基于重心算法的激光調(diào)頻雙光路旋光儀及測(cè)量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種檢測(cè)旋光儀，特別涉及一種基于重心算法的激光調(diào)頻雙光路旋光儀及測(cè)量方法。
【背景技術(shù)】
[0002]線偏振光通過某些光學(xué)活性化合物或其溶液時(shí)，其振動(dòng)面會(huì)繞著光軸發(fā)生偏轉(zhuǎn)的現(xiàn)象稱為旋光現(xiàn)象，旋轉(zhuǎn)的角度稱為旋光度。旋光分析法(簡(jiǎn)稱旋光法)是利用線偏振光，通過含有化學(xué)活性物質(zhì)的溶液或液體時(shí)引起旋光現(xiàn)象，使通過的偏振光的振動(dòng)平面向左或向右旋轉(zhuǎn)。因此，在一定的條件下，利用檢測(cè)線偏振光通過某些物質(zhì)后振動(dòng)面旋轉(zhuǎn)的方向和度數(shù)來分析某些化合物的旋光性，或檢測(cè)化合物的雜質(zhì)、純度和含量。用于測(cè)量旋光度的儀器，被稱為旋光儀。旋光法多用于測(cè)定糖濃度，近年來，旋光法也逐漸運(yùn)用于制藥、食品加工、化工和生化分析等領(lǐng)域。
[0003]根據(jù)畢奧定理，物質(zhì)的旋光度的大小與物質(zhì)的溫度和線偏振光的波長(zhǎng)有關(guān)。有些物質(zhì)的旋光度隨溫度的升高而增加，如石英等。然而如蔗糖等物質(zhì)隨溫度的升高而減小。此夕卜，線偏振光的波長(zhǎng)不同，對(duì)應(yīng)的旋光度也不同。
[0004]旋光質(zhì)的旋光度a(線偏振光經(jīng)物質(zhì)后振動(dòng)面沿傳播方向轉(zhuǎn)過的角度)與旋光物質(zhì)溶液體積百分比濃度c及偏振光所通過的溶液長(zhǎng)度1成正比，a=kcl (1)，其中c為g/100ml，1 為 mmη
[0005]傳統(tǒng)的旋光儀的結(jié)構(gòu)原理示意圖如圖1所示，采用鈉光燈為光源1，經(jīng)小孔光闌2、物鏡3、濾光片4后可以得到一束較為簡(jiǎn)單的平行光如圖1所示，平行光經(jīng)起偏器(I ) 5后成為線偏振光，其振動(dòng)平面為00如圖2 (a),當(dāng)偏振光經(jīng)法拉第線圈6時(shí)，由于磁致旋光，使線偏振光的振動(dòng)平面產(chǎn)生50Hz的β角往復(fù)擺動(dòng)如圖2 (b)，光線經(jīng)過檢偏器(II) 8投射到光電轉(zhuǎn)換器9上，產(chǎn)生交變的電信號(hào)，當(dāng)通過裝有樣品的樣品管7后的偏振光振動(dòng)面旋轉(zhuǎn)度如圖2(c)，儀器示數(shù)平衡后起偏器5反向轉(zhuǎn)過α 1度補(bǔ)償了樣品的旋光度，如圖2(d)，光電轉(zhuǎn)換器9接收的信號(hào)通過前置放大器10、自動(dòng)高壓電路11后再通過選頻放大器12、功率放大器13輸出，驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)14。
[0006]圖3為現(xiàn)有技術(shù)中法拉第線圈工作原理的曲線示意圖，如圖3所示，儀器以兩偏振鏡5、8光軸正交時(shí)(即00丄PP)作為光學(xué)零點(diǎn)，樣品管中未放入旋光物質(zhì)，此時(shí)α=0°。法拉第線圈6產(chǎn)生以頻率為50Hz的β角擺動(dòng)(圖3(a))，在光電轉(zhuǎn)換器得到100Hz的電信號(hào)(圖3(d))，當(dāng)樣品管中放入有a i度或α 2度的試樣時(shí)光電轉(zhuǎn)換器得到50Hz的電信號(hào)(圖3(b)、(c))，但它們的相位正好相反(圖3 (e)、圖3 (f))0因此，能使工作頻率為50Hz的伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。伺服電機(jī)14通過蝸輪蝸桿15將偏振鏡5轉(zhuǎn)過α ( α = α減α = α 2)，儀器回到光學(xué)零點(diǎn)，伺服電機(jī)14在100Hz信號(hào)的控制下，重新出現(xiàn)平衡指示。
