測量旋光質旋轉角的旋光儀及其測量方法
2023-07-26 16:28:26 3
專利名稱：測量旋光質旋轉角的旋光儀及其測量方法
技術領域：
本發明涉及檢測技術，特別是涉及一種測量旋光質旋轉角的旋光儀及其測量方法 的技術。
技術背景旋光分析法(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。用於測量旋光度的儀器，被稱為旋光儀。旋光法多用於糖類的 含量測定，近年來，製藥、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 (線偏振光經物質後傳播路徑轉過的角度)與旋光物質溶液體 積百分比濃度c及偏振光所通過的溶液厚度1成正比，a=kcl C1)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製器(法拉第 線圏)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 一特定振動平面的線偏振光。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後再由功率放大16進行功率放大，然後推動伺服電 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，並由模數轉換21將模擬量 換成數位訊號通過數字顯示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製原理。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P之間的關係，關係式如下/ = /0xcos2^ (2)式中的I。表示透射過被測試物質的光的強度。圖3中採用法拉第磁光調製器，使光在媒體中傳播時，在其傳播方向上疊加上磁 場，則出現光的偏振方向將隨著法拉第線圈轉動而旋轉的現象。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，這裡，V因媒體、光 的波長及溫度而異。當光在其中傳播時，由於線圈內的磁場，使得光的振動的平面產生旋轉。通過控 制流過調製線圈的電壓，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製線圈引起的附加轉動的交變光強.那麼I就可以表示為下式/ = /0xcos2[(9 + /7sin(6O] (4) 式中，t表示時間，"表示透過法拉第調製線圈的振動面的振幅，o是其角頻率。當起偏器4與檢偏器8正交的時候^為0，貝U可以表示為/"oXcos2["sin(G^)] (5) 不正交時P可用下式表示6 = 2 + 3 (6) 2若將式(5)代入(4)，則可以導出下式來/ =/0 xsin2[5 + / sin(M^)] (7) 若設被測物質產生的旋光角及調製振幅較小，即問"及|〃—1，則(6)可以近似表示為=+ sinO/) + [sin(,2 (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。所以設定選頻放大器的頻率為！。則取出的分量為5 = 2,傘) (9) 這個分量如上面介紹就驅動後續電路的信號。此信號驅動伺服電機的轉動來帶動 機械傳動調整檢偏器使之與起偏器正交，當檢偏器與起偏器正交的時候，S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。就上述技術而言，這個旋轉角的測量方法是通過機電相結合的方式來實現的， 過程複雜，靈敏不夠高。而且電機的成本較高，市面上有用步進電機來提高精確度 但成本更高。為此本發明提出了一種新的測量方法的旋光儀，目的是省去了機械部 分，直接對光電倍增管出來的電信號處理，減少誤差，提高靈敏度，同時大大降低成本。 發明內容針對上述現有技術中存在的缺陷，本發明所要解決的技術問題是提供一種體積 小、靈敏度高、成本較低、能提高測量準確度的，並與傳統的機電部分所完成的功 能完全相同的測量旋光質旋轉角的旋光儀及其測量方法。為了解決上述技術問題，本發明所提供的一種測量旋光質旋轉角的旋光儀，包 括光路部分和電路部分，光路部分依次包括光源、起偏器、法拉第磁光調製線圈、 用來裝待測物質的試管、檢偏器和光電倍增管；光源發出的光通過起偏器變為線偏 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， 光電倍增管將光信號轉換成電信號，並輸入前置放大單元；其特徵在於，電路部分 包括依次連接的光電倍增器、前置放大單元、選頻放大單元、模數轉換單元、單片 機單元、數字顯示單元；還包括分別連接法拉第磁光調製線圈和單片機單元的信號 發生單元；光電倍增管用於將光信號轉換為電信號；前置放大單元用於放大從光電 倍增管發來的電信號，放大此信號以驅動選頻單元放大，選頻放大單元用於選擇與 驅動法拉第磁光調製線圈工作的信號相同的頻率而濾除其他頻率的信號；模數轉換 單元用於將選頻放大單元出來的模擬信號轉換為數位訊號；單片機單元用於計算模 數轉換單元輸出的信號與信號發生單元的信號之間的相位差，並根據這個相位差得 到旋轉角，此角度通過數字顯示單元顯示出來；信號發生單元為法拉第線圈和單片 機提供信號，選頻放大單元經自動高壓單元連接並調整光電倍增管的放大倍數，自 動高壓單元用於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。本發明實施例所述測量旋光質旋轉角的旋光儀的測量方法，其步驟如下l)在 未加物質時調整起偏器和檢偏器正交並固定；2)在試管加入旋光物質後，光通過所 述光路部分到達光電倍增管，從光電倍增管輸出的是一個交流信號；3)該交流信號經前置放大單元的放大、選頻放大單元的選頻、模數轉換單元的模數轉換後輸入單片機單元，所述單片機單元將所述信號的相位與信號發生單元的信號的相位進行比對經計算得出旋轉角，即由二信號的相位差得到旋光物質的旋轉角。利用本發明提供的測量旋光質旋轉角的旋光儀及其測量方法，由於採用電信號處理的方式來測量旋光質的旋轉角，從而省去了傳統旋光儀中的機電部分，特別是步進電機、機械傳動等機械部件，減少誤差，特別是免除了電機與機械傳動連接以及機械傳動部分轉過的角度和模數轉換部分之間轉換的誤差，提高靈敏度，同時大大降低成本，減少儀器體積，便於調節，易於操作維修，測量速度快。
