CN101241070B - 测量旋光质旋转角的旋光仪及其测量方法 - Google Patents

Abstract

一种测量旋光质旋转角的旋光仪，涉及检测技术领域；所要解决的是旋光仪的降低成本、减少体积、测量速度快的技术问题；该旋光仪包括光路部分和电路部分，光路部分依次包括光源、起偏器、法拉第磁光调制线圈、用来装待测物质的试管、检偏器和光电倍增管；电路部分包括依次连接的光电倍增器、前置放大单元、选频放大单元、模数转换单元、单片机单元、数字显示单元；还包括分别连接法拉第磁光调制线圈和单片机单元的信号发生单元；单片机单元用于计算模数转换单元输出的信号与信号发生单元的信号之间的相位差，并根据这个相位差得到旋转角，此角度通过数字显示单元显示出来。本发明具有体积小、灵敏度高、成本较低、提高测量准确度的特点。

Description

测量旋光质旋转角的旋光仪及其测量方法

技术领域

本发明涉及检测技术，特别是涉及一种测量旋光质旋转角的旋光仪及其测量方法的技术。

背景技术

旋光分析法(简称旋光法)是利用线偏振光，通过含有化学活性物质的溶液或液体时引起旋光现象，使通过的偏振光平面向左或向右旋转。因此，在一定的条件下，检测线偏振光旋转的方向和度数，可以分析某些化合物的旋光性，或检测化合物的杂质、纯度和含量。用于测量旋光度的仪器，被称为旋光仪。旋光法多用于糖类的含量测定，近年来，制药、食品加工、化工和生化分析等领域也都涉及到这一方法。

物质的旋光度的大小与下列因素有关：一是与物质的温度有关。有的物质随温度的升高而增加，如石英等。有的物质随温度的而减小，如蔗糖等。二是与线偏振光的波长有关，波长不同，旋光度也不同。

旋光质的旋光度a(线偏振光经物质后传播路径转过的角度)与旋光物质溶液体积百分比浓度c及偏振光所通过的溶液厚度1成正比，

a＝kcl                    (1)

其中c为g/100ml，l为mm。

图1为以往旋光仪的结构与原理图。

由钠灯1，聚光镜2和场镜3构成光源部分，发出波长589.44nm的近似平行光。起偏器4仅让光源中的某一特定线偏振光透过。这束线偏振光通过调制器(法拉第线圈)5，再透过准直镜6到达试管7的内部。检偏器8与起偏器一样，仅通过某一特定振动平面的线偏振光。从检偏器8出来的线偏振光透过物镜9、滤色片10和光栏11到达光电倍增管12。光电倍增管12将光信号变电信号，这个电信号被前置放大14放大，经过选频滤波15后再由功率放大16进行功率放大，然后推动伺服电机19来带动机械传动20，调整检偏器8使之与起偏器4正交。当检偏器8与起偏器4正交时，机械传动20将转过的角度送给模数转换21，并由模数转换21将模拟量换成数字信号通过数字显示22显示出来。测速反馈18测得伺服电机19的转动速度，通过非线性控制17调控伺服电机的转速。自动高压13是按照入射到光电倍增管的光强自动改变光电倍增管的电压，以适应测量透过深色样品的需要。

下面说明以往旋光仪的测量调制原理。

图2中，横轴是起偏器4的透射轴与检偏器8的透射轴的相对角度，纵轴是到达光电倍增管12的光的强度。当被测试物质具有旋光性时，由马吕斯定理可得光强I与旋转角θ之间的关系，关系式如下：

I＝I₀×cos²θ               (2)

式中的I。表示透射过被测试物质的光的强度。

图3中采用法拉第磁光调制器，使光在媒体中传播时，在其传播方向上叠加上磁场，则出现光的偏振方向将随着法拉第线圈转动而旋转的现象。

光法拉第效应可以用下式表示

a＝V*H*L                    (3)

式中，a为光振动面的旋转角度，V为媒体(例如棒状的铅玻璃及铅玻璃周围形成的螺旋线圈)的费尔常数，H为磁场强度，L为传播距离，这里，V因媒体、光的波长及温度而异。

当光在其中传播时，由于线圈内的磁场，使得光的振动的平面产生旋转。通过控制流过调制线圈的电压，能够自由改变光振动面的旋转角度。在图3中，A表示到达光电倍增管的光强，B、C、D分别表示由法拉第调制线圈引起的附加转动的交变光强.那么I就可以表示为下式：

I＝I₀×cos²[θ+βsin(ωt)]    (4)

式中，t表示时间，β表示透过法拉第调制线圈的振动面的振幅，ω是其角频率。当起偏器4与检偏器8正交的时候θ为0，则I可以表示为：

I＝I₀×cos²[βsin(ωt)]       (5)

