干涉仪和棱镜摄谱仪的常见故障及修理方法.pdf

第3 2 卷第4 期 2 0 1 0 年8 月 光学仪器 O P T I C A LI N S T R U M E N T S V o L3 2 N o 4 A u g u s t 2 0 1 0 文章编号 1 0 0 5 5 6 3 0 2 0 1 0 0 4 0 0 7 5 0 5 干涉仪和棱镜摄谱仪的常见故障及修理方法 万应发 黄石理工学院高等职业技术学院 湖北黄石4 3 5 0 0 0 摘要 为了延长光学仪器的使用寿命 保证学生光学实验的正常进行 必须对实验室现有的光学 仪器进行科学保养和维修 迈克尔逊干涉仪和小型棱镜谱仪是两种精密的物理光学仪器 试 图对这两种仪器的工作原理和常见故障现象 产生故障的原因及排除方法进行仔细深入的分 析 探讨 文中修理方法是笔者多年修理经验的总结 关键词 常见故障 故障原因 检修方法 光学仪器 中图分类号 T H7 4 4 文献标识码 Ad o i 1 0 3 9 6 9 j is s n 1 0 0 5 5 6 3 0 2 0 1 0 0 4 0 1 7 T h eco m m o nf a il u r e sa n dr e p a ir in gm e t h o d so f in t e r f e r o m e t e ra n dp r is ms p e ct r o g r a p h W A NY in g f a C o l l e g eo fH ig h e rV o ca t io n a lT e ch n o l o g y H u a n g s h iI n s t it u t eo fT e ch n o l o g y H u a n g s h i4 3 5 0 0 0 C h in a A b s t r a ct I no r d e rt op r o l o n gt h es e r v icel if ea n de n s u r et h a tt h es t u d e n t So p t ica le x p e r im e n t s ca nb en o r m a l l yca r r ie do u t t h eo p t ica lin s t r u m e n t sine x is t e n cem u s tb es cie n t if ica l l y m a in t a in e da n dr e p a ir e d M ich e l s o nin t e r f e r o m e t e ra n ds m a l lp r is ms p e ct r o g r a p ha r et w ok in d s o fp r e cis e p h y s ica lo p t ica lin s t r u m e n t s T h isa r t icl ea t t e m p t st oa n a l y s ea n dd is cu s st h e w o r k in gp r in cip l e s co m m o nf a il u r ep h e n o m e n a t h eca u s e sa n de l im in a t in gm e t h o d s T h e r e p a ir in gm e t h o dint h ee s s a yist h es u m m a r yo ft h ew r it e r Sr e p a ir in ge x p e r ie n ce K e yw o r d s co m m o nf a il u r e s ca u s e so ff a il u r e s r e p a ir in gm e t h o d s o p t ica lin s t r u m e n t s 引言 光学是 f l 