圖1是現有技術中旋光儀的機構與原理圖； 圖2是馬呂斯定律曲線示意圖；圖3是現有技術中法拉第線圈工作原理的曲線示意圖；圖4是本發明實施實例的測量旋光質旋轉角的旋光儀的原理框圖。
具體實施方式
以下結合
對本發明的實施例作進一步詳細描述，但本實施例並不用於 限制本發明，凡是採用本發明的相似結構及其相似變化，均應列入本發明的保護範 圍。如圖4所示，本發明實施例所提供的一種測量旋光質旋轉角的旋光儀，包括光 路部分和電路部分，光路部分依次包括光源、起偏器、法拉第磁光調製線圈、用來 裝待測物質的試管、檢偏器和光電倍增管；光源發出的光通過起偏器變為線偏振光， 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，光電 倍增管將光信號轉換成電信號，並輸入前置放大單元；其特徵在於，電路部分包括 依次連接的光電倍增器、前置放大單元、選頻放大單元、模數轉換單元、信號發生 單元、單片機單元、數字顯示單元；信號發生單元分別連接法拉第調製線圈和單片機單元；光電倍增管用於將光信號轉換為電信號，這個電信號就是後續電路單元處 理的對象；前置放大單元用於放大從光電倍增管發來的電信號，放大此信號以驅動 選頻單元放大，選頻放大單元用於選擇與驅動法拉第磁光調製線圈工作的信號相同 的頻率而濾除其他頻率的信號；在本發明中，模數轉換單元用於將選頻放大單元出 來的模擬信號轉換為數位訊號；單片機單元用於計算模數轉換單元輸出的信號與信 號發生單元的信號之間的相位差,並根據這個相位差得到旋轉角，此角度通過數字顯 示單元顯示出來；信號發生單元為法拉第線圈和單片機提供信號，選頻放大單元經 自動高壓單元連接並調整光電倍增管的放大倍數，自動高壓單元用於按照入射到光 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。本發明實施例所述測量旋光質旋轉角的旋光儀的測量方法，其步驟如下l)在 未加物質時調整起偏器和檢偏器正交並固定；2)在試管加入旋光物質後，光通過所 述光路部分到達光電倍增管，從光電倍增管出來的是一個交流信號；3)該交流信號 的頻率與法拉第線圈的轉動頻率相同，但是對比這個兩個周期信號發現,它們的之間 存在一定的相位差,這個相位差是由旋光物質的旋轉角引起的，因此檢測這個相位差 就可以得到旋光物質的旋轉角，所述單片機單元是把從模數轉換單元輸出信號的相 位與信號發生單元的信號的相位比較，將信號發生器單元信號的半個周期時間減去 模數轉換單元信號的兩次到達光學零點的時間，這個差值有正負值之分，利用正負 值可以判斷左旋還是右旋，對相位差值計算並得出旋轉角，即由二信號的相位差得 到旋轉角；這樣就用電路部分完成了傳統旋光儀中的機電部分的功能。
權利要求
1、一種測量旋光質旋轉角的旋光儀，包括光路部分和電路部分，光路部分依次包括光源、起偏器、法拉第磁光調製線圈、用來裝待測物質的試管、檢偏器和光電倍增管；光源發出的光通過起偏器變為線偏振光，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，光電倍增管將光信號轉換成電信號，並輸入前置放大單元；其特徵在於，電路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、模數轉換單元、單片機單元、數字顯示單元；還包括分別連接法拉第磁光調製線圈和單片機單元的信號發生單元；前置放大單元用於放大從光電倍增管發來的電信號，放大此信號以驅動選頻單元放大，選頻放大單元用於選擇與驅動法拉第磁光調製線圈工作的信號相同的頻率而濾除其他頻率的信號；模數轉換單元用於將選頻放大單元出來的模擬信號轉換為數位訊號；單片機單元用於計算模數轉換單元輸出的信號與信號發生單元的信號之間的相位差，並根據這個相位差得到旋轉角，此角度通過數字顯示單元顯示出來；信號發生單元為法拉第線圈和單片機提供信號，選頻放大單元經自動高壓單元連接並調整光電倍增管的放大倍數，自動高壓單元用於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。
2、一種權利要求1所述的測量旋光質旋轉角的旋光儀的測量方法，其特徵在於， 測量方法的步驟如下1)在未加物質時調整起偏器和檢偏器正交並固定；2)在試 管加入旋光物質後，光通過所述光路部分到達光電倍增管，從光電倍增管輸出的是 一個交流信號；3)該交流信號經前置放大單元的放大、選頻放大單元的選頻、模數 轉換單元的模數轉換後輸入單片機單元，所述單片機單元將所述信號的相位與信號 發生單元的信號的相位進行比對經計算得出旋轉角，即由二信號的相位差得到旋光 物質的旋轉角。
全文摘要
一種測量旋光質旋轉角的旋光儀，涉及檢測技術領域；所要解決的是旋光儀的降低成本、減少體積、測量速度快的技術問題；該旋光儀包括光路部分和電路部分，光路部分依次包括光源、起偏器、法拉第磁光調製線圈、用來裝待測物質的試管、檢偏器和光電倍增管；電路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、模數轉換單元、單片機單元、數字顯示單元；還包括分別連接法拉第磁光調製線圈和單片機單元的信號發生單元；單片機單元用於計算模數轉換單元輸出的信號與信號發生單元的信號之間的相位差，並根據這個相位差得到旋轉角，此角度通過數字顯示單元顯示出來。本發明具有體積小、靈敏度高、成本較低、提高測量準確度的特點。
文檔編號G01N21/21GK101241070SQ200810034439
公開日2008年8月13日 申請日期2008年3月11日 優先權日2008年3月11日
發明者林 馮, 賈宏志, 濤 金 申請人:上海理工大學