CN105300891A - 基于重心算法的激光调频双光路旋光仪及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于重心算法的激光调频双光路旋光仪及测量方法，通过信号发生电路对激光器加以调制，用消偏振分光棱镜将偏振光分光形成双光路结构，一条光路中放置样品管，经检偏器后分别由两个光电转换器接收转换为两组电信号，两组电信号分别经电路处理由微处理器进行存储。信号发生电路产生的信号驱动装载起偏器的步进电机旋转一周，由微处理器对所存储的两组信号进行数据处理，得到两条关于光强与步进电机转动角度的曲线，并通过重心算法，利用两条曲线的光学零点的差值得到样品的旋光度，进而计算出浓度。本发明可消除光源不稳定等影响，实现实时调零，精确的找出光学零点，提高旋光仪的测量精度；运用重心算法，实现仪器全自动数字化，提高测量效率。

Description

基于重心算法的激光调频双光路旋光仪及测量方法

技术领域

本发明涉及一种检测旋光仪，特别涉及一种基于重心算法的激光调频双光路旋光仪及测量方法。

背景技术

线偏振光通过某些光学活性化合物或其溶液时，其振动面会绕着光轴发生偏转的现象称为旋光现象，旋转的角度称为旋光度。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，使通过的偏振光的振动平面向左或向右旋转。因此，在一定的条件下，利用检测线偏振光通过某些物质后振动面旋转的方向和度数来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。旋光法多用于测定糖浓度，近年来，旋光法也逐渐运用于制药、食品加工、化工和生化分析等领域。

根据毕奥定理，物质的旋光度的大小与物质的温度和线偏振光的波长有关。有些物质的旋光度随温度的升高而增加，如石英等。然而如蔗糖等物质随温度的升高而减小。此外，线偏振光的波长不同，对应的旋光度也不同。

旋光质的旋光度a(线偏振光经物质后振动面沿传播方向转过的角度）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长度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，经小孔光阑2、物镜3、滤光片4后可以得到一束较为简单的平行光如图1所示，平行光经起偏器（Ⅰ）5后成为线偏振光，其振动平面为00如图2（a），当偏振光经法拉第线圈6时，由于磁致旋光，使线偏振光的振动平面产生50Hz的β角往复摆动如图2（b），光线经过检偏器（Ⅱ）8投射到光电转换器9上，产生交变的电信号，当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），仪器示数平衡后起偏器5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，样品管中未放入旋光物质，此时α=0o。法拉第线圈6产生以频率为50Hz的β角摆动(图3(a))，在光电转换器得到100Hz的电信号(图3(d)),当样品管中放入有α₁度或α₂度的试样时光电转换器得到50Hz的电信号(图3(b)、(c))，但它们的相位正好相反（图3（e）、图3（f））。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α（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。

综上所诉，这种测旋光度的方法是采用法拉第线圈调制光信号，但法拉第线圈的工作电压高，功耗大，体积大，且调制频率为50Hz，频率低，易受工频干扰，严重影响测量精度。另外该方法中采用的光源为钠光灯，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，提出了一种基于重心算法的激光调频双光路旋光仪及测量方法，与传统旋光仪完成相同的旋光度测量，但利用分光形成双光路结构，消除了光源的不稳定的影响，实现仪器实时调零的功能，实现全自动数字化控制，大大减小误差，提高了精度。

本发明的技术方案为：一种基于重心算法的激光调频双光路旋光仪，包括光路部分和电路部分，所述光路部分由可调频半导体激光器、起偏器、消偏振分光棱镜、消偏振反射镜、样品管、检偏器和光电转换器组成，所述可调频半导体激光器发出的光束依次通过起偏器、消偏振分光棱镜、消偏振反射镜后分成二条光束、一条光束通过样品管、检偏器进入光电转换器；另一条光束通过消偏振反射镜、检偏器进入光电转换器，光电转换器连接电路部分，电路部分由信号发生电路、前置放大电路、选频电路、包络检波电路、限幅钳位电路、微处理器单元和步进电机组成；微处理器单元包括微处理器模数转换单元、微处理器数据存储单元、微处理器数据处理单元、微处理器数字显示单元；所述信号发生电路产生的高频信号加载到可调频半导体激光器上，同时发出信号驱动步进电机，步进电机连接起偏器，带动起偏器转动；所述光电转换的电信号依次通过前置放大电路、选频电路、包络检波电路、限幅钳位电路后输出至微处理器单元中的模数转换单元，经过转换的模拟信号以数字信号的形式输出存储在微处理器数据存储单元，微处理器数据处理单元对存储单元中的数字信号进行处理后将结果输出到数字显示单元。

