CN103884658A - 一种基于质心算法的led调频多波长旋光仪及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于质心算法的LED调频多波长旋光仪及测量方法，采用微处理器产生信号对光信号进行调制，可以得到频率很高的调制信号，微处理器产生信号驱动步进电机带动检偏器旋转一周，再由微处理器对所记录下来的信号进行数据处理，得到一条关于光强与步进电机转动角度的曲线，然后利用质心算法，从曲线上计算出物质的旋光度。相比传统技术，可消除电机回程误差等影响，精确的找出光学零点，大大提高旋光仪的精度；应用LED光源和滤光片的搭配，可以实现多个波长的旋光角度的测量，具有体积小，成本低，功耗低等特点；使用质心算法，实现全自动数字化，大大提高测量精度。

Description

一种基于质心算法的LED调频多波长旋光仪及测量方法

技术领域

本发明涉及一种检测技术，特别涉及一种基于质心算法的LED调频多波长旋光仪及测量方法。

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， 1为mm。

传统的旋光仪的结构原理示意图如图1所示，采用钠光灯为光源1，由小孔光栅2、物镜3、滤光片4组成一个简单的点光源平行光管如图1所示，平行光经偏振镜（Ⅰ）5变为平面偏振光，其振动平面为00如图2（a），当偏振光经过有法拉弟效应的磁旋线圈6时，其振动平面产生50Hz的β角往复摆动如图2（b），光线经过偏振镜（Ⅱ）8投射到光电转换器9上，产生交变的电信号，通过装有样品的样品管7后的偏振光振动面旋转α1度如图2（c），仪器示数平衡后偏振镜反向转过α1度补偿了样品的旋光度，如图2（d），光电转换器9接收的信号通过前置放大器10、自动高压电路11后再通过选频放大器12、功率放大器13输出，驱动伺服电机14。

图3为现有技术中法拉第线圈工作原理的曲线示意图，如图3所示，仪器以两偏振镜5、8光轴正交时（即OO⊥PP）作为光学零点，此时α=0o，磁旋圈6产生的β角摆动，在光学零点时得到100Hz的光电信号（曲线Cˊ），在有α1o或α2o的试样时得到50Hz的信号，但它们的相位正好相反（曲线Bˊ、Dˊ）。因此，能使工作频率为50Hz的伺服电机转动。伺服电机14通过蜗轮蜗杆15将偏振镜5转过αo（α=α1或α=α2），仪器回到光学零点，伺服电机14在100Hz信号的控制下，重新出现平衡指示。

就上述技术而言，这个测旋转角的方法采用法拉第线圈调制光信号，其电压高，功耗大，体积大，其调制频率为50HZ，频率低，易受干扰，严重影响测量精度。另外该方法中采用钠光灯作为光源，功耗较大，易老化。

发明内容

本发明是针对传统的旋光仪功耗大、测量精度易受到干扰的问题，提出了一种基于质心算法的LED调频多波长旋光仪及测量方法，与传统旋光仪所完成相同的功能，但为全自动数字化控制，进一步减小误差，提高了精度。

本发明的技术方案为：一种基于质心算法的LED调频多波长旋光仪，包括光路部分和电路部分，光路部分依次包括可调频LED光源、滤光片、起偏器、旋光试管、检偏器和光电转换器；电路部分包括依次连接的光电转换器、前置放大单元、选频放大单元、包络检波电路，放大电路、限幅钳位电路、微处理器数据信号处理单元和步进电机、数字显示单元；微处理器数据信号处理单元包括微处理器模数转换单元、微处理器信号发生单元、微处理器数字存储单元、微处理器数据处理单元；微处理器数据信号处理单元中的微处理器信号发生单元产生的高频信号加载到可调频LED上，同时发出信号驱动步进电机，步进电机带动检偏器转动；限幅钳位电路输出信号接微处理器数据信号处理单元中的微处理器模数转换单元，微处理器模数转换单元将模拟信号转换为数字信号后，输出到微处理器数字存储单元储存信号，微处理器数据处理单元对微处理器数字存储单元储存的信号进行处理后输出到数字显示单元显示数据。

