CN103558157A - 基于dsp的全数字自动化旋光光谱仪及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于DSP的全数字自动化旋光光谱仪及测试方法，按照可调制的白光LED、起偏器、旋光管、检偏器，光栅和光电传感器搭建光路，光电传感器通过光路采集信号并将转换的信号送滤波放大单元后送DSP数字信号处理器，DSP数字信号处理器内部信号发生单元发出信号驱动步进电机带动检偏器转动，转动一步的同时，DSP数字信号处理器采样并记录一个像元输出的交流信号，DSP数字信号处理器对采集的数据进行图像拟合，得到待测旋光物质的旋光光谱图，并通过数字图像显示单元输出显示。本发明在测量旋光物质单一波长的比旋度和对应该波长的谱线强度的同时，还能得到其对应某一波段的比旋度的旋光色散光谱特征曲线，自动化程度高，测量精度高，测量范围广。

Description

基于DSP的全数字自动化旋光光谱仪及测试方法

技术领域

本发明涉及一种旋光测量检测技术，特别涉及一种基于DSP的全数字自动化旋光光谱仪及测试方法。

背景技术

对于旋光光谱仪的研发在国外起步较早，但在国内研究较为滞后，且一直没有长足的进展。旋光光谱仪，顾名思义，就是测量旋光物质旋光光谱的仪器。

所谓旋光，指的是偏振光通过某些晶体或物质的溶液时，其振动面以光传播的方向为轴线发生旋转的现象。而具有旋光性的晶体或溶液则称为旋光物质。用于测量物质旋光度的仪器，被称为旋光仪。

旋光物质的旋光度α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L成正比，其公式为：α=kcL，其比例系数k称为比旋度，同一物质比旋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。有的物质随温度的升高而减小，如蔗糖等。二是与线偏振光的波长有关，波长不同，比旋度也不同。而比旋度与波长的这种关系叫做旋光色散（Optical Rotatory Dispersion）。在化学分析中用不同波长的偏振光照射活性光合物，并用波长对比旋度作图得到的曲线，即为旋光光谱（ORD）。

同时，由科顿效应（又称卡滕效应）指出：从长波长侧开始逐渐接近一种光活性化合物的某一旋光吸收带时，旋光本领起初强烈增大，然后下降改变正负。如图1所示科顿效应示意图，上图为某物质光谱，当中一张图为正的科顿效应，下图为负的科顿效应。而当ORD呈正性科顿效应时，物质是右旋的，当ORD呈负性科顿效应时，物质是左旋的。因此，ORD谱能很好地反应物质吸收峰所在的位置以及旋光物质的旋向。在这里，要指出的是，虽然光谱仪也能反映物质吸收峰的位置，但是，在光谱仪所得出的结果中，没有任何物质旋光度或比旋度以及该物质旋向的信息。此外，在化学应用中，我们还能利用物质的ORD谱分析出该物质所含分子详细的立体结构信息，对研究分子结构有重大的帮助。所以，可以肯定的是，物质的旋光光谱是很具有研究价值的。

用旋光仪对旋光光谱的研究，有用旋光与分光光度计的联用实现，分光光度计，应用的主要原理是用分光光度法，而分光光度法是通过被测定物质在特定波长处或一定波长范围内光的吸收度，对该物质进行定性定量的分析。但比起对吸光度的分析，本发明测量较为直接且对波长没有任何要求，测量范围也较大。此外，也有用在光源与起偏器之间加滤色装置进行多波长的测量，来实现对旋光色散的研究，但其操作较为繁琐，实验装置复杂，测量精度难以保证。而就现有旋光光谱仪而言，采用钠光灯作为光源，功耗较大，易老化，并且若钠灯作为旋光光谱仪的光源，由于钠灯的波长范围很窄，因此，它能应用的范围也会相应较窄。

发明内容

本发明是针对旋光光谱仪装置复杂，测量精度难以保证，应用的范围较窄的问题，提出了一种基于DSP的全数字自动化旋光光谱仪及测试方法，采用与旋光仪及光谱仪相近的结构，但非两者简单联用。其功能和用途不同于旋光仪和光谱仪，最本质的区别为三者测量的目标不同：旋光仪测量的是旋光物质对应单一波长的比旋度；光谱仪测量的是物质对应一个波段的光谱强度；而旋光光谱仪在测量旋光物质单一波长的比旋度和对应该波长的谱线强度的同时，还能得到旋光物质对应某一波段的比旋度的旋光色散光谱特征曲线，是旋光仪和光谱仪都无法实现的，并能克服现在旋光光谱仪的缺点。

本发明的技术方案为：一种基于DSP的全数字自动化旋光光谱仪，包括光路部分和电路部分，光路部分依次包括可调制的白光LED、起偏器、旋光管、检偏器、分光装置和光电传感器，电路部分包括光电传感器、滤波放大单元、DSP数字信号处理器、步进电机和数字图像显示单元，DSP数字信号处理器内包括DSP模数转换单元、DSP信号发生单元、DSP数字存储单元、DSP数据处理单元，光电传感器采集光转换为电信号经滤波放大单元滤波放大，再由DSP数字信号处理器内DSP模数转换单元将模拟信号转换为数字信号，并由DSP数字存储单元存储数据，并送DSP数据处理单元处理数据，数据结果通过数字图像显示单元输出显示， DSP信号发生单元输出驱动控制信号到步进电机转动，步进电机带动检偏器旋转。

