專利名稱：激光調(diào)頻旋光儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及檢測(cè)技術(shù)，特別是涉及一種使用調(diào)頻激光的旋光儀的技術(shù)。
背景技術(shù)：
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，使通過的偏振光平面向左或向右旋轉(zhuǎn)。因此，在一定的條件下， 檢測(cè)線偏振光旋轉(zhuǎn)的方向和度數(shù)，可以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，被成為旋光儀。旋光法多用于糖類的 含量測(cè)定，近年來，制藥、食品加工、化工和生化分析等領(lǐng)域也都涉及到這一方法。
物質(zhì)的旋光度的大小與下列因素有關(guān) 一是與物質(zhì)的溫度有關(guān)。有的物質(zhì)隨溫度 的升高而增加，如石英等。有的物質(zhì)隨溫度的而減小，如蔗糖等。二是與線偏振光 的波長(zhǎng)有關(guān)，波長(zhǎng)不同，旋光度也不同。
旋光質(zhì)的旋光度a (線偏振光經(jīng)物質(zhì)后傳播路徑轉(zhuǎn)過的角度)與旋光物質(zhì)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(jié)構(gòu)與原理圖。
由鈉燈1，聚光鏡2和場(chǎng)鏡3構(gòu)成光源部分，發(fā)出波長(zhǎng)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(diào)制器(法拉第 線圈)5，再透過準(zhǔn)直鏡6到達(dá)試管7的內(nèi)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(dá)光電倍增管12。光電倍增管12將光信號(hào)變電信號(hào)，這個(gè)電信號(hào)被前置放大14放 大，經(jīng)過選頻濾波15后再由功率放大16進(jìn)行功率放大，然后推動(dòng)伺服電機(jī)19來帶 動(dòng)機(jī)械傳動(dòng)20,調(diào)整檢偏器8使之與起偏器4正交。當(dāng)檢偏器8與起偏器4正交時(shí)， 機(jī)械傳動(dòng)20將轉(zhuǎn)過的角度送給模數(shù)轉(zhuǎn)換21，并將模擬量換成數(shù)字信號(hào)通過數(shù)字顯示 22顯示出來。測(cè)速反饋18測(cè)得伺服電機(jī)19的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，通過非線性控制17調(diào)控 伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速。自動(dòng)高壓13是按照入射到光電倍增管的光強(qiáng)自動(dòng)改變光電倍增管 的電壓，以適應(yīng)測(cè)量透過深色樣品的需要。
下面說明以往旋光儀的測(cè)量調(diào)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(duì)角度，縱軸是到達(dá) 光電倍增管12的光的強(qiáng)度。當(dāng)被測(cè)試物質(zhì)具有旋光性時(shí)，由馬呂斯定理可得光強(qiáng)I 與旋轉(zhuǎn)角^之間的關(guān)系，關(guān)系式如下:
I = I0xcos2e (2)
式中的I。表示透射過被測(cè)試物質(zhì)的光的強(qiáng)度。
圖3中采用法拉第磁光調(diào)制器，使光在媒體中傳播時(shí)，在其傳播方向上疊加上磁 場(chǎng)，則出現(xiàn)光的偏振方向?qū)㈦S著法拉第線圈轉(zhuǎn)動(dòng)而旋轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。
光法拉第效應(yīng)可以用下式表示
a=V*H*L (3)
式中，a為光振動(dòng)面的旋轉(zhuǎn)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(fèi)爾常數(shù)，H為磁場(chǎng)強(qiáng)度，L為傳播距離，這里，V因媒體、光 的波長(zhǎng)及溫度而異。
當(dāng)光在其中傳播時(shí)，由于線圈內(nèi)的磁場(chǎng)，使得光的震動(dòng)的平面產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)。通過控 制流過調(diào)制線圈的電流，能夠自由改變光振動(dòng)面的旋轉(zhuǎn)角度。在圖3中，A表示到 達(dá)光電倍增管的光強(qiáng)，B、 C、 D分別表示由法拉第調(diào)制線圈引起的附加轉(zhuǎn)動(dòng)的交變 光強(qiáng).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(shí)間，^是旋轉(zhuǎn)角，-表示透過法拉第調(diào)制器線圈的振動(dòng)面的振幅， W是其角頻率。
當(dāng)起偏器4與檢偏器8正交的時(shí)候^為0，貝UI可以表示為
<formula>complex formula see original document page 5</formula> (5 )
不正交時(shí)^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(dǎo)出下式來<formula>complex formula see original document page 5</formula> (7 )
若設(shè)被測(cè)物質(zhì)產(chǎn)生的旋光角及調(diào)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(shè)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(gè)分量(如上面介紹)就是驅(qū)動(dòng)后續(xù)電路的信號(hào)。當(dāng)檢偏器與起偏器正交的時(shí) 候。S的分量消失，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，數(shù)字顯示器顯示出起偏器轉(zhuǎn)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(gòu)成。圖4為其結(jié)構(gòu)圖。
