初赛方案《基于迈克尔逊干涉仪的干涉型次声监测装置》 .doc

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1、基于迈克尔逊干涉仪的干涉型次声监测装置基于迈克尔逊干涉仪的干涉型次声监测装置 参赛学生：参赛学生： 指导老师：指导老师： II 摘要：摘要： 在现今信息领域中次声波是值得研究的一种信号，由于次声波的频率低的 特殊性，所以获取次声的相关信息需要相应的检测装置。干涉式次声监测装置 创造性的结合了简谐振动、迈克尔逊干涉原理以及多普勒效应，利用普通大学 实验室均具有的迈克尔逊干涉仪进行改装，将其一臂反射镜改装为带反射镜的 振动膜片，膜片感应声压变化从而发生振动，进而改变干涉仪两臂光程差，最 终导致干涉光斑强度发生变化从而获得次声波物理量。 关键词：关键词： 次声波 迈克尔逊干涉仪 光电效应 matla

2、b 目目 录录 第一章第一章 引言引言- 1 - 1.1 环境次声监测装置的研制背景环境次声监测装置的研制背景- 1 - 1.2 次声传感器的发展与现状次声传感器的发展与现状- 1 - 1.3 干涉式环境次声监测装置的研制目的及意义干涉式环境次声监测装置的研制目的及意义- 3 - 第二章第二章 干涉式次声传感器的理论与原理干涉式次声传感器的理论与原理.- 4 - 2.1 声学测量的基本理论声学测量的基本理论- 4 - 2.2 振动膜片运动原理振动膜片运动原理- 6 - 2.3 迈克尔逊干涉仪原理迈克尔逊干涉仪原理- 6 - 2.4 干涉式次声监测装置原理干涉式次声监测装置原理- 8 - 2.5

3、 本章小结本章小结- 10 - 第三章第三章 环境次声监测装置框架与实现环境次声监测装置框架与实现- 11 - 3.1 系统系统框框架架.- 11 - 3.2 系统实现系统实现- 11 - 第四章第四章 干涉式次声传感器的仿真分析干涉式次声传感器的仿真分析- 15 - 4.1 实验仿真实验仿真- 15 - 第五章第五章 实验数据处理与分析实验数据处理与分析.- 20 - 5.1 实验数据实验数据- 20 - 5.2 波形分析波形分析- 21 - 第六章第六章 总结总结- 23 - 附录：附录：.- 24 - 基于迈克尔逊干涉仪的干涉式次声监测装置 - 1 - 第一章第一章 引言引言 1.1 环

4、境次声监测装置的研制背景环境次声监测装置的研制背景 通常在声波的频段划分中，把振动体所发出的频率低于 20Hz 的声音称作次声， 正常人耳听不到这些声音，所以，次声长期以来没有引起人们的注意。但次声普遍 存在于各种工业环境、交通环境、自然环境及生活环境中，它传播远、衰减小、穿 透力强，一般的障碍物很难将次声挡住，而且随传播距离的增加衰减极小，在不同 的媒介中均是如此。由于这些特性，次声的应用越来越广。例如监测地震的发展状 况、监测固体内部瑕疵、甚至可以利用人体内脏器官共振频率在次声频率范围内的 特点制造次声武器等。 次声波的特性决定了其巨大的发展前景，利用次声的前提是掌握次声波的各种 特性，环

5、境次声监测装置的研制为次声的发展奠定了有力的基础。 1.2 次声传感器的发展与现状次声传感器的发展与现状 早在 19 世纪，人们就已记录到了自然界中一些偶发事件(如大火山爆发或流星 爆炸)所产生的次声波。其中最著名是 1883 年 8 月 27 日，印度尼西亚的喀拉喀托火 山突然爆发，它产生的次声波传播了十几万公里，当时用简单微气压计都可以记录 到它。在理论方面，最早在 1890 年，英国物理学家瑞利就开始了大气振荡现象的研 究。 第一次世界大战前后，火炮和高能炸药的出现，提供了较大的声源，促进了对 次声在大气中传播现象的了解。在 20 世纪 20 年代还进行了高层大气的温度和风对 次声传播影

