下，本文对分光计的读数系统进行了数字化研究。

1 分光计的数字化改造

1． 1 分光计的机械盘读数方法

分光计调好之后，将读数盘的内盘即游标盘锁定，使之不能绕中心轴转动; 然后将读数盘的外刻度盘的锁紧螺钉锁紧，使之与望远镜同步绕中心轴转动。先对望远镜的初始位置进行读数，记下双游标的读数分别为 φ1和 φ'1，然后转动望远镜至接收到被观察光线位置，记下此时双游标的读数，分别为 φ2和 φ'2，则望远镜转动的角度

    θ =12［( φ2－ φ1) + ( φ'2－ φ'1) ］

在计算 θ 时，还要考虑到 2 次转动时的过零刻度情况的处理。读数系统用游标来提高精度，精度为1'，用双游标来消除偏心差［7-9］。

1． 2 分光计数字化后读数方法

如图 1 所示，将光电编码器的中心轴(空心轴) 与分光计的中心轴固定，光电编码器的外盘固定在望远镜的支架上，那么望远镜绕中心轴转动的角度和编码器绕中心轴的角度相同。编码器将感应角度变化的电信号送到角位移显示器解码并显示为角度值。读数时，在望远镜转动之前的位置处将角位移显示器的读数清零，然后转动望远镜，角度显示器可以同步显示其转动的角度值。最小分辨率为 20″。实验前分光计的调整和原来的调整方法一致。

1． 3 分光计数字化原理

本研究中采用角度传感器是 16 位的光电绝对编码器。测角范围在 0° ～ 360°，精度为 ± 20″，是可以直接输出数字量的传感器。在它的圆形码盘上沿径向有若干同心码道，每条道上由透光和不透光的扇形区相间组成，相邻码道的扇区数目是双倍关系，码盘上的码

数就是它的二进制数码的位数。在码盘的一侧是发光系统，另一侧是接收系统; 当码盘处于不同位置时，各光敏元件根据受光照与否转换出相应的电平信号，形成二进制数［10-14］。这种编码器的特点是不要计数器，在转轴的任意位置都可读出一个固定的与位置相对应的数字码，没有累积误差。如本仪器中用的角度传感器把360°分成了2个不同位置，故这种传感器可以直接输出角度坐标，极易实现角度的数字化显示功能，而且电源切除后位置信息不会丢失。这种光电角度传感器比其他的磁式、电容式、电阻式等传感器更方便数字化，不需要定标［15］。