[0007]綜上所訴，這種測(cè)旋光度的方法是采用法拉第線圈調(diào)制光信號(hào)，但法拉第線圈的工作電壓高，功耗大，體積大，且調(diào)制頻率為50Hz，頻率低，易受工頻干擾，嚴(yán)重影響測(cè)量精度。另外該方法中采用的光源為鈉光燈，功耗較大，易老化。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明是針對(duì)傳統(tǒng)的旋光儀功耗大、測(cè)量精度易受到干擾的問題，提出了一種基于重心算法的激光調(diào)頻雙光路旋光儀及測(cè)量方法，與傳統(tǒng)旋光儀完成相同的旋光度測(cè)量，但利用分光形成雙光路結(jié)構(gòu)，消除了光源的不穩(wěn)定的影響，實(shí)現(xiàn)儀器實(shí)時(shí)調(diào)零的功能，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)數(shù)字化控制，大大減小誤差，提高了精度。
[0009]本發(fā)明的技術(shù)方案為:一種基于重心算法的激光調(diào)頻雙光路旋光儀，包括光路部分和電路部分，所述光路部分由可調(diào)頻半導(dǎo)體激光器、起偏器、消偏振分光棱鏡、消偏振反射鏡、樣品管、檢偏器和光電轉(zhuǎn)換器組成，所述可調(diào)頻半導(dǎo)體激光器發(fā)出的光束依次通過起偏器、消偏振分光棱鏡、消偏振反射鏡后分成二條光束、一條光束通過樣品管、檢偏器進(jìn)入光電轉(zhuǎn)換器；另一條光束通過消偏振反射鏡、檢偏器進(jìn)入光電轉(zhuǎn)換器，光電轉(zhuǎn)換器連接電路部分，電路部分由信號(hào)發(fā)生電路、前置放大電路、選頻電路、包絡(luò)檢波電路、限幅鉗位電路、微處理器單元和步進(jìn)電機(jī)組成；微處理器單元包括微處理器模數(shù)轉(zhuǎn)換單元、微處理器數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元、微處理器數(shù)據(jù)處理單元、微處理器數(shù)字顯示單元；所述信號(hào)發(fā)生電路產(chǎn)生的高頻信號(hào)加載到可調(diào)頻半導(dǎo)體激光器上，同時(shí)發(fā)出信號(hào)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)連接起偏器，帶動(dòng)起偏器轉(zhuǎn)動(dòng)；所述光電轉(zhuǎn)換的電信號(hào)依次通過前置放大電路、選頻電路、包絡(luò)檢波電路、限幅鉗位電路后輸出至微處理器單元中的模數(shù)轉(zhuǎn)換單元，經(jīng)過轉(zhuǎn)換的模擬信號(hào)以數(shù)字信號(hào)的形式輸出存儲(chǔ)在微處理器數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元，微處理器數(shù)據(jù)處理單元對(duì)存儲(chǔ)單元中的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理后將結(jié)果輸出到數(shù)字顯示單元。
[0010]一種基于重心算法的激光調(diào)頻雙光路旋光儀的測(cè)量方法，采用基于重心算法的激光調(diào)頻雙光路旋光儀，測(cè)量具體步驟如下:
1)調(diào)節(jié)光路，并調(diào)整起偏器和檢偏器，使起偏器和檢偏器處在正交位置并固定；
2)在樣品管中加入旋光物質(zhì)后，使信號(hào)發(fā)生電路產(chǎn)生頻率為f的方波信號(hào)，并加載到可調(diào)頻半導(dǎo)體激光器上，頻率為f的光經(jīng)過起偏器后成為線偏振光，線偏振光經(jīng)過消偏振分光棱鏡后分成兩束線偏振光，一束線偏振光經(jīng)過消偏振反射鏡直接到大口徑的檢偏器，另一束線偏振光經(jīng)過樣品管中的旋光物質(zhì)后偏振態(tài)發(fā)生旋轉(zhuǎn)，再經(jīng)過檢偏器，經(jīng)過檢偏器后分別由兩個(gè)光電轉(zhuǎn)換器接收，光電轉(zhuǎn)換器將兩條頻率為f的光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)轭l率為f的交流?目號(hào);