6、响的研究，并建立了探测高层大气的简单声学方法，为此还研制了灵敏 度更高的微气压计、热线式次声传声器。30 年代发展了电容次声传声器。40 年代后， 利用声波在大气中的传播速度与温度的均方根成正比关系的原理，提出了火箭-榴弹 次声法测定高层大气温度和风速的方法，发展了次声接收和定位的新技术。 核武器的发展对次声学的建立起了很大的推动作用，使得次声接收、抗干扰方 法、定位技术、信号处理和次声传播等方面部有了很大发展。核爆炸会形成强大的 基于迈克尔逊干涉仪的干涉式次声监测装置 - 2 - 次声源，它产生的次声波在大气中可以传插得非常远，次声方法曾成为探测大气中 核爆炸的主要方法之一。为此建立了许多次

7、声观察站，进行了长时期连续记录和观 察。人们还发现了大气中存在许多自然次声源，对它们的发声机制和特性进行了初 步的了解。 目前应用较为广泛的次声传感器主要为电容式次声传感器及光纤式次声传感器。 1.2.1 电容式次声传感器电容式次声传感器 电容式次声传感器利用调幅原理测量换能用传声器的慢变化，将次声传感器中 的声顺元件作为电容电桥的一臂，输入端接一等幅高频电压，当次声波作用于膜片 上时，膜片随着声压的变化而产生位移，引起平板电容器电容量的变化，从而改变 了电容电桥的平衡，输出端即可得到受电容变化调制的调幅波，调幅波经电压放大 后送入调制解调器，就可得到低频电信号，实现对次声波的检测。 电容型的

8、不足之处是: 要求结构精细,设计严密,选材严格,特别是加工精度非常 高,主要零件都要求超精加工。此外,为保证长期稳定性,要选用最好的绝缘体,系统 内还要求超高洁净度等。而且这类电参量传感器抗电磁干扰能力差，在易燃易爆环 境下有潜在危险使其性能和使用受到很大限制。 1.2.2 光纤式次声传感器光纤式次声传感器 光纤式传感器基于独特的光纤传感技术，一个光束通过光纤被传送到硅膜上， 声音信号引起薄膜振动改变被反射的光的特征，然后被转换为电信号。它具有低于 1 个赫兹和高达 10,000 赫兹的频率响应范围。而且 FOM 具有高的信噪比，谐波失真 （THD）的频率带宽，能够在复杂的环境中使用等优点。由

9、于光纤式传感器是一种无 源器件并且不含电子或金属成分，它对电磁干扰反应不起任何的作用。但光纤式传 感器对技术要求较高，性价比低。 1.3 干涉式环境次声监测装置的研制目的及意义干涉式环境次声监测装置的研制目的及意义 次声波的特性决定了其巨大的发展前景，为了让学生掌握次声各参数的测量， 基于迈克尔逊干涉仪的干涉式次声监测装置 - 3 - 需设计出一种便于教学演示和学生操作且具有较高性价比的次声检测装置。通过对 现有次声传感器的综合比较，它们均存在着不便于教学演示、制作工艺复杂以及性 价比较低等缺点。为此，我们设计了以迈克尔逊干涉仪、振动膜片、激光、光电二 极管为基础元件的干涉式次声传感器。 干涉

10、式次声传感器利用实验室现有的迈克尔逊干涉仪加以改装，物理思想清晰易 懂，易于实现，在具有较高精度的同时又便于教学演示及学生动手操作，具有重要 的研究意义。 基于迈克尔逊干涉仪的干涉式次声监测装置 - 4 - 第二章第二章 干涉式次声传感器的理论与原理干涉式次声传感器的理论与原理 2.1 声学测量的基本理论声学测量的基本理论 2.1.1 频率、波长和声速频率、波长和声速 次声是频率低于可听声频率范围的声。它的频率范围大致为 10-5Hz 20Hz，波 长较长，传播距离远。它的产生和声波相同，都是由于物质(或物体)的机械性振动。 次声在本质上与可听声和超声没有区别，空气中的传播速度为 340m/s

