CN102109461A

CN102109461A - 用步进电机实现快速测量的旋光仪及测量方法

Info

Publication number: CN102109461A
Application number: CN2010105662255A
Authority: CN
Inventors: 钟建国
Original assignee: SHANGHAI INSMARK INSTRUMENT TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: SHANGHAI INSMARK INSTRUMENT TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2010-11-30
Filing date: 2010-11-30
Publication date: 2011-06-29
Anticipated expiration: 2030-11-30
Also published as: CN102109461B

Abstract

本发明将起偏器(或检偏器)装在步进电机上，当测试样品的旋光角比较大时，先转动步进电机；由计算机判别步进电机转到了零位附近，停止转动，余下的小角度，由下述的其他机构测量。样品的总的旋光角是上述的两个角度相加。由计算机控制步进电机转到零位附近，剩余的小角度可以由下述方法进行测量：用常用的伺服系统带动涡轮-蜗杆机构进行测量；由伺服系统带动正弦机构进行测量；根据马吕斯定律，探测在零位附近的光强，来进行测量。

Description

用步进电机实现快速测量的旋光仪及测量方法

技术领域

本发明涉及一种检测技术，特别涉及一种使用步进电机进行快速测量的旋光仪，以及该设备的测量方法。

背景技术

从全球范围来看，分析仪器行业面对的挑战是：分析对象越来越复杂，分析工作越来越困难。挑战来自于客户要求灵敏度越来越高、样品量越来越少、分析速度越来越快，以及能够提供更加完善的服务，更加明确、准确的答案。

旋光仪作为制药，制糖和食品等行业必不可少的专用测量仪器，对测量的速度和准确度也有更高的要求。本专利就是采用新的方法，大大提高了目前市场上旋光仪的测量速度和准确性。

现有的自动旋光仪结构如图1所示，工作原理如图2所示，普通旋光仪包含以下部件：光源、小孔光栅、物镜、滤色片、偏振镜(I)、磁旋线圈、样品管、偏振镜(II)、光电倍增管、前置放大器、选频放大器、自动高压、功率放大器、伺服电机、蜗轮蜗杆、计数器等部件。自动旋光仪的工作原理图如下：光源的光经过偏振镜(I)，变成线偏振光。如果在偏振镜(II)前没有其他元器件，则光线通过偏振镜(II)后，光的强度遵循马吕斯定律：

I＝cos²θ

光强曲线如图2中的A曲线。当两片偏振镜夹角为90°(正交)时，光强为零。在两片偏振镜之间放入具有磁光效应的材料并加上通有频率为ω交流电的磁旋线圈后，在两片偏振镜正交时光电倍增管将会得到2ω的交流信号。如图2中，C点的频率为ω，而C’的信号为2ω。如果放入样品，就相当于两偏振镜的夹角变到了B点，光电倍增管得到了B’的频率为ω的信号。此信号经过放大，由伺服电机驱动蜗轮蜗杆，带动偏振镜(I)，补偿样品的转角，并将转角计数，从而测出样品的旋光。如果样品的旋光相反，在D点，光电倍增管就会得到D’的信号。B’和D’的信号相位是相反的。其中曲线A光强度随旋光度α的大小而改变。曲线点C：法拉第效应使光强随时间t而变化(β角摆动)，有了C’点的随时间t而变化2ω的信号；曲线点B、C，由于马吕斯定律和法拉第效应，有了B’和D’点的信号。它们不但有直流信号，也有光电流i随时间t而变化的信号。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，克服现有技术中旋光仪测量速度慢的缺陷，提供两种用步进电机实现快速测量的旋光仪，本发明还提供了旋光仪快速测量的方法。

为了解决上述问题本发明的技术方案是这样的：

一种用步进电机实现快速测量的旋光仪，包括光路部件和电路执行部件，所述光路部件包括依次连接的光源、小孔光栅、物镜、滤色片、第一偏振镜、磁旋线圈、样品管、第二偏振镜、光电倍增管；所述电路执行部件包括：与光电倍增管连接的自动高压模块，光电倍增管顺次连接有前置放大器、选频放大器、功率放大器、伺服电机、用于带动第一偏振镜动作的机械机构、计数器；其特征在于，第二偏振镜连接步进电机，光电倍增管信号经过放大后，由单片机控制步进电机带动第二偏振镜转动。

用于带动第一偏振镜动作的机械机构为涡轮蜗杆机构。

用于带动第一偏振镜动作的机械机构为正弦机构。

采用上述一种用步进电机实现快速测量的旋光仪的测量方法为，根据光电倍增管得到的信号的相位，快速驱动步进电机，带动第二偏振镜，一直到光电倍增管得到信号的相位发生变化，此时步进电机停止转动；再由伺服电机带动第一偏振镜，同时进行计数；样品的旋光由下式算出：

