專利名稱：激光調頻旋光儀的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及檢測技術，特別是涉及一種使用調頻激光的旋光儀的技術。
背景技術：
旋光分析法(簡稱旋光法)是利用線偏振光，通過含有化學活性物質的溶液或液 體時引起旋光現(xiàn)象，使通過的偏振光平面向左或向右旋轉。因此，在一定的條件下， 檢測線偏振光旋轉的方向和度數，可以分析某些化合物的旋光性，或檢測化合物的 雜質、純度和含量。用于測量旋光度的儀器，被成為旋光儀。旋光法多用于糖類的 含量測定，近年來，制藥、食品加工、化工和生化分析等領域也都涉及到這一方法。
物質的旋光度的大小與下列因素有關 一是與物質的溫度有關。有的物質隨溫度 的升高而增加，如石英等。有的物質隨溫度的而減小，如蔗糖等。二是與線偏振光 的波長有關，波長不同，旋光度也不同。
旋光質的旋光度a (線偏振光經物質后傳播路徑轉過的角度)與旋光物質溶液體 積百分比濃度c即偏振光所通過的溶液厚度1成正比，
a=kcl (1) 其中c為g/100ml， 1為mm。 圖1為以往旋光儀的結構與原理圖。
由鈉燈1，聚光鏡2和場鏡3構成光源部分，發(fā)出波長589.44nm的近似平行光。 起偏器4僅讓光源中的某一特定線偏振光透過。這束線偏振光通過調制器(法拉第 線圈)5，再透過準直鏡6到達試管7的內部。檢偏器8與起偏器一樣，僅通過某 一特定線偏振光。從檢偏器8出來的線偏振光透過物鏡9、濾色片10和光欄11到達光電倍增管12。光電倍增管12將光信號變電信號，這個電信號被前置放大14放 大，經過選頻濾波15后再由功率放大16進行功率放大，然后推動伺服電機19來帶 動機械傳動20,調整檢偏器8使之與起偏器4正交。當檢偏器8與起偏器4正交時， 機械傳動20將轉過的角度送給模數轉換21，并將模擬量換成數字信號通過數字顯示 22顯示出來。測速反饋18測得伺服電機19的轉動速度，通過非線性控制17調控 伺服電機的轉速。自動高壓13是按照入射到光電倍增管的光強自動改變光電倍增管 的電壓，以適應測量透過深色樣品的需要。
下面說明以往旋光儀的測量調制原理。
圖2中，橫軸是起偏器4的透射軸與檢偏器8的透射軸的相對角度，縱軸是到達 光電倍增管12的光的強度。當被測試物質具有旋光性時，由馬呂斯定理可得光強I 與旋轉角^之間的關系，關系式如下:
I = I0xcos2e (2)
式中的I。表示透射過被測試物質的光的強度。
圖3中采用法拉第磁光調制器，使光在媒體中傳播時，在其傳播方向上疊加上磁 場，則出現(xiàn)光的偏振方向將隨著法拉第線圈轉動而旋轉的現(xiàn)象。
光法拉第效應可以用下式表示
a=V*H*L (3)
式中，a為光振動面的旋轉角度，V為媒體(例如棒狀的鉛玻璃及鉛玻璃周圍形 成的螺旋線圈)的費爾常數，H為磁場強度，L為傳播距離，這里，V因媒體、光 的波長及溫度而異。
當光在其中傳播時，由于線圈內的磁場，使得光的震動的平面產生旋轉。通過控 制流過調制線圈的電流，能夠自由改變光振動面的旋轉角度。在圖3中，A表示到 達光電倍增管的光強，B、 C、 D分別表示由法拉第調制線圈引起的附加轉動的交變 光強.那么I就可以表示為下式.-
<formula>complex formula see original document page 5</formula>(4)
式中，t表示時間，^是旋轉角，-表示透過法拉第調制器線圈的振動面的振幅， W是其角頻率。
當起偏器4與檢偏器8正交的時候^為0，貝UI可以表示為
<formula>complex formula see original document page 5</formula> (5 )
不正交時^可用下式表示
<formula>complex formula see original document page 5</formula> (6) 2