所述光电传感器选用线阵CCD图像传感器。

所述分光装置选用分光的同时能保持各波长光的偏正态不变的光栅。

一种基于DSP的全数字自动化旋光光谱仪测试方法，包括基于DSP的全数字自动化旋光光谱仪，包括如下具体步骤：

1）搭建好光路，在未加待测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，分成不同波段的光线后，不同波长的光到达线阵CCD传感器不同的像元上，从各个像元输出的均是一个高频交流信号；

3）DSP数字信号处理器内DSP信号发生单元发出信号驱动步进电机带动检偏器转动，转动一步的同时，DSP数字信号处理器采样并记录一个像元输出的交流信号；

4）重复步骤3），步进电机每转动一步，对线阵CCD传感器上不同像元进行采样记录操作；

5）步进电机转过一圈后，DSP数字信号处理器内数据处理单元对经过模数转换的数据进行处理：对于同一像元信号，通过数字滤波得到一条曲线，并进行拟合及数据处理，计算得出旋光角与比旋度；

6）不同的像元得出不同的比旋度，再由不同像元对应的波长为横坐标，比旋度为纵坐标，最终图像拟合得到待测旋光物质的旋光光谱图，通过数字图像显示单元输出显示。

本发明的有益效果在于：本发明基于DSP的全数字自动化旋光光谱仪及测试方法，体积较小，成本低廉，自动化数字化，测量精度高，测量范围广。

附图说明

图1为科顿效应示意图；

图2为本发明基于DSP的全数字自动化旋光光谱仪实施例原理框图；

图3为本发明基于DSP的全数字自动化旋光光谱仪DSP数据采集分析及输出谱图；

图4为马吕斯定律曲线示意图；

图5为本发明DSP数据采集分析及输出谱图计算模拟的结果图。

具体实施方式

如图2所示基于DSP的全数字自动化旋光光谱仪实施例原理框图，本发明旋光光谱仪，包括光路部分和电路部分，光路部分依次包括可调制的白光LED1、起偏器2、旋光管3、检偏器4，光栅5和线阵CCD图像传感器6（电荷耦合器），这里线阵CCD图像传感器作为光电传感器，将采集光转换为电信号，在这里光栅5作为分光装置，分光的同时能保持各波长光的偏振态不变。电路部分包括线阵CCD图像传感器6、滤波放大单元7、DSP数字信号处理器8、步进电机9和数字图像显示单元10，DSP数字信号处理器8内包括DSP模数转换单元、DSP信号发生单元、DSP数字存储单元、DSP数据处理单元。接通电源后，由可调制的白光LED1发出一束可见光波段的光，经过起偏器2变为线偏光，再经旋光管3中的旋光物质后其偏振面旋转，并且，由于不同波长的光线比旋度不同，其偏振面的旋转角度也不同，这束光再经过检偏器4和光栅5,由光栅5使光发生色散，将光线分解为光谱，不同波段的光线打在线阵CCD传感器6不同位置的光敏元（简称像元）上，线阵CCD传感器6将光信号转变为电信号，经滤波放大单元7滤波放大，将原始信号整形、放大。再由DSP数字信号处理器8内DSP模数转换单元将该模拟信号转换为数字信号，并由DSP数字存储单元记录下该信号，等待DSP数据处理单元处理。线阵CCD传感器6及DSP数字信号处理器8内DSP信号发生单元的具体运转过程如图3，具体为：首先，由DSP信号发生单元发出驱动信号，使步进电机9转动，步进电机9的转动带动了检偏器4转动，步进电机9每转动一步，对于线阵CCD传感器6上每个像元而言，光信号偏振角度与检偏器4的角度也发生变化，导致经过检偏器4的光信号的幅值大小发生变化，根据马吕斯定律：I=I₀Cos²α，公式中α是检偏器的偏振方向与入射光方向之间的夹角，也就是起偏器和检偏器的夹角，产生的曲线理论上应为一条如图4所示马吕斯定律曲线示意图。不同的像元，由于所对应的波长不同，所产生的旋光角不同，因此，检测出的信号不同，但都为马吕斯曲线。与此同时，DSP数字信号处理器8对线阵CCD传感器6输出信号幅值的采集，其采集方式如图3：当步进电机转动第一步时，记录线阵CCD传感器6上像元1的输出幅值记为V11，像元2上的输出幅值记为V21……以此类推，像元n上的输出幅值记为Vn1，保证步进电机9每转动一步时，对n个像元都采集，这样才能做数据的实时采集与保存。当步进电机9转动第二步时，记录像元1的输出幅值为V12，像元2上的输出幅值记为V22……像元n上的输出幅值为Vn2，步进电机9每转动一步记录方法也以此类推，当步进电机9转动第m步时（假定步进电机转动m步时，步进电机转动一圈），记录像元1的输出幅值为V1m，像元2上的输出幅值记为V2m……像元n上的输出幅值为Vnm，此时数据记录如下表所示：(步数即对应检偏棱镜对应角度；像元即对应光波长)