一种基于重心算法的激光调频双光路旋光仪的测量方法，采用基于重心算法的激光调频双光路旋光仪，测量具体步骤如下：

1)调节光路，并调整起偏器和检偏器，使起偏器和检偏器处在正交位置并固定；

2)在样品管中加入旋光物质后，使信号发生电路产生频率为f的方波信号，并加载到可调频半导体激光器上，频率为f的光经过起偏器后成为线偏振光，线偏振光经过消偏振分光棱镜后分成两束线偏振光，一束线偏振光经过消偏振反射镜直接到大口径的检偏器，另一束线偏振光经过样品管中的旋光物质后偏振态发生旋转，再经过检偏器,经过检偏器后分别由两个光电转换器接收，光电转换器将两条频率为f的光信号转变为频率为f的交流信号；

3）光电转换器输出频率为f的两条交流信号在电路部分分别依次经前置放大电路、选频电路、包络检波电路，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存储到微处理器数据存储单元；

4）信号发生电路发出信号驱动步进电机带动起偏器转动，光电转换器的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）微处理器对存储的两组数字信号进行处理，通过快速傅里叶分解，然后再数字滤波，最后通过包络检波的方法得到两条频率为f信号的幅值和步进电机转动角度的曲线，最终通过重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：本发明的基于重心算法的激光调频双光路旋光仪及测量方法，应用消偏振分光棱镜构建双光路结构，可消除光源不稳定的影响，实现实时调零的功能，完成旋光角度的测量，具有体积小，成本低，功耗低等特点；使用重心算法，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

图3为现有技术法拉第线圈工作原理的曲线示意图；

图4为双光路马吕斯定律曲线示意图；

图5为本发明的基于重心算法的激光调频双光路旋光仪的原理框图。

具体实施方式

如图5所示,一种基于重心算法的激光调频双光路旋光仪，包括光路部分和电路部分，光路部分依次包括可调频半导体激光光源21、起偏器22、消偏振分光棱镜23、消偏振反射镜24、样品管25和大口径的检偏器26。可调频半导体激光器21发出的光束依次通过起偏器22、消偏振分光棱镜23、消偏振反射镜24后分成二束、一束通过样品管25、检偏器26进入光电转换器A27；另一束通过消偏振反射镜24、检偏器26进入光电转换器B28，电路部分包括依次为光电转换器A27和光电转换器B28、前置放大电路29、选频电路30、包络检波电路31、限幅钳位电路32、微处理器单元33、步进电机44、信号发生电路35。微处理器单元33包括微处理器模数转换单元、微处理器数据存储单元、微处理器数据处理单元；信号发生电路35产生的高频信号加载到可调频半导体激光器21上，同时向步进电机34发出驱动信号，步进电机34连接起偏器22，带动起偏器22转动；光电转换的电信号依次通过前置放大电路29、选频电路30、包络检波电路31、限幅钳位电路32后输入到微处理器单元33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，存储到微处理器数据存储单元，微处理器数据处理单元对存储单元储存的信号进行处理后将结果输出到数字显示单元显示。

选用可调频半导体激光器21替代钠灯光源，信号发生电路35产生高频f的方波信号，加载到可调频半导体激光器21上，激光器输出功率可调节。频率为f的光经过起偏器22后，成为线偏振光，线偏振光经过消偏振分光棱镜23后分成两束光，一束光经消偏振反射镜24后直接入射大口径的检偏器26，另一束光经样品管25中的旋光物质后旋转，再经过大口径的检偏器26。两束偏振光经过大口径的检偏器26分别由光电转换器A27和光电转换器B28接收。线偏振光经过待测物和检偏器26后的频率不变，所以光电转换器A27和光电转换器B28将两束频率为f的光信号分别转变为两组频率为f电信号，两组电信号分别并行输入前置放大电路29,前置放大单元29用于放大从光电转换器A27和光电转换器B28输入的电信号，放大电信号以驱动选频电路30，选频电路30用于选择频率为f的信号而滤除其它频率的信号，去除噪声干扰。信号通过包络检波电路31、限幅钳位电路32后输入到微处理器单元33，微处理器模数转换单元用于将从限幅钳位电路32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两组信号。然后信号发生电路35发出信号驱动步进电机34并带动起偏器22转动。步进电机34每转动一步，两组频率为f的光信号的偏振角度随起偏器22的角度便发生变化，导致经过大口径的检偏器26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两束光的实时信号，分两组数据储存。当步进电机34转过一圈后，微处理器对记录下的两组信号进行数据处理，首先进行FFT快速傅里叶分解，然后再通过数字滤波，最后通过包络检波的方法得到两条关于频率为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，该曲线理论上应为两条如图4所示的曲线。并利用重心算法，分别计算出两条曲线上的光学零点对应的角度值。两个角度差值即为物质的旋光角。再通过数据处理单元将该角度与已知国际标准比对，计算出该溶液浓度。最后通过数字显示输出结果。