古老而年轻的科学 近十几年来有了很大的发展 为了反映现代科学的进展 光学教材 中引入了激光 全息 导光纤维 空间滤波 计算机仿真和计算机辅助光学实验等新的实验内容 实验设备 也在逐步更新 但这不等于实验室所用的仪器现代化及自动化程度越高越好 高度自动化的仪器可能把 做实验变成了按电钮 十分复杂或高精尖的仪器 学生很难在短时间内掌握 因而不可能让他们动手调 试 这样对发挥学生的主观能动性和培养学生的动手能力是不利的 反之 实验中使用一些传统的 成熟 的及结构相对简单的仪器 学生可以反复试验 可以根据需要适当改变实验条件和实验装置 这对培养学 生的物理思想和动手能力比较有利 如迈克尔逊干涉仪可以用于演示和观察光的等倾和等厚干涉现象 测定单色光波长 观察多束光的干涉现象 观察白光的干涉现象 1 小型棱镜摄谱仪能摄谱和看谱及作 简单的单色光计使用 为了延长光学仪器的使用寿命 保证光学实验的正常进行 必须对光学仪器进行 收稿日期 2 0 0 9 1 2 0 8 作者简介 万应发 1 9 6 3 一 男 湖北大冶人 副教授 主要从事物理学科相关课程的教学 实验及研究 7 6 光学仪器第3 2 卷 科学保养和维修 迈克尔逊干涉仪和小型棱镜谱仪是实验室的光学仪器 现试图对这两种仪器的工作 原理和常见故障 产生故障的原因及排除方法进行分析 探讨 l 迈克尔逊干涉仪常见故障及检修方法 1 1 仪器说明及原理 迈克尔逊干涉仪的结构如图1 所示 2 M 和M z 是在相互垂直的两臂上放置的两个平面反射镜 其 背面各有三个调节螺丝 用来调节镜面的方位 M z 是固定的参考镜 M 由精密丝杆控制可沿臂轴前后移 动 在两臂相交处有一平行平面玻璃板G t G 与两臂轴各成4 5 角 G 的第二面涂以半透半反的银膜 可 使入射光分成光强相等的两束光 所以G 称为分光板 在G 和M 之间的臂上放置一块与G 同样厚的 同样材料的平行平面玻璃板G 2 G z 与G 平行 它起补偿光路的作用 称为补偿板 迈克尔逊干涉仪的光 路原理如图2 所示 3 从扩散光源S 发出的一束光射到分光板G 上 反射膜将光束一分为二 一半为反射 光l 另一半为透射光2 因为G t 和全反射镜M h M z 均成4 5 角 所以两束光均垂直射到M 和M 上 经反 射后再回到G t 的半反射膜上 最后到E 处 显然两束光1 和2 是相干光 在E 处可观察到干涉图样 补 偿板G z 的作用是保证两束光1 和2 在在玻璃中的光程完全相同 图1 迈克尔逊干涉仪的结构 F ig 1 M ich e l s o nin t e r f e r o m e t e rs t r u ct u r e 图2 迈克尔逊干涉仪的光路原理 F ig 2 M ie h e l s o nin t e r f e r o m e t e ro p t ica lp a t hp r in cip l e 干涉仪是凭借光的干涉原理以测量长度或长度变化的精密光学仪器 实验室最常用的是迈克尔逊干 涉仪 它的常见故障如下 1 2 故障1 干涉环不圆心 产生此现象的原因有三点 1 分光板膜层面反向 2 两组出射光瞳错位 3 分光板 补偿板 移 动镜及参考镜有应压力 检修方法如下 1 分光板膜层的安装应是入射光的第二面 如装在第一面调出的等倾干涉圆环是直的椭圆干涉环 可旋松分光板的三只宽大的螺钉 取出分光板 反过1 8 0 重新装入金属框内 把三只宽头螺钉旋到原来 的压紧力 2 调节有关部件 使两组出射光重合 3 分光板 补偿板的宽头螺钉 移动镜及参考镜的调节滚花螺钉压紧力过大 使各镜片逐步变形产 生等倾干涉圆环不规则 适当放松过紧的螺钉即可消除 1 3 故障2 读数空位大于0 0 3 r a m 产生此故障的原因是传动螺母和丝杆的配合间隙大和拖体下面的顶块间隙偏大及档板与导轨配合 过松 第4 期万应发 干涉仪和棱镜摄谱仪的常见故障及修理方法 7 7 检修方法如下 先调整顶块间隙 拖板体在工作状态下旋松顶块螺钉 左手大拇指将拖板体向读数头 