11、。其频率（f） 、 波长（）和声速（v）满足关系式： f 2.1.2 声强声强 声强是衡量声音强弱的一个物理量。声场中，在垂直于声波传播方向上，单位 时间内通过单位面积的声能称做声强，即单位面积上所承受的声波的功率数。声强 常以 I 表示，单位为(w/)。声强实质是声场中某点声波能量大小的度量，声场中 2 m 某点声强的大小与声源的声功率、该点距声源的距离、波阵面的形状及声场的具体 情况有关。通常距声源愈远的点声强愈小，若不考虑介质对声能的吸收，点声源在 自由声场中向四周均匀辐射声能时，距声源 r 处的声强为 2 4 r W I 式中 I 为距点声源为 r 处的声强(w/)；W 为点声源功率（

12、w） 。若 S 表示包围 2 m 声源的封闭面面积，声功率 W 和声强 I 的关系为 dsIW s n 式中是声强在微元面积 dS 法线方向的分量。 n I 基于迈克尔逊干涉仪的干涉式次声监测装置 - 5 - 2.1.3 声压声压 目前，在声学测量中，直接测量声强较为困难，故常用声压来衡量声音的强弱。 声波在大气中传播时，引起空气质点的振动，从而使空气密度发生变化。在声波所 达到的各点上，气压时而比无声时的压强高，时而比无声时的压强低，某一瞬间介 质中的压强相对于无声波时压强的改变量称为声压，记为 p(t)，单位是 Pa。 声音在振动过程中，声压是随时间迅速起伏变化的，因为瞬时声压有正负值之

13、分，所以有效声压取瞬时声压的均方根值。 dttp T p T T 0 2 )( 1 式中是 T 时间内的有效声压，p(t)为某一时刻的瞬时声压。通常所说的声压，若 T p 未加说明，即指有效声压，若，分别表示两列声波在某一点所引起的有效声 1 p 2 p 压，该点迭加后的有效声压可由波动方程导出，为 2 2 2 1 PPpT 声压是声场中某点声波压力的量度，影响它的因素与声强相同。并且，在自由场中 多声波传播方向上某点声强与声压、介质密度 存在如下关系 2 p I 2.1.4 声压级与声强级声压级与声强级 声压和声强一样，都是采用以 10 为底的对数标度来度量的，即声压级与声强级， 单位都是分

14、贝（dB） 。 声压级的符号是，定义为 p L 0 2 0 2 lg20lg10 p p p p L ee P 式中，为待测声压的有效值；为基准声压，是频率在 1000Hz 时，人耳能听到 e p 0 p 的声压。在空气中，其值定为。Pa 5 102 基于迈克尔逊干涉仪的干涉式次声监测装置 - 6 - 声强级的符号为 LI，其定义为 0 lg10 I I LI 式中为待测光强；为基准声强。空气的特性阻抗 ，此时 I 0 I 3 0 /400msNc 。 212 0 /10mWI 可以证明，声压级和声强级在数值上是基本相等的。 2.2 振动膜片运动原理振动膜片运动原理 当空间中次声波为单一频率的

15、声波时，其瞬时声压为 tptpsin)( 0 膜片在次声波驱动下所受驱动力 StpStpFsin)( 0 其中是膜片的等效受力面积。S 膜片横向加速度 t m Sp m F xasin 0 所以，对加速度二次积分解得膜片运动方程为 t m Sp x sin 2 0 膜片振幅为： 2 0 m Sp A 2.3 迈克尔逊干涉仪原理迈克尔逊干涉仪原理 迈克尔逊干涉仪是一种所谓“增量 法”测长的仪器，它是把测量反射镜与 被测对象固联，参考反射镜固定不动， 当测量反射镜随被测对象移动时，两路 光束的光程差即发生变化，干涉条纹也 基于迈克尔逊干涉仪的干涉式次声监测装置 - 7 - 将发生明暗交替变化。 若

16、用光电探测器接收，当被测对象移动一定距离时，条纹亮暗交替变化一次，光 电探测器输出信号将变化一个周期，记录下信号变化的周期数，便确定了被测长度。 迈克尔逊干涉仪的光路原理图如图 2.1 所示，扩展光源 S 发出的光波被分光镜分G 成两路，构成互相垂直的两臂，其中一束光经参考反射镜反射，透过进入接收 1 MG 系统，另一束光透过补偿板，由测量反射镜反射后原路返回，在经反射后C 2 MG 进入接收系统，与另一束光干涉。如果画出经所成的镜像，则上述干涉叠 2 MG 2 M 加可等效为由和形成的空气薄膜的两束光干涉。 1 M 2 M 图中光电探测器 D 接收的光强为: L IIIII 2 cos2 2