旋光度α＝步进电机的步距角×步进电机的步数-计数器的计数，

其中计数器计数的角度≤步进电机的步距角。

或者另一种的测量方法为，根据光电倍增管得到的信号的相位，快速驱动步进电机，带动第二偏振镜，一直到光电倍增管得到信号的相位发生变化，此时步进电机停止转动后再倒退一步；再由伺服电机带动第一偏振镜，同时进行计数，样品的旋光由下式算出：

旋光度α＝步进电机的步距角×步进电机的步数+计数器的计数，

其中计数器计数的角度≤步进电机的步距角。

另一种用步进电机实现快速测量的旋光仪，包括光路部件和电路执行部件，所述光路部件包括依次连接的光源、小孔光栅、物镜、滤色片、第一偏振镜、样品管、第二偏振镜、光电倍增管；所述电路执行部件包括：与光电倍增管连接的固定高压模块，光电倍增管顺次连接有前置放大器、A/D转换模块；其特征在于，所述光电倍增管还连接一用于带动第二偏振镜动作的步进电机。

采用上述一种用步进电机实现快速测量的旋光仪的测量方法为，根据光电倍增管得到的信号的相位，快速驱动步进电机，带动第二偏振镜，同时进行A/D转换，并记录转换结果，在接近正交位置的B点时，测得的信号为I(B)，步进电机再转一步，在正交位置的D点测得的信号为I(D)，由马吕斯定律可以得出以下公式得出：

I(B)＝cos²θ₁

I(D)＝cos²(θ-θ₁)

其中θ为步进电机的步距角；

由于I(B)、I(D)和θ已知，可以算出θ₁。

样品的旋光由下式算出：

旋光度α＝步进电机的步距角×步进电机的步数+θ₁。

有益效果，由于大角度由步进电机转动来进行测量，所以大大减少了测量时间。对于90度的测量范围，只需3-5秒，而常规方法要30-50秒。同时大大减少了机械转动的噪声。由于步进电机每一步步距角经过高精度角度编码器校正，所以能确保仪器的精度。

附图说明

图1现有技术中旋光仪结构示意图。

图2为现有技术中旋光仪的工作原理图。

图3为本发明实施例1的旋光仪结构示意图。

图4为本发明实施例2的旋光仪结构示意图。

图5为本发明实施例3的旋光仪结构示意图。

图6为本发明实施例3的旋光仪工作原理图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

本申请在于将起偏器(或检偏器)装在步进电机上。当测试样品的旋光角比较大时，先转动步进电机。由计算机判别步进电机转到了零位附近，停止转动。余下的小角度，由下述的其他机构测量。样品的总的旋光角是上述的两个角度相加(或相减)。

由计算机控制步进电机转到零位附近，剩余的小角度可以由下述方法进行测量：

用常用的伺服系统带动涡轮-蜗杆机构进行测量。

由伺服系统带动正弦机构进行测量

根据马吕斯定律，探测在零位附近的光强，来进行测量。

由于步进电机的每一步都存在误差，所以要用高精度的角度编码器对步进电机的每一步进行校正，把精确值存在计算机中。并且要用位置探测器固定步进电机的起始位置。

由于步进电机的正反向转动，位置的定位也存在误差，所以每次转动都是单方向转动后才停下。

在步进电机的起始位置，调整检偏器位置，使光强信号最小，从而确定涡轮-蜗杆、正弦机构、光强信号零位。

计算机根据信号，控制步进电机转动。当转动到光信号零位附近(一般不到步进电机一个步距角)，步进电机停止转动。由上述其他机构完成其他小角度的转动。

参看图3，实施例1：

一种用步进电机实现快速测量的旋光仪，包括光路部件和电路执行部件，所述光路部件包括依次连接的光源1、小孔光栅2、物镜3、滤色片4、第一偏振镜5、磁旋线圈6、样品管7、第二偏振镜8、光电倍增管9；所述电路执行部件包括：与光电倍增管连接的自动高压模块10，光电倍增管9顺次连接有前置放大器11、选频放大器12、功率放大器13、伺服电机14、用于带动第一偏振镜动作的涡轮蜗杆机构15、计数器16；所述光电倍增管9还连接一用于带动第二偏振镜8动作的步进电机17。

上述旋光仪的测量方法为，根据光电倍增管9得到的信号的相位，快速驱动步进电机17，带动第二偏振镜8，一直到光电倍增管9得到信号的相位发生变化，此时步进电机停止转动；再由伺服电机带动第一偏振镜5，同时进行计数；样品的旋光由下式算出：

其中计数器计数的角度≤步进电机的步距角。

或者另一种的测量方法为，根据光电倍增管9得到的信号的相位，快速驱动步进电机17，带动第二偏振镜8，一直到光电倍增管9得到信号的相位发生变化，此时步进电机17停止转动后再倒退一步；再由伺服电机带动第一偏振镜5，同时进行计数，样品的旋光由下式算出：