方向轻推 中指压紧顶块 然后固紧顶块螺钉 如果仍未达到要求 调整档块与导轨的间隙达0 0 2 r a m 再 调节传动螺母七的两只螺钉 老产品有4 只 1 4 故障3 转动粗动手轮时拖板不走 造成此故障的原因有 1 一起受强烈冲击后 丝杆向尾架方向脱出 造成读数头啮合齿轮错位 2 传动小齿轮固紧螺母松动 造成传动小齿轮与丝杆打滑 3 大齿轮及粗动手轮的压紧螺母松动 检修方法 首先检查粗动手轮压紧螺母 然后检查精密丝杆是否向尾架方向脱出 如已脱出 可旋松 尾架6 只螺钉 一面将丝杆推向读数头 一面慢慢转动粗动手轮 最后旋紧尾架3 只螺钉 如果是小齿轮 固紧螺母和大齿轮固紧螺母松动 先拆去传动盒盖 再拆下门字架固紧螺母 重新依次装配即可 1 5 故障4 转动微动手轮时拖板不走 产生的原因是 1 传动小齿轮压紧螺母松 使盆形弹簧片无压紧力 造成蜗轮空转 2 粗微动有脱 开机构的干涉仪 蜗杆压紧弹簧片失灵 3 微动手轮压紧螺母松 检修方法 先检查微动手轮的压紧螺母 然后打开传动盒盖 取下门字架 旋紧传动小齿轮压紧螺母 使盆形弹簧片压紧蜗轮 此时转动蜗轮应带动精密丝杆 依次装好拆下的零件 如果是脱开机构 应检查蜗杆拖板是否已被压死 如被压死 可拆下左右压块 清洗上油重新装配即 可 如蜗杆拖板较松 说明蜗杆拖板的弹簧压力减少 1 可拆下弹簧改小半径增加弹性 2 调换弹 簧片 1 6 故障5 转动粗动手轮时 等倾干涉环从中心向外漂移 产生的原因是入射的光源不垂直于移动镜 检修方法 此现象并非仪器故障 主要是入射的光源不垂直于移动镜 检修时首先调整干涉仪三只底 脚调平螺钉 使仪器基本安放水平 然后调整光源 使扩束激光充满参考镜 将移动镜调至零光程附近 转 动粗动手轮到等倾直条纹 说明扩束激光基本垂直于移动镜 此时转动粗动手轮出现的干涉圆环就不会 漂移 1 7 故障6 白光干涉条纹不对称 产生的原因是受运输冲击或使用过程中碰过分光板和补偿板致使两板平行度已被破坏 检修方法 调整分光板与补偿板的平行度 在没有自准直仪时 可通过两板同时观察室内目标物 如 日光灯 调节明板E 的宽头螺钉 使双象基本重合 可调节补偿板的三只宽头螺钉达到完全对称 1 8 故障7 波长测定值偏长 产生的原因是 1 拖板体侧面弹簧片压力太紧 2 档板与导轨配合过紧 3 导轨面润滑油脂太 厚 4 蜗轮稍有打滑 5 丝杆尾架压紧力偏小 检修方法 先检杳拖板体侧面的弹簧片是否太紧 如太紧可将弹簧变形减少压力的办法解决 再取 下拖板体 检查开合螺母上的档板与导轨面的配合是否过紧 如过紧可调整档板 旋松两只螺钉 提高档 板与导轨接触处垫入0 0 2 r a m 厚的锡片 放下档板 固紧螺钉 拿掉锡片 导轨上加上厚的油脂 会使拖板 增加阻尼或厚的油脂上带有杂质 会使拖板不按导轨直线移动 最后检查尾架内的弹簧 如压紧力偏 小 可把滚花螺套旋出 将弹簧拉长即可 如遇蜗轮稍有打滑 检修时必须小心拆装 先拆下传动盒盖 拆下门字架 取下小钢球 旋下小齿轮 压紧螺母 用专用夹具取下读数盘 平面轴承 盆形弹簧片 蜗轮等 在汽油中清洗 烘干 重新涂硬性润滑 油脂 重新装配时可在平面轴承与读数盘之间加0 0 2 r a m 的金属垫片 手感摩擦力有所增加后 依次重 新装配 再进行测试检查 2 小型棱镜摄谱仪常见故障及检修方法 2 1 仪器原理 小型棱镜摄谱仪工作原理如图3 来自被分析物质所激发的光束经聚光镜l 聚焦在入射狭缝2 上 并 7 8 光学仪器 第3 2 卷 以发散光束射到入射物镜3 因入射狭缝2 位于入射物镜3 的焦面 上 所以通过入射物镜3 后变成平行光束 恒偏向棱镜4 把投射在 它上面的光束分解成单色光 出射物镜5 把光束的每种单色光会聚 到它的焦面上 结果得到入射狭缝不连续或连续的依照波长排列的 单色光谱 借助看谱线的出射狭缝6 便呵得到所需的单色光 通 过看谱目镜7 可看到光谱像 摄谱时 通过照相物镜8 的作用 在摄 谱底片9 上可摄下相应的光谱 4 小型棱镜摄谱仪是实验室中常用的光谱仪器 