17、121 式中、分别为测量光束和参考光束光强; 为两光束之间的光程差; 为激光 1 I 2 IL 光波中心波长。 当测量反射镜移动长度 L 时，测量光束与参考光束两光束之间的光程差变为 2 M 此，此时光电探测器接收的光强信号为:nLL2 )2(cos2 2121 nLLkIIIII 式中;n 为干涉仪测量臂在相应介质中的介质折射率，空气折射率约为 1。 2 k 当被测物理量发生变化时，会使测量反射镜产生相应的位移变化，这样 光电探测器所接收的光强信号就会发生改变，通过检测所接收光强信号改变 量的多少就可得到被测物理量的变化信息。 基于迈克尔逊干涉仪的干涉式次声监测装置 - 8 - 2.4 干涉

18、式次声监测装置原理干涉式次声监测装置原理 1 M 2 M 光电二级管 本装置的实现是通过对实验室现有的迈克耳孙干涉仪进行改装,将原参考反射镜 改装为带有反射镜面的振动膜片，作为次声感应模块。固定位置，使作为 2 M 1 M 1 M 参考反射镜。 因为干涉光强，假定迈克尔逊干涉仪中两臂光强 L IIIII 2 cos2 2121 ，令，则两束单色光的相干叠加后强度随相位差的变化为 21 II 210 2III ) 2 cos1 ()( 0 L ILI 当振动膜片在次声波驱动下振动时，光程差 xL2 代入上式 )4cos1 ()()( 0 x ILIxI 装置利用光电二级管接收光强变化，输出电信号

19、正比于所接收到的光强，输出 信号经信号放大、电压偏移、低通滤波后，随振动膜片位置变化为VV )4cos( 0 x VV 此时，输出信号 V 与时间 t 关系为 激光 光 基于迈克尔逊干涉仪的干涉式次声监测装置 - 9 - ) sin 4cos()( 0 tA VtV 设输出信号 V 频率为，则有 V tA t V sin 4 两边对时间求导，得 t A V cos 4 由上式可知，当膜片振动频率不变时，为随时间做余弦变化的周期函数，在膜片振动 V 一个周期内，出现两次极大值/极小值，两次极大值/极小值之间时间间隔即为振动 V 膜片振动半周期。 膜片位置从变化到的过程中，设输出信号极大值出现次数

20、为，即AAN 从到的过程中的次数为，则有AxAx 1)4cos( x N N A 2 2 4 所以 4 N A 在计算出膜片振动周期后，即可计数得到一个周期内电压峰值出现次数。N 又瞬时声压与振动膜片振幅的关系为 2 0 m Sp A 则 S Nm p 4 2 0 单一频率的声波，其声压按正弦规律变化 tptpsin)( 0 有效声压 基于迈克尔逊干涉仪的干涉式次声监测装置 - 10 - S Nm pPT 8 2 2 2 2 0 声强 vS NmP I T 2 22422 32 一般计算中取空气的特性阻抗 3 /400msNv 2.5 本章小结本章小结 本章主要论述了声波频率、声强、声压与改装

21、后迈克尔逊干涉仪振动膜片振动 间的关系，推导出次声波频率与测得电信号频率的关系式，为t A V cos 4 V 随时间做余弦变化的周期函数，在膜片振动一个周期内，出现两次极大值/极小值，两 V 次极大值/极小值之间时间间隔即为次声波半周期。确定次声波周期后，即可得声强 与一个周期内峰值电压出现次数的关系式为。N vS NmP I T 2 22422 32 基于迈克尔逊干涉仪的干涉式次声监测装置 - 11 - 第三章第三章 环境次声监测装置框架与实现环境次声监测装置框架与实现 3.1 系统框架系统框架 本装置主要由干涉式次声传感器和信号处理电路两大部分组成。 当环境中有次声到达，次声波声压的变化