若將式(5)代入(4)，則可以導出下式來<formula>complex formula see original document page 5</formula> (7 )
若設被測物質產生的旋光角及調制振幅較小，即I叫S1及|" 1，則(7)可以近
似表示為
<formula>complex formula see original document page 5</formula> (8)
由上式可以看出，在光電倍增管的輸入端含有直流分量、w角頻率和2Xw角頻
率的分量。設定選頻放大器的頻率為"^。則取出的分量為
<formula>complex formula see original document page 5</formula> (9)
這個分量(如上面介紹)就是驅動后續(xù)電路的信號。當檢偏器與起偏器正交的時 候。S的分量消失，電機停止轉動，數字顯示器顯示出起偏器轉過的角度。
以往旋光儀的電源主要由整流濾波電路和直流穩(wěn)流電路構成。圖4為其結構圖。
整流濾波電路，主要由Dbl-4禾卩Cbl構成。Dbl-4是橋式全波整流電路，Cbl是 濾波電容。
直流穩(wěn)流電路的穩(wěn)流過程-
當交流轉換開關K3在交流擋時，因為鈉光燈沒有接入支流穩(wěn)流電路，通過Rb2
的電流近似為零。Wb的中心到A點的電壓為0v，使Tbl的Ube為0v而使Tbl截 止使B點電位為29V。因為K3在交流擋，使Tbl、 Tb2、 Tb3構成的復合調整管的 發(fā)射極沒有支流通路，Tbl、 Tb2、 Tb3截止。當K3從交流擋轉換到支流擋時，復 合調整管的發(fā)射極通過BX2、 Na和Bb2到電源負極構成通路。在剛轉換到直流擋的 瞬間，因為B點電位約為29V ,使復合調整管的發(fā)射極電流較大，這一電流在取樣電 阻Rb2兩端產生右正左負的電壓也較大，這一電壓通過Wb的中心頭使取樣放大管 Tbl的Ube升高較多，Ube升高控制Tbl的集電極電位下降，即B點電位下降較多。B 點電位下降使復合調整管的基極電位下降,基極電位下降控制復合調整管的集電極 電流下降,直到穩(wěn)定為恒定電流10 ，復合調整管的集電極電流就是通過鈉光燈的直 流工作電流，即使通過鈉光燈的直流工作電流下降到恒定電流10 ,當某種原因使通 過鈉光燈的直流工作電流減小時，鈉光燈電流在Rb2兩端產生的電壓也減小，穩(wěn)流過 程與上述相反。也就是說在K3剛轉換到直流擋的瞬間，通過鈉光燈的直流工作電流 較大，由于穩(wěn)流電路的作用，使通過鈉光燈的直流工作電流立即下降到恒流值上。若 有某種原因使通過鈉光燈的直流工作電流減小，由于穩(wěn)流電路的作用，使通過鈉光燈 的直流工作電流立即回到恒流值上。恒流值的大小通過Wb進行調整。鈉光燈Na的 電流，以免鈉光燈過流或過壓損壞。CL、 RL是防止在接通或斷開鈉光燈的電源瞬間， 在BL兩端產生過高的反電勢，以免損壞交直流轉換開關K3和鈉光燈。BX2是過流 保險管，防止大電流損壞鈉光燈。Dbl 4將電源變壓器次級送來的24V/50Hz交流電 進行全波整流，通過Cbl濾波，在Cbl兩端得到約29V的直流電壓。
電路構成及元件作用主要由Tb 、 Tbl 、 Tb2 、 Tb3 、 Rbl 、 Rb2 、 Wb 、 Cb2 等元件構成。Tb 、 Tb2 、 Tb3構成復合調整管電路。Tbl與Wb取樣電阻Rb2等構 成取樣放大電路。Rbl既是復合調整管的偏流電阻,又是取樣放大電路的負載電阻。 Wb是鈉光燈工作電流調整電位器。
就上述旋光儀而言，雖然法拉第線圈提高了測試的精確度，但是用法拉第線圈增加了成本，而且目前市場上用的旋光儀的法拉第線圈用的交流電為50Hz，這樣的噪 聲和干擾都比較大，影響測量精度。電源部分的電路設計復雜，先用交流然后改直 流。鈉燈容易老化，鈉燈在交流擋工作正常，但當打到直流擋后容易發(fā)生熄滅或發(fā) 光過強等問題。

