CN87102016A - 旋光的比光强测定法及快速检糖仪 - Google Patents

Abstract

一种旋光的比光强测定方法与快速检糖仪。所述旋光的比光强测定方法是，将一束偏振光相继通过一旋光介质与一偏振分光棱镜，检测由偏振分光棱镜出射的两分束的光强比，由此确定出棱镜入射光的偏振角，得出旋光介质的旋光度。所述快速检糖仪采用了上述方法，可同时，直接对动态的糖料样品进行旋光度、折光锤度、温度的连续检测，并通过电子计算机得出含糖量、纯度等指标。检测速度快、稳定性好、精度高，适于工业化在线检测。

Description

本发明涉及旋光的测定方法和快速检测糖份的仪器。

糖料含糖量的检测，通常是测得样品的旋光度、锤度和温度，再按照一定的经验公式进行计算。计算所得结果按国际检测标准所要求的环境温度（20℃）进行修正。这些参数中，旋光度的测量是十分重要的。

1980年10月，巴西专利BR（PI）7803313公开了一种采用激光光源与法拉第磁光调制技术的新型检糖仪，较传统仪器提高了检测精度和可靠性。《国外农学（甜菜分册）》1984年第一期介绍了日本藤川治昌等人发明的自动测糖仪。该仪器采用氦氖激光光源、磁光调制、复合样品池及电子计算机等技术，能够简便、准确、较快地检测出样品的旋光度、锤度、温度。它还能对未经化学处理的样品直接进行检测。

但是，现有的检糖仪都只能对静态的样品进行检测，而不能检测动态样品。因此，不能用于在线检测，满足不了工业化生产的需要。这是由于现有仪器对样品旋光度的检测采用的是“二次正交校零法”，这种方法不能对连续变化的信号进行检测。近年来，在别的技术领域出现了另一种旋光检测方法-分光的消光比测量法，但实现这种方法的电路较复杂，其可靠性与稳定性及运算速度受到限制，也找不到一种理想的标定方法，给高精度检测带来困难。并且，这种方法仅适合于双折射分光元件如渥拉斯顿（Wollaston）棱镜，而在采用薄膜分光棱镜时，使得信号处理十分复杂。

本发明的目的是，提出一种能对旋光度进行动态测试的比光强测定法，并依据该方法设计出快速检糖仪，同时，直接对糖料的旋光度、锤度、温度进行动态测量，使之具有高的检测速度和灵敏度，以及高的检测精度，以有效地实现工业在线检测，满足现代化生产的需要。

本发明所述旋光的比光强测定方法是指：将一束已知偏振角的偏振光相继通过一旋光介质与一偏振分光棱镜，测量由所述偏振分光棱镜出射的两分光束的光强比，根据偏振分光棱镜的入射光偏振角与出射的两分光束的光强比所具有的确定函数关系，由所述光强比确定出所述偏振分光棱镜入射光的偏振角，由该偏振角与旋光介质入射光的已知偏振角得出所述旋光介质的旋光度。

本发明所述的旋光的比光强测定方法，适应于各种偏振分光棱镜，数据处理简单，可以节省器件、降低成本、提高检测速度及应用于工业在线检测。能够进行高灵敏度的检测，获得高精度的标定方法。

下面结合附图及实施例对本发明所述旋光的比光强测定方法做出进一步说明。

由图1可知，一束由旋光介质出射的平行光I以与透反射偏振分光棱镜垂直的方向入射，将被分解为两束光，其中一束为透射光T，一束为反射光R。所述透反射偏振分光棱镜可以是偏振立方棱镜，格兰-汤泼逊（Glan-Thompson）棱镜、尼科尔（Nicol）棱镜等各种透反射偏振分光棱镜。如果使用的是偏振立方棱镜，且光源是自然光，则被分解的两分光束的能量（光强）比接近于1，即其透反比为1（T/R＝1）。如果光源是一束电矢量振动方向与所述棱镜的入射平面成Q角度的线偏振光，则经偏振平面分解出的两束光的能量比，是一个确定的值，即理论上所称的光强透反比是Q的函数。该函数关系式为：