不正交时θ可用下式表示

$\mathrm{\θ}=\frac{\mathrm{\π}}{2}+\mathrm{\δ}...\left(6\right)$

若将式(5)代入(4)，则可以导出下式来

I＝I₀×sin²[δ+βsin(wt)]     (7)

若设被测物质产生的旋光角及调制振幅较小，即|θ|≤1及|β|≤1，则(6)可以近似表示为：

I＝I₀×[δ+βsin(wt)]²

＝δ²+2δβsin(ωt)+[sin(ωt)]²    (8)

由上式可以看出，在光电倍增管的输入端含有直流分量、ω角频率和2×ω角频率的分量。所以设定选频放大器的频率为

则取出的分量为：

S＝2δβsin(ωt)                   (9)

这个分量如上面介绍就驱动后续电路的信号。此信号驱动伺服电机的转动来带动机械传动调整检偏器使之与起偏器正交，当检偏器与起偏器正交的时候，S分量消失，电机停止转动，数字显示器显示出起偏器转过的角度。

就上述技术而言，这个旋转角的测量方法是通过机电相结合的方式来实现的，过程复杂，灵敏不够高。而且电机的成本较高，市面上有用步进电机来提高精确度但成本更高。为此本发明提出了一种新的测量方法的旋光仪，目的是省去了机械部分，直接对光电倍增管出来的电信号处理，减少误差，提高灵敏度，同时大大降低成本。

发明内容

针对上述现有技术中存在的缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种体积小、灵敏度高、成本较低、能提高测量准确度的，并与传统的机电部分所完成的功能完全相同的测量旋光质旋转角的旋光仪及其测量方法。

为了解决上述技术问题，本发明所提供的一种测量旋光质旋转角的旋光仪，包括光路部分和电路部分，光路部分依次包括光源、起偏器、法拉第磁光调制线圈、用来装待测物质的试管、检偏器和光电倍增管；光源发出的光通过起偏器变为线偏振光，线偏振光经过试管内的旋光质旋转，这束光再穿过检偏器，进入光电倍增管，光电倍增管将光信号转换成电信号，并输入前置放大单元；其特征在于，电路部分包括依次连接的光电倍增器、前置放大单元、选频放大单元、模数转换单元、单片机单元、数字显示单元；还包括分别连接法拉第磁光调制线圈和单片机单元的信号发生单元；光电倍增管用于将光信号转换为电信号；前置放大单元用于放大从光电倍增管发来的电信号，放大此信号以驱动选频单元放大，选频放大单元用于选择与驱动法拉第磁光调制线圈工作的信号相同的频率而滤除其他频率的信号；模数转换单元用于将选频放大单元出来的模拟信号转换为数字信号；单片机单元用于计算模数转换单元输出的信号与信号发生单元的信号之间的相位差，并根据这个相位差得到旋转角，此角度通过数字显示单元显示出来；信号发生单元为法拉第线圈和单片机提供信号，选频放大单元经自动高压单元连接并调整光电倍增管的放大倍数，自动高压单元用于按照入射到光电倍增管的光强自动改变光电倍增管的电压，以便适应不同浓度和颜色的物质。

本发明实施例所述测量旋光质旋转角的旋光仪的测量方法，其步骤如下：1)在未加物质时调整起偏器和检偏器正交并固定；2)在试管加入旋光物质后，光通过所述光路部分到达光电倍增管，从光电倍增管输出的是一个交流信号；3)该交流信号经前置放大单元的放大、选频放大单元的选频、模数转换单元的模数转换后输入单片机单元，所述单片机单元将所述信号的相位与信号发生单元的信号的相位进行比对经计算得出旋转角，即由二信号的相位差得到旋光物质的旋转角。

利用本发明提供的测量旋光质旋转角的旋光仪及其测量方法，由于采用电信号处理的方式来测量旋光质的旋转角，从而省去了传统旋光仪中的机电部分，特别是步进电机、机械传动等机械部件，减少误差，特别是免除了电机与机械传动连接以及机械传动部分转过的角度和模数转换部分之间转换的误差，提高灵敏度，同时大大降低成本，减少仪器体积，便于调节，易于操作维修，测量速度快。