3)光電轉(zhuǎn)換器輸出頻率為f的兩條交流信號(hào)在電路部分分別依次經(jīng)前置放大電路、選頻電路、包絡(luò)檢波電路，限幅鉗位電路的輸入保護(hù)后進(jìn)入微處理器的模數(shù)轉(zhuǎn)換單元轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)存儲(chǔ)到微處理器數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元；
4)信號(hào)發(fā)生電路發(fā)出信號(hào)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)起偏器轉(zhuǎn)動(dòng)，光電轉(zhuǎn)換器的交流信號(hào)強(qiáng)度發(fā)生變化，重復(fù)步驟3)，微處理器數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元記錄儲(chǔ)存每個(gè)信號(hào)；
5)微處理器對(duì)存儲(chǔ)的兩組數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，通過快速傅里葉分解，然后再數(shù)字濾波，最后通過包絡(luò)檢波的方法得到兩條頻率為f信號(hào)的幅值和步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度的曲線，最終通過重心法計(jì)算出旋光角進(jìn)而得知溶液濃度。
[0011]
本發(fā)明的有益效果在于:本發(fā)明的基于重心算法的激光調(diào)頻雙光路旋光儀及測(cè)量方法，應(yīng)用消偏振分光棱鏡構(gòu)建雙光路結(jié)構(gòu)，可消除光源不穩(wěn)定的影響，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)調(diào)零的功能，完成旋光角度的測(cè)量，具有體積小，成本低，功耗低等特點(diǎn)；使用重心算法，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)數(shù)字化，大大提高測(cè)量精度。
【附圖說明】
[0012]圖1為現(xiàn)有技術(shù)旋光儀的結(jié)構(gòu)原理示意圖；
圖2為現(xiàn)有技術(shù)偏振光的振動(dòng)情況
圖3為現(xiàn)有技術(shù)法拉第線圈工作原理的曲線示意圖；
圖4為雙光路馬呂斯定律曲線示意圖；
圖5為本發(fā)明的基于重心算法的激光調(diào)頻雙光路旋光儀的原理框圖。
【具體實(shí)施方式】
[0013]如圖5所示，一種基于重心算法的激光調(diào)頻雙光路旋光儀，包括光路部分和電路部分，光路部分依次包括可調(diào)頻半導(dǎo)體激光光源21、起偏器22、消偏振分光棱鏡23、消偏振反射鏡24、樣品管25和大口徑的檢偏器26?？烧{(diào)頻半導(dǎo)體激光器21發(fā)出的光束依次通過起偏器22、消偏振分光棱鏡23、消偏振反射鏡24后分成二束、一束通過樣品管25、檢偏器26進(jìn)入光電轉(zhuǎn)換器A27 ;另一束通過消偏振反射鏡24、檢偏器26進(jìn)入光電轉(zhuǎn)換器B28，電路部分包括依次為光電轉(zhuǎn)換器A27和光電轉(zhuǎn)換器B28、前置放大電路29、選頻電路30、包絡(luò)檢波電路31、限幅鉗位電路32、微處理器單元33、步進(jìn)電機(jī)44、信號(hào)發(fā)生電路35。微處理器單元33包括微處理器模數(shù)轉(zhuǎn)換單元、微處理器數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元、微處理器數(shù)據(jù)處理單元；信號(hào)發(fā)生電路35產(chǎn)生的高頻信號(hào)加載到可調(diào)頻半導(dǎo)體激光器21上，同時(shí)向步進(jìn)電機(jī)34發(fā)出驅(qū)動(dòng)信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)34連接起偏器22，帶動(dòng)起偏器22轉(zhuǎn)動(dòng)；光電轉(zhuǎn)換的電信號(hào)依次通過前置放大電路29、選頻電路30、包絡(luò)檢波電路31、限幅鉗位電路32后輸入到微處理器單元33中的微處理器模數(shù)轉(zhuǎn)換單元，微處理器模數(shù)轉(zhuǎn)