一种基于质心算法的LED调频多波长旋光仪测量方法，包括基于质心算法的LED调频多波长旋光仪，测量具体步骤如下：

1）在旋光试管中未加待测物质时，先调整起偏器和检偏器，使两者正交并固定；

2)在旋光试管加入旋光物质后， 微处理器信号发生单元产生高频f的方波信号，加载到可调频LED上，频率为f的光经过滤光片、起偏器变为线偏光，线偏光经过旋光试管中的旋光物质后发生旋转，再经过检偏器,照在光电转换器上，光电转换器将频率为f的光信号转变为频率为f交流信号；

3）光电转换器输出频率为f交流信号依次经前置放大单元、选频放大单元的选频、包络检波检波，放大单元放大，限幅钳位电路的输入保护后进入微处理器的模数转换单元转换为数字信号输入到微处理器数据存储单元；

4）微处理器信号发生单元发出信号驱动步进电机带动检偏镜转动，交流信号强度发生变化，重复步骤3），微处理器数据存储单元记录储存每个信号；

5）微处理器对存储的信号进行处理，通过FFT快速傅里叶分解，然后再数字滤波，最后通过包络检波的方法得到一条频率为f信号的幅值和步进电机转动角度的曲线，最终通过质心法计算出旋光角进而得知溶液浓度。

本发明的有益效果在于：本发明基于质心算法的LED调频多波长旋光仪及测量方法，应用LED光源和滤光片的搭配，可以实现多个波长的旋光角度的测量，具有体积小，成本低，功耗低等特点；使用质心算法，实现全自动数字化，大大提高测量精度。

附图说明

图1为现有技术旋光仪的结构原理示意图；

图2为现有技术偏振光的振动情况示意图；

图3为现有技术中法拉第线圈工作原理的曲线示意图；

图4为马吕斯定律曲线示意图；

图5是本发明基于数据信号处理的激光调频旋光仪的原理框图。

具体实施方式

如图5所示基于质心算法的LED调频多波长旋光仪原理框图，包括光路部分和电路部分，光路部分依次包括可调频LED 光源21、滤光片22、起偏器23、旋光试管24、检偏器25和光电转换器26。电路部分包括依次连接的光电转换器26的前置放大单元27、选频放大单元28、包络检波电路29、放大电路30、限幅钳位电路31、微处理器数据信号处理单元32和步进电机33、数字显示单元34；微处理器数据信号处理单元32包括微处理器模数转换单元、微处理器信号发生单元、微处理器数字存储单元、微处理器数据处理单元；微处理器数据信号处理单元中的微处理器信号发生单元产生的高频信号加载到可调频LED光源21上，同时发出信号驱动步进电机33，步进电机33带动检偏器25转动；限幅钳位电路31输出信号接微处理器数据信号处理单元中的微处理器模数转换单元，微处理器模数转换单元将模拟信号转换为数字信号后，输出到微处理器数字存储单元储存信号，微处理器数据处理单元对微处理器数字存储单元储存的信号进行处理后输出到数字显示单元34显示数据。

选用可调频LED光源21替代钠灯光源，微处理器信号发生单元产生高频f的方波信号，加载到可调频LED光源21，LED输出频率f可调节。频率为f的光经过过滤光片22后，成为特定波长的光，再经过起偏器23成为线偏振光、线偏振光经过旋光管24中的旋光物质后旋转，再经过检偏器25,照在光电点倍增管26上。线偏振光经过待测物和检偏器25后的频率不变，光电转换器26将频率为f的光信号转变为频率为f电信号，并输入前置放大单元27, 前置放大单元27用于放大从光电转换器26发来的电信号，放大此信号以驱动选频放大单元28，选频放大单元28用于选择LED光源频率f的信号而滤除其它频率的信号。信号通过包络检波电路29、放大电路30、限幅钳位电路31后输入微处理器数据信号处理单元32，微处理器模数转换单元用于将从选频放大单元28出来的模拟信号转换为数字信号，并由微处理器数字存储单元记录下该信号。然后微处理器信号发生单元发出信号驱动步进电机并带动检偏器转动。步进电机33每转动一步，频率为f的光信号偏振角度与检偏器25的角度便发生变化，导致经过检偏器25的光信号的幅值大小发生变化，经过光电转换、前置放大、选频放大、模数转换后，由微处理器数据存储单元记录下最新的信号。当步进电机33转过一圈后， 微处理器对每个记录下的信号进行数据处理，首先进行FFT（快速傅里叶分解），然后再数字滤波，最后通过包络检波的方法得到一条关于频率为f信号的幅值和步进电机转动角度的曲线。根据马吕斯定律I=I0cos2α，该曲线理论上应为一条如图4所示的曲线。并利用质心算法计算出曲线上的最初时刻到最近零点之间的角度。该角度便是物质的旋光角。再通过数据处理单元将该角度与已知国际标准比对，查找出该溶液浓度。最后通过数字显示单元14输出结果。

