CN208350621U - 一种基于差动过零检测的旋光仪 - Google Patents

Abstract

一种基于差动过零检测的旋光仪，它包括从一侧至另一侧依次设置的光源、起偏器、样品管、棱镜、光电转换器，其中，光电转换器包括第一光电转换器、第二光电转换器；第一光电转换器、第二光电转换器的输出端均与电路处理单元中的差分放大电路的输入端连接；电路处理单元包括差分放大电路、与差分放大电路输出端连接的选频电路、与选频电路输出端连接的包络检波电路、与包络检波电路输出端连接的A/D转换电路，电路处理单元的输出端与处理器单元的输入端连接；包括信号发生电路，信号发生电路的信号输出端分别与光源、电机的受控端连接，电机的转子轴与起偏器连接。本实用新型针对传统的旋光仪功耗大、测量精度易受到干扰的问题，提出了一种基于差动过零检测的旋光仪。

Description

一种基于差动过零检测的旋光仪

技术领域

本实用新型涉及一种检测旋光仪，特别涉及一种基于差动过零检测的旋光仪。

背景技术

线偏振光通过某些光学活性化合物或其溶液时会发生旋光现象，即线偏振光的振动面会绕着光轴发生偏转，偏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。而有些物质的旋光度随温度的升高而减小，如蔗糖等。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α(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L成正比，α＝kCL，其中C为g/100ml，L为mm。

传统的旋光仪的结构原理示意图如图1所示，光源1采用钠光灯，经小孔光阑2、物镜3后可以得到一束较为简单的平行光，平行光经起偏器4后成为线偏振光，其振动平面为OO如图2(a)，当偏振光经法拉第线圈5时，由于磁致旋光，使线偏振光的振动平面产生50Hz往复摆动的β角如图2(b)，光线经过滤色片7、检偏器8后投射到光电倍增管9上，产生交变的电信号，当通过装有样品的样品管6后的偏振光振动面旋转度如图2(c)，仪器示数平衡后起偏器4反向转过α₁度补偿了样品的旋光度，如图2(d)，光电倍增管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，仪器以起偏器4、检偏器8光轴正交时(即OO丄PP)作为光学零点，样品管中未放入旋光物质，此时α＝0°。法拉第线圈5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4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。

综上所述，这种测旋光度的装置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。另外传统装置中采用的光源为钠光灯，功耗较大，易老化。

发明内容

本实用新型针对传统的旋光仪功耗大、测量精度易受到干扰的问题，提出了一种基于差动过零检测的旋光仪。

为达到上述目的，本实用新型的设计方案是：

一种基于差动过零检测的旋光仪，它包括从一侧至另一侧依次设置的光源、起偏器、样品管、棱镜、光电转换器，其中，光电转换器包括第一光电转换器、第二光电转换器；第一光电转换器、第二光电转换器的输出端均与电路处理单元中的差分放大电路的输入端连接；电路处理单元包括差分放大电路、与差分放大电路输出端连接的选频电路、与选频电路输出端连接的包络检波电路、与包络检波电路输出端连接的A/D转换电路，电路处理单元的输出端与处理器单元的输入端连接；包括信号发生电路，信号发生电路的信号输出端分别与光源、电机的受控端连接，电机的转子轴与起偏器连接。

上述处理器单元包括数据存储单元、与数据存储单元输出端连接的数据处理单元、以及与数据处理单元输出端连接的显示单元。

上述棱镜为渥拉斯顿棱镜。

上述电机为步进电机。

本实用新型有如下有益效果：

本实用新型的有益效果在于：本实用新型的基于差动过零检测的旋光仪，应用渥拉斯顿棱镜作为检偏器构成差动过零检测模式，可消除光源不稳定的影响，完成旋光角度和旋转方向的测量，具有体积小，成本低，功耗低等特点；使用微处理器处理数据，实现全自动数字化，大大提高测量精度和效率。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。

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为本实用新型的基于差动过零检测旋光仪的原理框图；

图5为本实用新型的基于差动过零检测旋光仪的检测曲线图；

图6为本实用新型实施例的电路图。

具体实施方式

如图4所示，一种基于差动过零检测的旋光仪，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16、起偏器17、样品管18和渥拉斯顿棱镜19；可调频半导体激光器16发出的光束依次通过起偏器17、样品管18、渥拉斯顿棱镜19后分解成两束光，一束光进入第一光电转换器20，另一束进入第二光电转换器21。

电路部分包括依次为第一光电转换器20和第二光电转换器21、差分放大电路22、选频电路23、包络检波电路24、限幅钳位电路25、A/D转换电路26、微处理器单元27、步进电机28、信号发生电路29。微处理器单元27包括数据存储单元、数据处理单元和数字显示单元；信号发生电路29产生的高频信号加载到可调频半导体激光器16上，同时向步进电机28发出驱动信号，步进电机28连接起偏器17，带动起偏器17转动；

第一光电转换器20和光电转换器21的电信号输入到差分放大电路22进行差值运算并放大，差分放大电路22输出的差值信号依次经选频电路23、包络检波电路24、限幅钳位电路25、A/D转换电路26后转换为数字信号输入到微处理器单元27中的数据存储单元，可选的，显示单元33为数字显示单元，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。