其中计数器计数的角度≤步进电机的步距角。

参看图4，实施例2：

一种用步进电机实现快速测量的旋光仪，包括光路部件和电路执行部件，所述光路部件包括依次连接的光源1、小孔光栅2、物镜3、滤色片4、第一偏振镜5、磁旋线圈6、样品管7、第二偏振镜8、光电倍增管9；所述电路执行部件包括：与光电倍增管连接的自动高压模块10，光电倍增管9顺次连接有前置放大器11、选频放大器12、功率放大器13、伺服电机14、用于带动第一偏振镜动作的正弦机构15’、计数器16；所述光电倍增管9还连接一用于带动第二偏振镜8动作的步进电机17。

该实施例中主要用正弦机构15’代替实施例1中涡轮蜗杆机构15。其余同实施例1。测量方法也同实施例1。

参看图5和图6，实施例3：

另一种用步进电机实现快速测量的旋光仪，包括光路部件和电路执行部件，所述光路部件包括依次连接的光源1、小孔光栅2、物镜3、滤色片4、第一偏振镜5、样品管7、第二偏振镜8、光电倍增管9；所述电路执行部件包括：与光电倍增管9连接的固定高压模块10’，光电倍增管9顺次连接有前置放大器11、A/D转换模块18；其特征在于，所述光电倍增管9还连接一用于带动第二偏振镜8动作的步进电机17。

上述一种用步进电机实现快速测量的旋光仪的测量方法为，根据光电倍增管9得到的信号的相位，快速驱动步进电机17，带动第二偏振镜8，同时进行A/D转换，并记录转换结果，在接近正交位置B点时，测得的信号为I(B)，步进电机再转一步，在D点测得的信号为I(D)，B点和D点位分布在平衡点两侧的最靠近的步进电机的停止点。由马吕斯定律可以得出以下公式得出：

I(B)＝cos²θ₁

I(D)＝cos²(θ-θ₁)

其中θ为步进电机的步距角；

由于I(B)、I(D)和θ已知，可以算出θ₁。

样品的旋光由下式算出：

旋光度α＝步进电机的步距角×步进电机的步数+θ₁。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的基本原理：将大角度的测量由快速机构执行(本专利是步进电机)；小角度的测量由其他较慢速的机构执行(本专利是蜗轮蜗杆和正弦机构)。在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，如小角度的测量还可以由CCD来进行等等。(本专利还认为只有在小角度范围内应用马吕斯定律，才能保持仪器的足够精度)。这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims

1.一种用步进电机实现快速测量的旋光仪，包括光路部件和电路执行部件，所述光路部件包括依次连接的光源、小孔光栅、物镜、滤色片、第一偏振镜、磁旋线圈、样品管、第二偏振镜、光电倍增管；所述电路执行部件包括：与光电倍增管连接的自动高压模块，光电倍增管顺次连接有前置放大器、选频放大器、功率放大器、伺服电机、用于带动第一偏振镜动作的机械机构、计数器；其特征在于，所述光电倍增管还连接一用于带动第二偏振镜动作的步进电机。

2.根据权利要求1所述的一种用步进电机实现快速测量的旋光仪，其特征在于，用于带动第一偏振镜动作的机械机构为涡轮蜗杆机构。

3.根据权利要求1所述的一种用步进电机实现快速测量的旋光仪，其特征在于，用于带动第一偏振镜动作的机械机构为正弦机构。

4.如权利要求1所述的旋光仪的测量方法为，根据光电倍增管得到的信号的相位，快速驱动步进电机，带动第二偏振镜，一直到光电倍增管得到信号的相位发生变化，此时步进电机停止转动；再由伺服电机带动第一偏振镜，同时进行计数；样品的旋光由下式算出：

其中计数器计数的角度≤步进电机的步距角。

5.如权利要求1所述的旋光仪的另一种测量方法为，根据光电倍增管得到的信号的相位，快速驱动步进电机，带动第二偏振镜，一直到光电倍增管得到信号的相位发生变化，此时步进电机停止转动后再倒退一步；再由伺服电机带动第一偏振镜，同时进行计数，样品的旋光由下式算出：

其中计数器计数的角度≤步进电机的步距角。

6.一种用步进电机实现快速测量的旋光仪，包括光路部件和电路执行部件，所述光路部件包括依次连接的光源、小孔光栅、物镜、滤色片、第一偏振镜、样品管、第二偏振镜、光电倍增管；所述电路执行部件包括：与光电倍增管连接的固定高压模块，光电倍增管顺次连接有前置放大器、A/D转换模块；其特征在于，所述光电倍增管信号经放大后，经过单片机驱动步进电机带动第二偏振镜动作。

7.如权利要求6所述的旋光仪的测量方法为，根据光电倍增管得到的信号的相位，快速驱动步进电机，带动第二偏振镜，同时进行A/D转换，并记录转换结果，在B点时，测得的信号为I(B)，在D点测得的信号为I(D)，由马吕斯定律得出以下公式：

I(B)＝cos²θ₁

I(D)＝cos²(θ-θ₁)

其中θ为步进电机的步距角；

由于I(B)、I(D)和θ已知，可以算出θ₁。

样品的旋光由下式算出：

旋光度α＝步进电机的步距角×步进电机的步数+θ₁。