附图说明

图1是现有技术中旋光仪的机构与原理图；

图2是马吕斯定律曲线示意图；

图3是现有技术中法拉第线圈工作原理的曲线示意图；

图4是本发明实施实例的测量旋光质旋转角的旋光仪的原理框图。

具体实施方式

以下结合附图说明对本发明的实施例作进一步详细描述，但本实施例并不用于限制本发明，凡是采用本发明的相似结构及其相似变化，均应列入本发明的保护范围。

如图4所示，本发明实施例所提供的一种测量旋光质旋转角的旋光仪，包括光路部分和电路部分，光路部分依次包括光源、起偏器、法拉第磁光调制线圈、用来装待测物质的试管、检偏器和光电倍增管；光源发出的光通过起偏器变为线偏振光，线偏振光经过试管内的旋光质旋转，这束光再穿过检偏器，进入光电倍增管，光电倍增管将光信号转换成电信号，并输入前置放大单元；其特征在于，电路部分包括依次连接的光电倍增器、前置放大单元、选频放大单元、模数转换单元、信号发生单元、单片机单元、数字显示单元；信号发生单元分别连接法拉第调制线圈和单片机单元；光电倍增管用于将光信号转换为电信号，这个电信号就是后续电路单元处理的对象；前置放大单元用于放大从光电倍增管发来的电信号，放大此信号以驱动选频单元放大，选频放大单元用于选择与驱动法拉第磁光调制线圈工作的信号相同的频率而滤除其他频率的信号；在本发明中，模数转换单元用于将选频放大单元出来的模拟信号转换为数字信号；单片机单元用于计算模数转换单元输出的信号与信号发生单元的信号之间的相位差，并根据这个相位差得到旋转角，此角度通过数字显示单元显示出来；信号发生单元为法拉第线圈和单片机提供信号，选频放大单元经自动高压单元连接并调整光电倍增管的放大倍数，自动高压单元用于按照入射到光电倍增管的光强自动改变光电倍增管的电压，以便适应不同浓度和颜色的物质，如适应测量透过深色样品的需要。

本发明实施例所述测量旋光质旋转角的旋光仪的测量方法，其步骤如下：1)在未加物质时调整起偏器和检偏器正交并固定；2)在试管加入旋光物质后，光通过所述光路部分到达光电倍增管，从光电倍增管出来的是一个交流信号；3)该交流信号的频率与法拉第线圈的转动频率相同，但是对比这个两个周期信号发现，它们的之间存在一定的相位差，这个相位差是由旋光物质的旋转角引起的，因此检测这个相位差就可以得到旋光物质的旋转角，所述单片机单元是把从模数转换单元输出信号的相位与信号发生单元的信号的相位比较，将信号发生器单元信号的半个周期时间减去模数转换单元信号的两次到达光学零点的时间，这个差值有正负值之分，利用正负值可以判断左旋还是右旋，对相位差值计算并得出旋转角，即由二信号的相位差得到旋转角；这样就用电路部分完成了传统旋光仪中的机电部分的功能。

Claims (2)

1.一种测量旋光质旋转角的旋光仪，包括光路部分和电路部分，光路部分依次包括光源、起偏器、法拉第磁光调制线圈、用来装待测旋光质的试管、检偏器和光电倍增管；光源发出的光通过起偏器变为线偏振光，线偏振光经过试管内的旋光质旋转，这束光再穿过检偏器，进入光电倍增管，光电倍增管将光信号转换成电信号，并输入前置放大单元；其特征在于，电路部分包括依次连接的光电倍增管、前置放大单元、选频放大单元、模数转换单元、单片机单元、数字显示单元；还包括分别连接法拉第磁光调制线圈和单片机单元的信号发生单元；前置放大单元用于放大从光电倍增管发来的电信号，放大此电信号以驱动选频放大单元，选频放大单元用于选择与驱动法拉第磁光调制线圈工作的信号相同的频率而滤除其他频率的信号；模数转换单元用于将选频放大单元出来的模拟信号转换为数字信号；单片机单元用于计算模数转换单元输出的信号与信号发生单元的信号之间的相位差，并根据这个相位差得到旋转角，此角度通过数字显示单元显示出来；信号发生单元为法拉第磁光调制线圈和单片机单元提供信号，选频放大单元经自动高压单元连接并调整光电倍增管的放大倍数，自动高压单元用于按照入射到光电倍增管的光强自动改变光电倍增管的电压，以便适应不同浓度和颜色的物质。

2.一种权利要求1所述的测量旋光质旋转角的旋光仪的测量方法，其特征在于，测量方法的步骤如下：1)在未加物质时调整起偏器和检偏器正交并固定；2)在试管加入旋光质后，光通过所述光路部分到达光电倍增管，从光电倍增管输出的是一个交流信号；3)该交流信号经前置放大单元的放大、选频放大单元的选频、模数转换单元的模数转换后输入单片机单元，所述单片机单元将输入单片机单元的信号的相位与信号发生单元的信号的相位进行比对经计算得出旋转角，即由二信号的相位差得到旋光质的旋转角。

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