优选的光源16采用可调频半导体激光器16，信号发生电路29产生频率为f的方波信号，加载到可调频半导体激光器16上，激光器输出功率可调节。频率为f的光经过起偏器17后，成为线偏振光，线偏振光经过样品管18中的旋光物质后旋转，再经过渥拉斯顿棱镜19后被分解成两束偏振光。两束偏振光分别由第一光电转换器20和第二光电转换器21接收。线偏振光经过待测物和渥拉斯顿棱镜19后的频率不变，所以第一光电转换器20和第二光电转换器21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，两组电信号分别输入到差分放大电路22的两输入端，差分放大电路22用于计算从第一光电转换器20和第二光电转换器21输入的电信号的差值并将差值放大，放大后的差值电信号以驱动选频电路23，选频电路23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24、限幅钳位电路25、A/D转换电路后转换为数字信号输入到微处理器单元27并由微处理器数字存储单元记录下该信号。信号发生电路29发出信号驱动步进电机28并带动起偏器17从光学零位转动90度。步进电机28每转动一步，频率为f的光信号的偏振角度随起偏器17的角度便发生变化，导致经过渥拉斯顿棱镜19输出的两束光信号的幅值大小发生变化，由于两束光信号幅值变化趋势相反，因此灵敏度更高。经过光电转换、差分放大、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差值的实时信号。当步进电机28转过90度后，微处理器对记录下的差值信号进行数据处理，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。

从渥拉斯顿棱镜分解出的两束偏振光光强的差值为I＝I₀sin2(θ+α)，其中θ为步进电机的转动角度，α为旋光角。如果α>0，该曲线理论上为如图5(a)所示的曲线；如果α<0，该曲线理论上为如图5(b)所示的曲线。对数据进行拟合，计算出曲线过零点时对应的角度值β，曲线过零方向是从正到负，物质的旋光角α＝90o-β，曲线过零方向是从负到正，物质的旋光角α＝-β。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，而在本实用新型中，信号发生电路29产生信号驱动步进电机28带动起偏器17旋转90度，再由微处理器对所记录下的信号数据进行处理，得到一条关于光强差值与步进电机转动角度的曲线，通过曲线的过零值与过零方向，从曲线上计算出物质的旋光度。利用本实用新型计算旋光角，检测中步进电机始终绕同一方向转动，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，本实用新型中采用渥拉斯顿棱镜19形成差动检测形式，消除光源不稳定的影响，提高了仪器灵敏度，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。

可以选择的，处理器单元选择型号为STM32F030的微控制器；步进电机选择型号为FY42EL180A的电机。

对本领域技术人员来说，微控制器、步进电机等电子元件属于本领域技术人员公知技术，对它们型号的选用不局限于本说明书的记载，微控制器与常规电子元器件的连接及控制关系属于本领域技术人员的公知常识，在本说明书中不再赘述，本领域技术人员可根据现场实际情况选择公知手段对各个电子元件进行安装。

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17和渥拉斯顿棱镜19正交并固定；

2)在样品管18加入旋光物质后，光通过所述光路部分分解为两束光，两束光分别到达第一光电转换器20和第二光电转换器21，从两光电转换器输出的是两个高频交流信号；

3)两组交流信号经差分放大电路22计算差值并放大、选频电路23的选频、包络检波24、限幅钳位25、A/D转换电路后转换成数字信号输入到微处理器单元27的数据存储单元。

4)步进电机28带动起偏器17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束光差值的曲线，最终利用曲线过零值及过零方向计算得到旋光角进而得知溶液浓度。

Claims (4)

1.一种基于差动过零检测的旋光仪，其特征在于：它包括从一侧至另一侧依次设置的光源（16）、起偏器（17）、样品管（18）、棱镜（19）、光电转换器，其中，光电转换器包括第一光电转换器（20）、第二光电转换器（21）；第一光电转换器（20）、第二光电转换器（21）的输出端均与电路处理单元（30）中的差分放大电路（22）的输入端连接；电路处理单元（30）包括差分放大电路（22）、与差分放大电路（22）输出端连接的选频电路（23）、与选频电路（23）输出端连接的包络检波电路（24）、与包络检波电路（24）输出端连接的A/D转换电路（26），电路处理单元（30）的输出端与处理器单元（27）的输入端连接；包括信号发生电路（29），信号发生电路（29）的信号输出端分别与光源（16）、电机（28）的受控端连接，电机（28）的转子轴与起偏器（17）连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于差动过零检测的旋光仪，其特征在于：所述处理器单元（27）包括数据存储单元（31）、与数据存储单元（31）输出端连接的数据处理单元（32）、以及与数据处理单元（32）输出端连接的显示单元（33）。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于差动过零检测的旋光仪，其特征在于：所述棱镜（19）为渥拉斯顿棱镜。

4.根据权利要求1所述的一种基于差动过零检测的旋光仪，其特征在于：所述电机（28）为步进电机。