22、驱动作为迈克尔逊干涉仪一臂的膜 2 M 片振动，引起参考光束与测量光束光程差变化，从而导致光电二级管接收到的光强 发生变化。信号即完成了“声波-干涉光强-电信号”的转化，此信号可能含有 其他频率段（非次声段）的光信号，通过低通滤波器后再次过滤高频噪音信号后， 将电信号经过两级放大后二值化模块输进单片机处理，从而显示出该次声的频率和 强度。 光电二极管LP Laser MCU LCD 信号处理电路信号处理电路 3.2 系统实现系统实现 3.2.13.2.1 干涉式次声传感器干涉式次声传感器 实验装置由激光器、迈克耳孙干涉仪、振动膜、平面镜以及光电二极管组成。 基于迈克尔逊干涉仪的干涉式次声监测装

23、置 - 12 - 3.2.2 处理电路处理电路 考虑到接收的声音信号里包括了高频谐波，因此通过光电二极管转换后的电信号 也包括这些高频声信号的分量。 光电二极管检测信号电路 为了屏蔽这些分量对待测量的次声信号的影响，在光电转换模块后通过一低通滤 波网络将高次谐波滤除，得到转换为相对比较纯的次声信号。 基于迈克尔逊干涉仪的干涉式次声监测装置 - 13 - 从光电二极管出来的电信号很弱，经检测峰峰值在 20mV 左右，进行信号的接收 和处理就必须对信号进行放大。这里我们选用的放大模块是低噪声高精度运算放大 器 OP07，由于 OP07 具有非常低的输入失调电压（最大为 25V） ，同时具有极低的

24、输入偏置电流（2nA）和开环增益高（300V/mV）的特点，这种低失调、高开环增 益的特性使得 OP07 特别适用于我们这里的高增益的测量设备和放大传感器的微弱信 号。这里我们采用两级放大，第一级主要负责放大，把信号放大至峰值在 5V，第二 级主要负责偏压，Op07 的单电源供电时，在正输入端 3 脚接一可变电压值使的对波 形整体平移，即把放大后的电信号平移到零线以上，再利用施密特触发器原理，放 大后的信号通过两个非门，即可把模拟信号转化为数字信号，类似于 A/D 转换芯片。 采用此种电路，省略了价格相对较高的 AD 转换芯片，也简化了程序的编写。 电路模拟实现如下： 输入信号波形 ： 放大后

25、信号波形： 基于迈克尔逊干涉仪的干涉式次声监测装置 - 14 - 平移后信号波形： (4)二值化后信号波形： 3.2.3 单片机及显示屏单片机及显示屏 利用 STC89C51 系列单片机的信号处理能力，通过程序将上面二值化后的数字信 号进行采集和处理。用来显示监测到的声信号的频率和强度等声信息（信号处理源 程序见附录） ，基于 1602 液晶显示和在编程方面的优越性，我们选取他作为显示模 块。 STC89C51 单片机数据处理及 1602 液晶显示电路 基于迈克尔逊干涉仪的干涉式次声监测装置 - 15 - 第四章第四章 干涉式次声传感器的仿真分析干涉式次声传感器的仿真分析 4.1 实验仿真实验

26、仿真 在理论的基础上，利用 MATLAB 强大的计算和绘图功能，通过计算机对干涉 式次声传感器进行仿真。 当给定次声波的频率以及声强级时，利用 MATLAB 仿真，编制如下程序，得 到膜片振幅与声波频率、声强关系： r=25e-3; %膜片半径 s=pi*r2; %膜片面积 m=24.73e-3; %膜片质量 f=1:0.1:20; %次声波频率范围 p=70:0.1:100; %声强级 for i=1:191 t(i)=1/f(i); end; T,P=meshgrid(t,p); x=(2e-5)*s*10.(P/20).*T.2/(4*pi2*m); meshz(T,P,x); xlab

27、el(次声波周期); ylabel(次声波声强级); zlabel(膜片振幅); colormap(gray(255); 基于迈克尔逊干涉仪的干涉式次声监测装置 - 16 - 用 L 表示声强级，f 表示振动频率，GI 表示光强，V 表述输出电压时，根 据第二章理论分析，编制的主程序如下： l=650e-9; %氦氖激光波长 r=25e-3; %振动膜片半径 m=24.73e-3; %振动膜片质量 pv=400; %空气特性阻抗 I0=1e-12; %基准声强 L=input(声强级=); %次声波声强级 f=input(频率=); %次声波频率 I=I0*10(L/10); %声强 PT=s