采用微处理器产生信号对光信号进行调制，可以得到频率很高的调制信号，避免了50HZ工频干扰。在传统的旋光仪中，采用伺服电机带动检偏器自动旋转到光学零位原理，而在本技术中，微处理器产生信号驱动步进电机33带动检偏器25旋转一周，再由微处理器对所记录下来的信号进行数据处理，得到一条关于光强与步进电机转动角度的曲线，然后利用质心算法，从曲线上计算出物质的旋光度。利用本技术计算旋光角，相比传统技术，可消除电机回程误差等影响，精确的找出光学零点，大大提高旋光仪的精度。并且，本技术中采用可调频LED光源21代替钠光灯作为光源，避免了功耗较大，易老化等缺点，且可调频LED与滤光片的搭配使用，可以实现多波长的旋光物质旋光角度的测量。 

测量旋光物质旋光角的测量方法，其步骤如下: 1）在未加待测物质时调整起偏器23和检偏器25正交并固定；2）在旋光试管24加入旋光物质后，光通过所述光路部分到达光电转换器26 ，从光电转换器26输出的是一个高频交流信号；3）该交流信号经前置放大单元27的放大、选频放大单元28的选频、模数转换单元的模数转换后输入微处理器数据存储单元。4）步进电机33带动检偏器25转动，交流信号强度发生变化，微处理器记录下每个信号。通过FFT以及包络检波得到一条曲线，最终利用质心算法计算出旋光角进而得知溶液浓度。

Claims (2)

1.一种基于质心算法的LED调频多波长旋光仪，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频LED光源、滤光片、起偏器、旋光试管、检偏器和光电转换器；电路部分包括依次连接的光电转换器、前置放大单元、选频放大单元、包络检波电路，放大电路、限幅钳位电路、微处理器数据信号处理单元和步进电机、数字显示单元；微处理器数据信号处理单元包括微处理器模数转换单元、微处理器信号发生单元、微处理器数字存储单元、微处理器数据处理单元；微处理器数据信号处理单元中的微处理器信号发生单元产生的高频信号加载到可调频LED上，同时发出信号驱动步进电机，步进电机带动检偏器转动；限幅钳位电路输出信号接微处理器数据信号处理单元中的微处理器模数转换单元，微处理器模数转换单元将模拟信号转换为数字信号后，输出到微处理器数字存储单元储存信号，微处理器数据处理单元对微处理器数字存储单元储存的信号进行处理后输出到数字显示单元显示数据。

2.一种基于质心算法的LED调频多波长旋光仪测量方法，包括基于质心算法的LED调频多波长旋光仪，其特征在于，测量具体步骤如下：

1）在旋光试管中未加待测物质时，先调整起偏器和检偏器，使两者正交并固定；

2)在旋光试管加入旋光物质后， 微处理器信号发生单元产生高频f的方波信号，加载到可调频LED上，频率为f的光经过滤光片、起偏器变为线偏光，线偏光经过旋光试管中的旋光物质后发生旋转，再经过检偏器,照在光电转换器上，光电转换器将频率为f的光信号转变为频率为f交流信号；

3）光电转换器输出频率为f交流信号依次经前置放大单元、选频放大单元的选频、包络检波检波，放大单元放大，限幅钳位电路的输入保护后进入微处理器的模数转换单元转换为数字信号输入到微处理器数据存储单元；

4）微处理器信号发生单元发出信号驱动步进电机带动检偏镜转动，交流信号强度发生变化，重复步骤3），微处理器数据存储单元记录储存每个信号；

5）微处理器对存储的信号进行处理，通过FFT快速傅里叶分解，然后再数字滤波，最后通过包络检波的方法得到一条频率为f信号的幅值和步进电机转动角度的曲线，最终通过质心法计算出旋光角进而得知溶液浓度。

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