發(fā)明內容
針對上述現(xiàn)有技術中存在的缺陷，本發(fā)明所要解決的技術問題是提供一種體積 小，成本較低，能提高測量準確度的，并與傳統(tǒng)的法拉第線圈所完成的功能完全相 同的激光調頻旋光儀。
為了解決上述技術問題，本發(fā)明所提供的一種激光調頻旋光儀，包括機電部分 和光路部分，機電部分包括依次連接的光電倍增器、前置放大單元、選頻放大單元、
功率放大單元、伺服電機、機械傳動單元、模數轉換單元、數字顯示單元；光電倍 增管是將光信號轉換為電信號，這個電信號就是后續(xù)電路單元處理的對象。前置放 大單元是放大從光電倍增管發(fā)來的電信號，放大此信號以驅動選頻單元放大，在本 發(fā)明中，選頻放大單元選擇激光源頻率的信號而濾除其他頻率的信號。功率放大單 元是放大選頻放大后的信號，以便驅動伺服電機，使伺服電機帶動機械傳動單元調 整檢偏器的角度。最后將機械傳動單元轉過的角度通過模數轉換單元轉換為數字信 號，通過數字顯示單元顯示出來。伺服電機經測速反饋單元和非線性控制單元連接 并反饋控制功率放大單元，以控制電機的轉動速度；選頻放大單元經自動高壓單元 連接并調整光電倍增管的放大倍數，自動高壓單元用于按照入射到光電倍增管的光 強自動改變光電倍增管的電壓，以便適應不同濃度和顏色的物質，如適應測量透過 深色樣品的需要；其特征在于，光路部分依次包括能調頻的激光源、起偏器、用來 裝待測物質的試管、檢偏器和光電倍增管；激光源發(fā)出的激光通過起偏器變?yōu)榫€偏 振光，線偏振光經過試管內的旋光質旋轉，這束光再穿過檢偏器，進入光電倍增管，頻率為f的激光經過起偏器、待測物和檢偏器后的頻率不變，光電倍增管將光信號 轉換成電信號，并輸入前置放大單元，以驅動伺服電機。 進一步的，所述激光源的頻率調至lkHz—100kHz。
利用本發(fā)明提供的激光調頻旋光儀，由于采用頻率可調的激光源來代替以往的 法拉第線圈調制部分和鈉燈光源，與傳統(tǒng)的旋光儀相比，激光光源完成了傳統(tǒng)旋光 儀中的光源和法拉第磁感應線圈兩項功能，而且激光器的體積小，成本較低，所以 整體的成本也較低，且由于激光光強較強也提高測量的準確度。另外選用可調頻激
光光源替代鈉燈光或近紅外，輸出光強的頻率f可以調節(jié)。頻率為f的激光經過起 偏器、待測物和檢偏器后的頻率不變，這個頻率f就是選頻器所選的頻率。檢偏器 和起偏器正交時，通過檢偏器的光強頻率雖為f，可是光強很弱不足以帶動后續(xù)電路。 檢偏器和起偏器不正交時，光強頻率f被選頻放大帶動伺服電機轉動。這樣就完成 了傳統(tǒng)旋光儀中的法拉第線圈的功能。


圖1是現(xiàn)有技術中旋光儀的結構與原理示意圖2是現(xiàn)有技術中馬呂斯定律曲線示意圖3是現(xiàn)有技術中法拉第線圈的工作原理曲線示意圖4是現(xiàn)有技術中旋光儀的電源電路圖5是本發(fā)明實施實例的激光調頻旋光儀原理框圖6是本發(fā)明實施實例激光調頻電源的原理框圖。
具體實施例方式
以下結合

對本發(fā)明的實施例作進一步詳細描述，但本實施例并不用于 限制本發(fā)明，凡是采用本發(fā)明的相似結構及其相似變化，均應列入本發(fā)明的保護范 圍。
如圖5所示，本發(fā)明實施例所提供的一種激光調頻旋光儀，包括機電部分和光路