下面谈谈它的常苗 见故障及修理 2 2 故障1 滑动框自行下滑 傲曙 产生的原因是滑动框与燕尾拖板间隙较大 1 一聚光镜 2 一入射狭缝 3 一入射物镜 检修方法 先取下滑动框 旋松斜导条上的4 只螺钉 将斜导条 4 一偏向棱镜 5 一出射物镜 6 一出射狭缝 皇窆专餐篓固紧4 只肌使滑动框与燕尾转板紧密黼然后7 嚣篙燃篙瓣 旋紧4 只螺钉 二 一 一 一一 2 3 故障2 底片中有黑色块状现象 p e r t b a t io np 二n cip l e 产生的原因 1 摄谱仪上的皮腔有脱胶或破洞 2 滑动框上 的黑色绒布磨损或脱落 检修方法 皮腔脱胶可用万能胶重新胶合 破洞可临时用胶布粘贴 用墨汁涂黑 绒布磨损或脱落 可 用一般平绒剪成槽的大小 用万能胶粘结 2 4 故障3 狭缝宽度调在0 O l m m 时 经观察发现整个工作波长区内出现黑色横条纹 产生的原因是狭缝片刀口有灰尘或脏物 检修方法 旋松狭缝盖上的3 只螺钉 取下狭缝盖 用放大镜即可看到狭缝片刀口上的脏物 把狭缝 的宽度调节到im m 左右 将软木棒 或火柴棒 削成有锥度的薄片 蘸上清洁的汽油 轻轻的在刀口上由 上自下移动一次 检查刀口的清洁度 如仍不洁 可重复数次 最后装好狭缝盖 2 5 故障4 拍摄的谱线没有原来附的底片清晰 产生的原因 1 狭缝未安装在入射物镜的焦点上 2 恒偏向棱镜入射位置有较大的错位 3 摄 谱物镜位置改变 4 入射狭缝不垂直恒偏向棱镜 5 出射物镜与照相物镜不同心 检修方法 1 3 条原因产生的不清晰应再查对一次 亦可不按底片袋上的数据摄谱 重新对焦 根据光 谱特性 波长长的谱线景深较小 波长短的谱线景深较大 不同波长的谱线会聚于不同的焦面上 据多次实 验的经验 把磨砂玻璃向上拉上一半 放大镜半只放在磨砂玻璃上 观察磨砂玻璃的细点应较清晰 下半只在 空间调整调焦手轮 使可见谱线均基本清晰 如出现有一段不清晰 可调整燕尾转版的角度达到 然后再调 整调焦手轮 使可见谱线基本清晰 这样对焦后被摄谱线一定比较清晰 第4 条原因只要在安装入射狭缝时 稍加注意就可克服 用以上方法无法调出可见光谱线清晰的像时 说明有第5 种的可能性 先检查出射光 管座与物镜组筒的间隙是否相等 如不等 可调整出射光管座上的4 只螺钉达到同心 3 延长光学仪器使用时间的两点建议 3 1 做好光学仪器的清洁与干燥工作 防止光学镜片表面长霉生雾 引起光学镜片表面长霉的主要因素是尘埃和手指印等营养物质附在镜片上 在适当的温度 2 5 左 右 和相对湿度 8 5 左右 的条件下依附生长成霉 引起光学镜片表面生雾的主要原因是镜片表面的温 度低于室温 潮湿的空气就在镜片表面生成雾 雾会促进霉的生长 长霉生雾后镜片表面会被腐蚀 影响 透光率 清晰度 鉴别率 因此只有做好光学仪器的清洁与干燥工作 才能有效控制霉的生长和繁殖 3 2 做好机械零件的润滑工作 防止运动部件的磨损和腐蚀 光学仪器使用润滑油脂的目的在于使仪器运转部件的运动灵活舒适 保护机械零件的工作而不致磨 第4 期万应发 干涉仪和棱镜摄谱仪的常见故障及修理方法 7 9 损和腐蚀 并且还能起密封作用 使外界的微尘和潮湿气体不易流入仪器内部 润滑油必须选择粘质合 适 对金属有良好的附着性 不应含挥发物质 并有良好的化学稳定性 温度在 5 0 C 时不溶化流动 在 3 0 时不凝固起裂 4 结束语 迈克尔逊干涉仪和小型棱镜摄谱仪等物理光学仪器 目前仍然在高校光学实验教学中起重要作用 明白仪器结构和工作原理 理解仪器的故障原因 掌握修理方法 加强维护和保养是延长常规实验用物理 光学仪器使用时间的唯一途径 是保证相关实验顺利进行的有力保障 参考文献 1 林抒 龚镇雄 普通物理实验 M 北京 高等教育出版社 1 9 8 7 3 9 3 3 9 8 2 尹邦勇 黄兴鼎 李守源 大学物理学与实验物理学 第四卷 M 武汉 武汉大学出版社 1 9 9 3 2 3 1 2 3 3 3 江苏师范学院物理系 普通物理实验 M 北京 高等教育出版社