整流濾波電路，主要由Dbl-4禾卩Cbl構(gòu)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(dāng)交流轉(zhuǎn)換開關(guān)K3在交流擋時(shí)，因?yàn)殁c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(diǎn)的電壓為0v，使Tbl的Ube為0v而使Tbl截 止使B點(diǎn)電位為29V。因?yàn)镵3在交流擋，使Tbl、 Tb2、 Tb3構(gòu)成的復(fù)合調(diào)整管的 發(fā)射極沒有支流通路，Tbl、 Tb2、 Tb3截止。當(dāng)K3從交流擋轉(zhuǎn)換到支流擋時(shí)，復(fù) 合調(diào)整管的發(fā)射極通過BX2、 Na和Bb2到電源負(fù)極構(gòu)成通路。在剛轉(zhuǎn)換到直流擋的 瞬間，因?yàn)锽點(diǎn)電位約為29V ,使復(fù)合調(diào)整管的發(fā)射極電流較大，這一電流在取樣電 阻Rb2兩端產(chǎn)生右正左負(fù)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(diǎn)電位下降較多。B 點(diǎn)電位下降使復(fù)合調(diào)整管的基極電位下降,基極電位下降控制復(fù)合調(diào)整管的集電極 電流下降,直到穩(wěn)定為恒定電流10 ，復(fù)合調(diào)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(dāng)某種原因使通 過鈉光燈的直流工作電流減小時(shí)，鈉光燈電流在Rb2兩端產(chǎn)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(zhuǎn)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(jìn)行調(diào)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(chǎn)生過高的反電勢(shì)，以免損壞交直流轉(zhuǎn)換開關(guān)K3和鈉光燈。BX2是過流 保險(xiǎn)管，防止大電流損壞鈉光燈。Dbl 4將電源變壓器次級(jí)送來的24V/50Hz交流電 進(jìn)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(gòu)成及元件作用主要由Tb 、 Tbl 、 Tb2 、 Tb3 、 Rbl 、 Rb2 、 Wb 、 Cb2 等元件構(gòu)成。Tb 、 Tb2 、 Tb3構(gòu)成復(fù)合調(diào)整管電路。Tbl與Wb取樣電阻Rb2等構(gòu) 成取樣放大電路。Rbl既是復(fù)合調(diào)整管的偏流電阻,又是取樣放大電路的負(fù)載電阻。 Wb是鈉光燈工作電流調(diào)整電位器。
就上述旋光儀而言，雖然法拉第線圈提高了測(cè)試的精確度，但是用法拉第線圈增加了成本，而且目前市場(chǎng)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(cè)量精度。電源部分的電路設(shè)計(jì)復(fù)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(dāng)打到直流擋后容易發(fā)生熄滅或發(fā) 光過強(qiáng)等問題。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種體積 小，成本較低，能提高測(cè)量準(zhǔn)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(diào)頻旋光儀。
為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所提供的一種激光調(diào)頻旋光儀，包括機(jī)電部分 和光路部分，機(jī)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(jī)、機(jī)械傳動(dòng)單元、模數(shù)轉(zhuǎn)換單元、數(shù)字顯示單元；光電倍 增管是將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，這個(gè)電信號(hào)就是后續(xù)電路單元處理的對(duì)象。前置放 大單元是放大從光電倍增管發(fā)來的電信號(hào)，放大此信號(hào)以驅(qū)動(dòng)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(hào)而濾除其他頻率的信號(hào)。功率放大單 元是放大選頻放大后的信號(hào)，以便驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)，使伺服電機(jī)帶動(dòng)機(jī)械傳動(dòng)單元調(diào) 整檢偏器的角度。最后將機(jī)械傳動(dòng)單元轉(zhuǎn)過的角度通過模數(shù)轉(zhuǎn)換單元轉(zhuǎn)換為數(shù)字信 號(hào)，通過數(shù)字顯示單元顯示出來。伺服電機(jī)經(jīng)測(cè)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(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度；選頻放大單元經(jīng)自動(dòng)高壓?jiǎn)卧?連接并調(diào)整光電倍增管的放大倍數(shù)，自動(dòng)高壓?jiǎn)卧糜诎凑杖肷涞焦怆姳对龉艿墓?強(qiáng)自動(dòng)改變光電倍增管的電壓，以便適應(yīng)不同濃度和顏色的物質(zhì)，如適應(yīng)測(cè)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(diào)頻的激光源、起偏器、用來 裝待測(cè)物質(zhì)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(jīng)過試管內(nèi)的旋光質(zhì)旋轉(zhuǎn)，這束光再穿過檢偏器，進(jìn)入光電倍增管，頻率為f的激光經(jīng)過起偏器、待測(cè)物和檢偏器后的頻率不變，光電倍增管將光信號(hào) 轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，并輸入前置放大單元，以驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)。 進(jìn)一步的，所述激光源的頻率調(diào)至lkHz—100kHz。