28、qrt(I*pv); %有效声压 P0=PT*sqrt(2); %瞬时声压峰值 t=1:1:5000; %时间设置为 0.5s 基于迈克尔逊干涉仪的干涉式次声监测装置 - 17 - P=P0*sin(2*pi*f*t/10000); %瞬时声压表达式 A=P0*pi*r2/(m*(2*pi*f)2); %次声波驱动下膜片振幅 x=A*sin(2*pi*f*t/10000); %膜片振动表达式 GI=cos(4*pi*x/l); %光强表达式 V=255*GI; %输出电压表达式 subplot (4,1,1),plot(t/10000,P),ylabel(声压 P/Pa),title(瞬时声压

29、 与时间变化关系图); subplot (4,1,3),image(t/10000,0,V);ylabel(光强); colormap(gray(255);title(光强与时间变化关系图像); subplot (4,1,2),plot(t/10000,x);ylabel(位移 x/m);title(振动膜片 与时间变化关系图); subplot (4,1,4),plot(t/10000,GI),ylabel(输出电压 V/V),xlabel(时 间 t/s);title(输出电压与时间变化关系图) 将主程序于 MATLAB 中编制为 M 文件，将声强级固定为 80dB，输入频率分别为 5、1

30、0、15、20Hz 时，得到图形如下： I=80dB;f=5Hz 基于迈克尔逊干涉仪的干涉式次声监测装置 - 18 - I=80dB;f=10Hz I=80dB;f=15Hz 基于迈克尔逊干涉仪的干涉式次声监测装置 - 19 - I=80dB;f=20Hz 通过上面四组声强级相同、频率不同的次声波驱动下的波形，可清晰看到 光强随时间变化的图像，其电压输出疏密有致，且与次声波声压一一对应。从 理论上证明了干涉型次声传感器的可行性。 基于迈克尔逊干涉仪的干涉式次声监测装置 - 20 - 第五章第五章 实验数据处理与分析实验数据处理与分析 5.1 实验数实验数据据 由于实验室缺乏标准次声发生器，故采

31、用低频正弦信号发生器驱动扬声器 用以发生次声信号。在 7Hz 以下次声信号失真较为严重，因而无法验证干涉型 次声传感器在 7Hz 以下的测量准确性，但在可测范围内（720Hz） ，本装置均 可得到准确度较高的数据。 将正弦信号发生器输出波形峰峰值固定为 10V，改变输出频率，测得数据 如下： 驱动频率（Hz）输出频率（Hz）声强级（dB）频率误差 7.07.10.37215.71% 7.57.30.573110.67% 8.08.30.27816.25% 8.59.00.27928.24% 9.09.00.1811.11% 9.59.40.68017.37% 1010.40.38417.00%

32、 10.510.80.884110.48% 1111.30.38415.45% 1212.30.48715.83% 1313.40.48616.15% 1414.40.59016.43% 1515.01.19017.33% 1616.60.39315.63% 1717.40.69315.88% 1818.20.39312.78% 1919.00.99714.74% 基于迈克尔逊干涉仪的干涉式次声监测装置 - 21 - 2021.00.79618.50% 2221.21.595110.45% 由上表可知，实测中测量数据最大误差约为 10.48%，考虑到扬声器并非正 规次声发生器，其输出波形本身具

33、有一定程度上的失真，且由于本装置振动膜 片、光路调节上存在的误差，故本装置精确度还有极大的提升空间。 5.2 波形分析波形分析 以下图形为实际测试中各探测节点的输出波形。实际测试中,电路在二极管输 出、放大电路输出和信号二值化输出处都设有测试节点，方便信号测试。 图图 5 52 21 1 图 521 中，上方为次声驱动正弦信号，下方光电二极管输出波形。输 出信号周期疏密有致，与 matlab 仿真结果基本相同，从而证明了干涉式次声传 感器在实际上是可行的。但此时输出信号中含有噪音成分，且信号不易处理， 故设计了一系列的处理电路对波形进行修正。 基于迈克尔逊干涉仪的干涉式次声监测装置 - 22