Q＝Sin^-1 $\sqrt{\frac{1}{\mathrm{a(1+T/R)}}\mathrm{-b}}$ ±△

其中△为误差修正项。

由图2可知，上述函数关系曲线Ⅱ与实验曲线Ⅰ表现出很好的一致性，其间的误差可以得到很好的修正。由所得出的棱镜入射光的偏振角Q与原始光线的偏振角，即可求出旋光介质的旋光度。若采用渥拉斯顿棱镜或格兰-傅科（Glan-Fric）棱镜等一类双折射偏振分光棱镜，分解后的寻常光（O光）与异常光（e光）之间的光强比也具有同样的特性。如图3所述，设一束平行光向渥拉斯顿棱镜入射，出射的O光与e光的光强比是确定的：I_o/I_e＝a。如果入射光是有偏振角Q的线偏振光，则其出射光的光强比是Q角的函数。将渥氏棱镜看作理想介质时，该函数关系式为：

Q＝tg^-1 $\sqrt{I{}_0\mathrm{/I}{}_e}$ ±△

式中△为误差修正项。

图4描述了这一函数关系的理论曲线Ⅱ与实验曲线Ⅰ相一致的情形，其中的误差可以得到很好的修正。

图5指出了本发明所述旋光的比光强测定法可以获得高精度的标定方法的实例。如该图所示，一只电桥直接与旋光测定装置的两只硅光电池D₁、D₂相接。检流计G的灵敏度是每刻度2·2×10^-9安培。当光线的偏振方向一定时，电桥可以在I₁/I₂＝R₂/R₁的条件下达到平衡。若偏振方向发生改变，电桥又可在相应的条件下达到平衡。如此继续下去，就可以获得一条Q＝Q（I₁/I₂）＝Q（R₂/R₁）的连续曲线。用这条曲线标定制作的旋光仪，精度可达0.05%。

本发明所述的快速检糖仪由氦氖激光光源、起偏器、分光器、平面反射镜、样品池、旋光检测系统、折光检测系统、温度检测系统、微型电子计算机构成。所述旋光检测系统包括扩束镜、偏振分光器、半导体光电器件与运算放大器构成的光电传感器，所述半导体光电器件接受偏振分光器出射的各分束并检测其强度，所述运算放大器与数据采集电路相接。所述折光检测系统包括一个CCD图象传感器。

本发明所述快速检糖仪可以同时、直接对糖料的旋光度、折光锤度和温度三个物理量进行快速的动态测量，得出经过了温度修正的旋光度、折光锤度值，并通过微型电子计算机的处理得出样品的含糖量、纯度，打印出结果。其检测具有高的速度、灵敏度和精度，能有效地运用于工业化在线检测。

下面结合附图及实施例对本发明所述的快速检糖仪做出进一步说明。

图6指出了本发明所述仪器的一种实际结构。由激光电源（1）和激光器（2）构成了激光光源，其中激光器（2）为磁起偏氦氖激光器，可发出波长为6328

的氦氖激光，其线偏振光的消光比为1∶2000。分光器（4）为直角偏振分光棱镜，在激光器（2）与分光器（4）之间有起偏器（3），该起偏器为一格兰-傅科棱镜。样品池（8）的一端为45°楔形折光槽，该样品池分别设有样品的流入口与流出口。由光源发出的激光束经起偏器（3）起偏后通过分光器（4）分解成两束光，转动起偏器（3）可以连续地改变两分光束的光强比例。

透过分光器（4）的光线以正45°的偏振角穿过样品（8）以及池中的被测样品。样品含有糖分时，会与糖含量成正比地改变入射光的偏振角。旋光测定系统中的偏振分光器（11）为一渥拉斯顿棱镜。由样品池（8）出射的光线经扩束镜（10）扩束后，射入渥拉斯顿棱镜，分解为偏振方向相互垂直的两束光，其光强比决定于进入渥氏棱镜之光束的偏振角。半导体光电器件（12）（13）（14）（15）与运算放大器（18）（19）组成了光电传感器，做为比光强测定电路。该电路中，运放器将半导体光电器件的光电流转换为电压信号，以保持光电转换的良好线性特性。在电路的信号相除（相比）过程中，自然地消除了光强起伏、温度起伏的影响。此处的半导体光电器件均采用硅光电池。其中一对硅光电池（14）（15）用作主传感器，接受渥氏棱镜的二出射光束，另一对硅光电池（12）（13）用作辅助传感器，接受渥氏棱镜的二反射光束。该二束反射光束与出射光束有相同的特性。将上述二对硅光电池（14）（15）及（12）（13）测得的表示光束强度的信号以同样的方式经运放器（18）（19）送入数据采集电路（21），再送入微机（22）进行处理。微机（22）对光电传感器输出的信号，按照二出射光束的光强之比与入射光偏振角的函数关系式确定出入射光的偏振角，从而得出旋光度。