部分，機電部分包括依次連接的光電倍增管、前置放大單元、選頻放大單元、功率 放大單元、伺服電機、機械傳動單元、模數轉換單元、數字顯示單元；光電倍增管 是將光信號轉換為電信號，這個電信號就是后續(xù)電路單元處理的對象。前置放大單 元是放大從光電倍增管發(fā)來的電信號，放大此信號以驅動選頻單元放大，在本發(fā)明 中，選頻放大單元選擇激光源頻率的信號而濾除其他頻率的信號。功率放大單元是 放大選頻放大后的信號，以便驅動伺服電機，使伺服電機帶動機械傳動單元調整檢 偏器的角度。最后將機械傳動單元轉過的角度通過模數轉換單元轉換為數字信號， 通過數字顯示單元顯示出來。激光源是可以調頻率的，用來發(fā)射激光。起偏器只通 過某一特定振動平面的光，其他振動平面的光被濾除。試管用來裝待測物質。檢偏 器的原理和起偏器一樣，只通過特定振動平面的光。伺服電機經測速反饋單元和非 線性控制單元連接并反饋控制功率放大單元，以控制電機的轉動速度；選頻放大單 元經自動高壓單元連接并調整光電倍增管的放大倍數，自動高壓單元是按照入射到 光電倍增管的光強自動改變光電倍增管的電壓，以便適應不同濃度和顏色的物質， 如適應測量透過深色樣品的需要；其特征在于，光路部分依次包括能調頻的激光源、 尼科爾棱鏡起偏器、用來裝待測物質的試管、尼科爾棱鏡檢偏器和光電倍增管；激 光源發(fā)出的光頻為f的激光通過尼科爾棱鏡起偏器變?yōu)榫€偏振光，現(xiàn)偏振光經過試 管內的旋光質旋轉了 a角度，這束光穿過尼科爾棱鏡檢偏器，光電倍增管將光信號 轉換成電信號，并輸入前置放大單元；前置放大單元將光電倍增管傳來的信號放大， 電信號被選頻放大單元選取f頻率的信號。雖然激光的頻率經過上述的過程頻率沒 有改變，但是為了減小誤差提高靈敏度，仍然用選頻放大單元。f頻率的信號經功率 放大單元，以驅動伺服電機。
如圖6所示，本發(fā)明實施實例激光調頻旋光儀的能調頻的激光源，由供電模塊 經驅動模塊連接LD激光輸出單元，并由LD激光輸出單元經管內PD反饋單元、電 流轉電壓單元、反饋量控制模塊連接并反饋控制驅動模塊；由供電模塊提供功率的輸出，再由驅動模塊提供驅動電流和電流反饋量，驅動電流即可驅動LD激光輸出單 元的半導體激光器產生光功率輸出。采用光功率反饋，則在LD輸出的光功率信號經 管內PD取樣后產生的電流信號通過電流換電壓單元的轉換，作為反饋量被送入反饋 量控制模塊，以控制驅動模塊，達到控制激光輸出的目的，通過供電方式的不同來 控制激光的頻率。
權利要求
1、一種激光調頻旋光儀，包括機電部分和光路部分，機電部分包括依次連接的光電倍增管、前置放大單元、選頻放大單元、功率放大單元、伺服電機、機械傳動單元、模數轉換單元、數字顯示單元；所述光電倍增管用于將光信號轉換為電信號，所述前置放大單元用于放大從光電倍增管發(fā)來的電信號，所述功率放大單元用于放大選頻放大后的信號，以便驅動所述伺服電機，使伺服電機帶動所述機械傳動單元調整檢偏器的角度；伺服電機經測速反饋單元和非線性控制單元連接并反饋控制功率放大單元，以控制電機的轉動速度；選頻放大單元經自動高壓單元連接并調整光電倍增管的放大倍數；其特征在于，光路部分依次包括能調頻的激光源、起偏器、用來裝待測物質的試管、檢偏器和光電倍增器；激光源發(fā)出的激光通過起偏器變?yōu)榫€偏振光，線偏振光經過試管內的旋光質后旋轉，這束光再穿過檢偏器，進入光電倍增管；所述選頻放大單元用于選擇激光源頻率的信號而濾除其它頻率的信號。
全文摘要
本發(fā)明公開一種激光調頻旋光儀，涉及旋光測量儀技術領域；所要解決的是體積小、成本低、測量準確度高的旋光儀技術問題；該旋光儀，包括機電部分和光路部分，其特征在于，光路部分依次包括能調頻的激光源、起偏器、用來裝待測物質的試管、檢偏器和光電倍增管；激光源發(fā)出的激光通過起偏器變?yōu)榫€偏振光，線偏振光經過試管內的旋光物質后振動面旋轉，這束光再穿過檢偏器，進入光電倍增管；所述選頻放大單元用于選擇激光源頻率的信號而濾除其它頻率的信號。本發(fā)明的激光調頻旋光儀與傳統(tǒng)的旋光儀所完成的功能完全相同，且具有體積小、成本低、測量準確度高的特點。
文檔編號G01N21/21GK101196468SQ20071017202
公開日2008年6月11日 申請日期2007年12月11日 優(yōu)先權日2007年12月11日
發(fā)明者姜博實, 李倩倩, 賈宏志, 濤 金 申請人:上海理工大學