34、- 图图 5 52 22 2 图 522 为光电二极管输出信号经过处理电路前后波形对比，其中，上 方为经过处理电路后输出波形，可以看到，经过处理电路后，方波疏密极为清 晰，便于后续电路处理。 图图 5 52 23 3 图 523 中，下方为次声驱动正弦信号，上方为经过处理电路后光电二极管 输出波形。此时，输出方形疏密与驱动波形对应已十分清晰，只需利用单片机 进行处理即可得到驱动次声波的各项物理参数。 基于迈克尔逊干涉仪的干涉式次声监测装置 - 23 - 第六章第六章 总结总结 干涉式次声监测装置作为省实验设计大赛参选作品，为凸显物理原理、便 于教学演示及学生重复本实验，故摒弃了更为注重电路设计

35、的电容式次声传感 器，创造性的结合了简谐振动、迈克尔逊干涉原理以及多普勒效应，利用普通 大学实验室均具有的迈克尔逊干涉仪进行改装，将其一臂反射镜改装为带反射 镜的振动膜片，膜片感应声压变化从而发生振动，进而改变干涉仪两臂光程差， 最终导致干涉光斑强度发生变化从而获得次声波物理量。本实验物理思想清晰 易懂，装置改装简单易行，精度较高且不受电磁干扰影响，适合作为大学实验 在普通高校进行教学推广。 参考文献：参考文献： 【1】赵凯华，新概念物理教程光学 M.北京：高等教育出版社， 2004； 【2】毛欲民，洪家平，基于 MATLAB 的杨氏双缝干涉实验仿真 J， 湖北师范学院学报，2007； 【3】

36、孙艳玲，迈克尔逊干涉原理在表面形貌测量中的应用研究J. ，传感器与微系统， 2006； 【4】邵静波，王玉兰，洪光，张云秋，半导体激光自混频干涉法测 振动速度J，物理实验, 2003； 【5】张淼，唐芳，李华，基于迈克耳孙干涉仪的激光多普勒实验仪 及其实验J，物理实验，2007； 基于迈克尔逊干涉仪的干涉式次声监测装置 - 24 - 附录：附录： 基于STC89C51 次声信号处理源程序： LCM_RS EQU P3.0 LCM_RW EQU P3.1 LCM_E EQU P3.2 LCM_DATA EQU P1 org 0000h sjmp start org 0003h ;ext0 ret

37、i org 000bh ; t0 reti org 0013h ;ext1 reti org 001bh ;t1 reti org 0023h ;ti/ri reti org 002bh ;t2 reti start: mov sp,#10h mov p2,#0ffh LCALL DL10MS MOV A,#38H LCALL WRITE_COM MOV A,#0FH LCALL WRITE_COM MOV A,#01H LCALL WRITE_COM MOV TMOD,#55H ; T0 , T1 16 digit counter SETB EA clr tr0 clr tr1 START_

38、1:JB P2.1,$ 基于迈克尔逊干涉仪的干涉式次声监测装置 - 25 - mov r1,#40h ; 40hffh 存放数据 LOOP_1: MOV TH0,#00H MOV TL0,#00H setb et0 SETB TR0 jnb p2.0,low_f LCALL DL2500us sjmp high_f low_f: lcall dl10ms high_f: clr et0 CLR TR0 MOV A,TL0 mov r1,a inc r1 CLR C cjne r1,#0ffh,aaa1 aaa1: jc loop_1 MOV r1,#40H LCALL ADD_4 MOV 33

39、H,A LOOP_2:INC R1 LCALL ADD_4 CLR C CJNE A,33H,AAA2 AAA2:JC AAA3 MOV 33H,A AAA3: CLR C CJNE r1,#0f7H,AAA4 AAA4: JC LOOP_2 ;search the largest one MOV A,33H MOV B,#0AH DIV AB MOV R4,A ADD A,R4 MOV R4,A MOV A,33H CLR C SUBB A,R4 MOV 30h,A ; 计数开始/结束 的判断值 基于迈克尔逊干涉仪的干涉式次声监测装置 - 26 - MOV r1,#40H LCALL STA

40、RT_END MOV 31H,r1 MOV 32h,34h ;start counting LOOP_END: LCALL START_END CLR C MOV A,r1 SUBB A,31h CJNE A,#08H,QQQ2 QQQ2: JNC LOOP_DONE CLR C MOV A,34h CJNE A,32H,QQQ3 QQQ3:JC LOOP_END MOV 31H,r1 MOV 32H,34H SJMP LOOP_END LOOP_DONE: MOV B,A ; stop counting MOV R5,A MOV A,#0C8H DIV AB MOV 33h,A clr c