由分光器（4）反射的光线经平面反射镜（5）产生折射，经傅氏透镜（6）扩束、聚焦透镜（7）聚焦后，垂直地进入样品池（8）的45°楔形折射槽。当样品池（8）中的样品折射率确定时，通过样品池后的出射光束的折射方向就是确定的，CCD图象传感器（16）十分精确地测出这个折射方向，从而测出折射率，得出与之成正比的折光锤度。

温度检测系统中的温度传感器（9）为-PN结温度传感器，将它嵌在样品池（8）的上盖中，通过运放器（17），能快速、准确测量样品温度。数据采集电路（21）分时地采集了旋光、折光与温度以后，送入微型电子计算机（22）进行处理。

离心采样器做为本发明所述快速检糖仪的一个附加装置，与样品池（8）配接。若样品是清沏的，则直接将其送入样品池中，若是混浊的，则通过该离心采样品处理后再送入样品池中。

本发明所述快速检糖仪与日本滕川昌治等人研制的自动检糖仪的各项性能比较如下表：

附图说明：

图1指出了透反射偏振分光棱镜的分光效应;

图2是图1所述棱镜的比光强函数曲线;

图3指出了双折射偏振分光棱镜的分光效应;

图4是图3所述棱镜的比光强函数曲线;

图5是高精度标定方法的实际线路;

图6是本发明仪器的实际结构。

在上述图中，带箭头的直线表示沿箭头方向传播的光线，且：

1-激光电源

2-激光器

3-起偏器

4-分光器

5-平面分光镜

6-扩束透镜

7-聚焦透镜

8-带有45°折光槽的样品池

9-温度传感器

10-扩束镜

11-偏振分光器

12、13、14、15-半导体光电器件

16-CCD图象传感器

17、18、19-运算放大器

20-CCD驱动器

21-数据采集电路

22-微型电子计算机系统

Claims (8)

1、一种旋光的比光强测定方法，本发明的特征在于，所述方法是，将一束已知偏振角的偏振光相继通过一旋光介质与一偏振分光棱镜，测量由所述偏振分光棱镜出射的两分光束的光强比，根据偏振分光棱镜的入射光偏振角与出射的两分束的光强比所具有的确定函数关系，由所述光强比确定出所述偏振分光棱镜入射光的偏振角，再由该偏振角与旋光介质入射光的已知偏振角得出所述旋光介质的旋光度。

2、一种快速检糖仪，由氦氖激光光源、起偏器、分光器、平面反射镜、样品池、旋光检测系统、折光检测系统、微型电子计算机构成，本发明的特征是，所述旋光检测系统包括扩束镜、偏振分光器、半导体光电器件与运算放大器构成的光电传感器，所述半导体光电器件接受偏振分光器出射的各分光束并测定其强度，所述运算放大器与数据采集电路相接，所述折光检测系统包括一个CCD图象传感器。

3、根据权利要求2所述的快速检糖仪，其特征还在于，所述分光器为直角偏振分光棱镜。

4、根据权利要求2所述的快速检糖仪，其特征还在于，所述起偏器为格兰-傅科棱镜。

5、根据权利要求2所述的快速检糖仪，其特征还在于，所有偏振分光棱镜均适用于所述旋光检测系统中的偏振分光器。

6、根据权利要求2所述的快速检糖仪，其特征还在于，所述旋光检测系统中的半导体光电器件为硅光电池。

7、根据权利要求2所述的快速检糖仪，其特征还在于，所述平面反射镜与样品池之间设有扩束透镜与聚焦透镜。

8、根据权利要求2所述的快速检糖仪，其特征还在于，所述温度检测系统由嵌在样品池上盖中的PN结温度传感器、放算放大器组成，所述运算放大器分别与所述温度传感器及数据采集电路相接。

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