第1步

第2步

第3步

第4步

第5步

……

第m步

像元1

V11

V12

V13

V14

V15

……

V1m

像元2

V21

V22

V23

V24

V25

……

V2m

像元3

V31

V32

V33

V34

V35

……

V3m

像元4

V41

V42

V43

V44

V45

……

V4m

像元5

V51

V52

V53

V54

V55

……

V5m

……

……

……

……

……

……

……

……

像元n

Vn1

Vn2

Vn3

Vn4

Vn5

……

Vnm

采样、记录完成之后，对同一像元的数据进行分析（即图示数据中下标第一个元素相同的的值进行分析）首先进行FFT（快速傅里叶分解），然后再数字滤波，最后得到一条关于幅值和步进电机9转动角度的曲线，根据马吕斯定律I=I ₀ Cos ² α，该曲线理论上应为一条如图4所示马吕斯定律曲线示意图。再运用DSP数字信号处理器8进行数据处理，将实际得到的曲线与已知理论曲线进行对比，对实际曲线进行拟合，并计算出拟合曲线上的最初时刻到最近零点之间的角度（θ），该角度便是物质在该像元上测得的旋光角，最后由DSP数字信号处理器8由公式计算导出比旋度。由于不同光波长对应的是不同像元，因此，就可以得到不同波长对应的比旋度。再通过DSP数字信号处理器8直线拟合，以波长为横坐标，对应像元所测得的比旋度为纵坐标，即可得待检测旋光物质的旋光光谱。最后通过数字图像显示单元10输出结果如图5所示。

本发明实施所述测量旋光物质旋光光谱的测量方法，其步骤如下: 1）在未加待测物质时调整起偏器2和检偏器4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，分成不同波段的光线后，不同波长的光到达线阵CCD传感器6不同的像元上，从各个像元输出的均是一个高频交流信号；3）DSP数字信号处理器8内DSP信号发生单元发出信号驱动步进电机9带动检偏器4转动，转动一步的同时，DSP采样并记录一个像元输出的交流信号；4）步进电机9每转动一步，对线阵CCD传感器6上不同像元进行采样记录操作；5）步进电机9转过一圈后，DSP数字信号处理器8内数据处理单元对经过模数转换的数据进行处理：对于同一像元信号，通过数字滤波得到一条曲线，并进行拟合，计算得出旋光角与比旋度。6）不同的像元得出不同的比旋度，再由不同像元对应的波长为横坐标，比旋度为纵坐标，最终图像拟合得到待测旋光物质的旋光光谱图。

Claims (4)

1.一种基于DSP的全数字自动化旋光光谱仪，其特征在于，包括光路部分和电路部分，光路部分依次包括可调制的白光LED、起偏器、旋光管、检偏器、分光装置和光电传感器，电路部分包括光电传感器、滤波放大单元、DSP数字信号处理器、步进电机和数字图像显示单元，DSP数字信号处理器内包括DSP模数转换单元、DSP信号发生单元、DSP数字存储单元、DSP数据处理单元，光电传感器采集光转换为电信号经滤波放大单元滤波放大，再由DSP数字信号处理器内DSP模数转换单元将模拟信号转换为数字信号，并由DSP数字存储单元存储数据，并送DSP数据处理单元处理数据，数据结果通过数字图像显示单元输出显示， DSP信号发生单元输出驱动控制信号到步进电机转动，步进电机带动检偏器旋转。

2.根据权利要求1所述基于DSP的全数字自动化旋光光谱仪，其特征在于，所述光电传感器选用线阵CCD图像传感器。

3.根据权利要求1所述基于DSP的全数字自动化旋光光谱仪，其特征在于，所述分光装置选用分光的同时能保持各波长光的偏振态不变的光栅。

4.一种基于DSP的全数字自动化旋光光谱仪测试方法，包括基于DSP的全数字自动化旋光光谱仪，其特征在于，包括如下具体步骤：

1）搭建好光路，在未加待测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，分成不同波段的光线后，不同波长的光到达线阵CCD传感器不同的像元上，从各个像元输出的均是一个高频交流信号；

3）DSP数字信号处理器内DSP信号发生单元发出信号驱动步进电机带动检偏器转动，转动一步的同时，DSP数字信号处理器采样并记录一个像元输出的交流信号；

4）重复步骤3），步进电机每转动一步，对线阵CCD传感器上不同像元进行采样记录操作；

5）步进电机转过一圈后，DSP数字信号处理器内数据处理单元对经过模数转换的数据进行处理：对于同一像元信号，通过数字滤波得到一条曲线，并进行拟合及数据处理，计算得出旋光角与比旋度；

6）不同的像元得出不同的比旋度，再由不同像元对应的波长为横坐标，比旋度为纵坐标，最终图像拟合得到待测旋光物质的旋光光谱图，通过数字图像显示单元输出显示。

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