利用信号发生电路产生高频信号对光信号进行调制，目的为了得到频率很高的调制信号，避免工频干扰。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，而在本发明中，信号发生电路产生信号驱动步进电机14带动起偏器2旋转一周，再由微处理器对所记录下的两组信号数据进行处理，得到两条关于光强与步进电机转动角度的曲线，再利用重心算法，从曲线上计算出物质的旋光度。利用本发明计算旋光角，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，本发明中采用消偏振分光棱镜4形成双光路结构，消除光源不稳定的影响，实现实时调零功能，有效避免了由于光源或仪器设备等老化因素引起的零点漂移问题，大大提高测量精度。

测量旋光物质旋光角的测量方法，其步骤如下:1）调节光路平衡，使起偏器22和大口径的检偏器26正交并固定；2）在样品管25加入旋光物质后，光通过所述光路部分形成双光路，两条光路经过大口径的检偏器26分别到达光电转换器A27和光电转换器B28，从两光电转换器输出的是两个高频交流信号；3）两组交流信号经前置放大电路29的放大、选频电路30的选频、包络检波31、限幅钳位32后输入微处理器单元33的模数转换单元，模数转换后输入微处理器数据存储单元。4）步进电机34带动起偏器22转动，光电转换器的交流信号强度发生变化，微处理器记录下每个信号。通过FFT以及包络检波得到两条曲线，最终利用重心算法计算两曲线的光学零点，差值得到旋光角进而得知溶液浓度。

Claims (2)

1.一种基于重心算法的激光调频双光路旋光仪，包括光路部分和电路部分，其特征在于：所述光路部分由可调频半导体激光器(21)、起偏器(22)、消偏振分光棱镜(23)、消偏振反射镜(24)、样品管(25)、检偏器(26)和光电转换器组成，所述可调频半导体激光器(21)发出的光束依次通过起偏器(22)、消偏振分光棱镜(23)、消偏振反射镜(24)后分成二条光束、一条光束通过样品管(25)、检偏器(26)进入光电转换器；另一条光束通过消偏振反射镜(24)、检偏器(26)进入光电转换器，光电转换器连接电路部分，电路部分由信号发生电路(35)、前置放大电路(29)、选频电路(30)、包络检波电路(31)、限幅钳位电路(32)、微处理器单元(33)和步进电机(34)组成；微处理器单元(33)包括微处理器模数转换单元、微处理器数据存储单元、微处理器数据处理单元、微处理器数字显示单元；所述信号发生电路(35)产生的高频信号加载到可调频半导体激光器(21)上，同时发出信号驱动步进电机(34)，步进电机(34)连接起偏器(22)，带动起偏器(22)转动；所述光电转换的电信号依次通过前置放大电路(29)、选频电路(30)、包络检波电路(31)、限幅钳位电路(32)后输入至微处理器单元(33)中的微处理器模数转换单元，经过转换的模拟信号以数字信号的形式输出存储在微处理器数据存储单元，微处理器数据处理单元对存储单元中的数字信号进行处理后将结果输出到数字显示单元。

2.一种基于重心算法的激光调频双光路旋光仪的测量方法，采用权利要求1所述的基于重心算法的激光调频双光路旋光仪，测量具体步骤如下：

1)调节光路，并调整起偏器(22)和检偏器(22)，使起偏器(22)和检偏器(26)处在正交位置并固定；

2)在样品管(25)中加入旋光物质后，使信号发生电路(35)产生频率为f的方波信号，并加载到可调频半导体激光器(21)上，频率为f的光经过起偏器(22)后成为线偏振光，线偏振光经过消偏振分光棱镜(23)后分成两束线偏振光，一束线偏振光经过消偏振反射镜(24)直接到大口径的检偏器(26)，另一束线偏振光经过样品管(25)中的旋光物质后偏振态发生旋转，再经过检偏器(26),经过检偏器(26)后分别由两个光电转换器接收，光电转换器将两条频率为f的光信号转变为频率为f的交流信号；

3）光电转换器输出频率为f的两条交流信号在电路部分分别依次经前置放大电路(29)、选频电路(30)、包络检波电路(31)，限幅钳位电路(32)的输入保护后进入微处理器模数转换单元转换为数字信号存储到微处理器数据存储单元；

4）信号发生电路(35)发出信号驱动步进电机(34)带动起偏器(22)转动，光电转换器的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）微处理器对存储的两组数字信号进行处理，通过快速傅里叶分解，然后再数字滤波，最后通过包络检波的方法得到两条频率为f信号的幅值和步进电机转动角度的曲线，最终通过重心法计算出旋光角进而得知溶液浓度。