41、cjne a,#05h,to_high to_high: jc ee_add setb p2.0 ee_add: add a,33h mov 33h,a mov r7,b mov a,r5 mov b,#0ah div ab mov b,a mov a,r7 add a,r7 div ab mov r7,a 基于迈克尔逊干涉仪的干涉式次声监测装置 - 27 - mov a,33h ; mov 39h,38h ; 与前 4 次数值取平均 再显示 mov 38h,37h mov 37h,36h mov 36h,35h mov 35h,a add a,36h add a,37h add a,38h

42、add a,39h mov b,#05h div ab ; mov b,#0ah div ab mov r5,a mov r6,b clr c cjne r7,#0ah,eee eee:jc ee_on inc r6 ; R5 R6 . R7 HZ mov r7,#00h ee_on: mov a,#01h ；显示 频率 lcall write_com mov a,#81h lcall write_com mov a,#13h lcall write_data mov a,#14h lcall write_data mov a,#16h lcall write_data MOV A,R5 LC

43、ALL WRITE_DATA MOV A,R6 LCALL WRITE_DATA MOV A,#10H LCALL WRITE_DATA MOV A,R7 LCALL WRITE_DATA mov a,#16h lcall write_data 基于迈克尔逊干涉仪的干涉式次声监测装置 - 28 - MOV A,#11H LCALL WRITE_DATA MOV A,#12H LCALL WRITE_DATA mov a,33h lcall check_lgf ；查表： 40*(log f) +20*(lg n) +10*(lg 7) mov r2,a DEC r1 MOV A,r1 MOV R

44、5,A mov 33h,#00h POS_NUM: MOV A,R5 DEC r1 clr c ADD A,r1 jnc pos_on mov 33h,#19h pos_on: MOV R5,A MOV A,r1 CLR C CJNE A,31H,POS_1 POS_1: JNC POS_NUM mov a,r5 mov b,#0ah div ab add a,33h lcall check_lgn add a,r2 add a,#09h ; 声波强度值 ; mov b,#03h ；与前 3 次值平均 div ab mov 3ch,3bh mov 3bh,3ah mov 3ah,a add a

45、,3bh add a,3ch ; mov b,#64h div ab mov r5,a 基于迈克尔逊干涉仪的干涉式次声监测装置 - 29 - mov a,b mov b,#0ah div ab mov r6,a mov r7,b MOV A,#0C1H ; I = R5 R6 R7 LCALL WRITE_COM mov a,#15h lcall write_data mov a,#14h lcall write_data mov a,#16h lcall write_data MOV A,R5 LCALL WRITE_DATA MOV A,R6 LCALL WRITE_DATA MOV A,

46、R7 LCALL WRITE_DATA mov a,#16h lcall write_data mov a,#0dh lcall write_data mov a,#0bh lcall write_data LJMP START_1 ; ADD_4: MOV A,#00H ；连续 20 ms 内的脉冲个数 ADD A,r1 INC r1 ADD A,r1 INC r1 ADD A,r1 INC r1 ADD A,r1 INC r1 ADD A,r1 INC r1 ADD A,r1 INC r1 ADD A,r1 INC r1 基于迈克尔逊干涉仪的干涉式次声监测装置 - 30 - ADD A,r

47、1 DEC r1 DEC r1 DEC r1 DEC r1 DEC r1 DEC r1 DEC r1 RET ; START_END:NOP ；判断 是否 开始/结束 LOOP_3: LCALL ADD_4 CLR C INC r1 CJNE A,30H,AAA55 AAA55: JC AAA66 SJMP LOOP_4 AAA66: CLR C CJNE r1,#0f7h,AAA77 AAA77: JC LOOP_3 LCALL OUT_OF SJMP out_ret LOOP_4: MOV 34h,A LCALL ADD_4 INC r1 CLR C CJNE A,34H,QQQ1 QQQ1: JNC LOOP_4 out_ret: RET ; OUT_OF: clr p2.0 ；测不到结束信号 显示 “Out of range!“ mov a,#01h lcall write_com MOV A,#80H LCALL WRITE_COM MOV DP