利用本發(fā)明提供的激光調(diào)頻旋光儀，由于采用頻率可調(diào)的激光源來代替以往的 法拉第線圈調(diào)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(yīng)線圈兩項(xiàng)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(qiáng)較強(qiáng)也提高測(cè)量的準(zhǔn)確度。另外選用可調(diào)頻激
光光源替代鈉燈光或近紅外，輸出光強(qiáng)的頻率f可以調(diào)節(jié)。頻率為f的激光經(jīng)過起 偏器、待測(cè)物和檢偏器后的頻率不變，這個(gè)頻率f就是選頻器所選的頻率。檢偏器 和起偏器正交時(shí)，通過檢偏器的光強(qiáng)頻率雖為f，可是光強(qiáng)很弱不足以帶動(dòng)后續(xù)電路。 檢偏器和起偏器不正交時(shí)，光強(qiáng)頻率f被選頻放大帶動(dòng)伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。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(shù)中旋光儀的結(jié)構(gòu)與原理示意圖2是現(xiàn)有技術(shù)中馬呂斯定律曲線示意圖3是現(xiàn)有技術(shù)中法拉第線圈的工作原理曲線示意圖4是現(xiàn)有技術(shù)中旋光儀的電源電路圖5是本發(fā)明實(shí)施實(shí)例的激光調(diào)頻旋光儀原理框圖6是本發(fā)明實(shí)施實(shí)例激光調(diào)頻電源的原理框圖。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合

對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作進(jìn)一步詳細(xì)描述，但本實(shí)施例并不用于 限制本發(fā)明，凡是采用本發(fā)明的相似結(jié)構(gòu)及其相似變化，均應(yīng)列入本發(fā)明的保護(hù)范 圍。
如圖5所示，本發(fā)明實(shí)施例所提供的一種激光調(diào)頻旋光儀，包括機(jī)電部分和光路
部分，機(jī)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(jī)、機(jī)械傳動(dòng)單元、模數(shù)轉(zhuǎn)換單元、數(shù)字顯示單元；光電倍增管 是將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，這個(gè)電信號(hào)就是后續(xù)電路單元處理的對(duì)象。前置放大單 元是放大從光電倍增管發(fā)來的電信號(hào)，放大此信號(hào)以驅(qū)動(dòng)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(hào)而濾除其他頻率的信號(hào)。功率放大單元是 放大選頻放大后的信號(hào)，以便驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)，使伺服電機(jī)帶動(dòng)機(jī)械傳動(dòng)單元調(diào)整檢 偏器的角度。最后將機(jī)械傳動(dòng)單元轉(zhuǎn)過的角度通過模數(shù)轉(zhuǎn)換單元轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)， 通過數(shù)字顯示單元顯示出來。激光源是可以調(diào)頻率的，用來發(fā)射激光。起偏器只通 過某一特定振動(dòng)平面的光，其他振動(dòng)平面的光被濾除。試管用來裝待測(cè)物質(zhì)。檢偏 器的原理和起偏器一樣，只通過特定振動(dòng)平面的光。伺服電機(jī)經(jīng)測(cè)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(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度；選頻放大單 元經(jīng)自動(dòng)高壓?jiǎn)卧B接并調(diào)整光電倍增管的放大倍數(shù)，自動(dòng)高壓?jiǎn)卧前凑杖肷涞?光電倍增管的光強(qiáng)自動(dòng)改變光電倍增管的電壓，以便適應(yīng)不同濃度和顏色的物質(zhì)， 如適應(yīng)測(cè)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(diào)頻的激光源、 尼科爾棱鏡起偏器、用來裝待測(cè)物質(zhì)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(jīng)過試 管內(nèi)的旋光質(zhì)旋轉(zhuǎn)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(hào) 轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，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(hào)放大， 電信號(hào)被選頻放大單元選取f頻率的信號(hào)。雖然激光的頻率經(jīng)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(hào)經(jīng)功率 放大單元，以驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)。
如圖6所示，本發(fā)明實(shí)施實(shí)例激光調(diào)頻旋光儀的能調(diào)頻的激光源，由供電模塊 經(jīng)驅(qū)動(dòng)模塊連接LD激光輸出單元，并由LD激光輸出單元經(jīng)管內(nèi)PD反饋單元、電 流轉(zhuǎn)電壓?jiǎn)卧⒎答伭靠刂颇K連接并反饋控制驅(qū)動(dòng)模塊；由供電模塊提供功率的輸出，再由驅(qū)動(dòng)模塊提供驅(qū)動(dòng)電流和電流反饋量，驅(qū)動(dòng)電流即可驅(qū)動(dòng)LD激光輸出單 元的半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生光功率輸出。采用光功率反饋，則在LD輸出的光功率信號(hào)經(jīng) 管內(nèi)PD取樣后產(chǎn)生的電流信號(hào)通過電流換電壓?jiǎn)卧霓D(zhuǎn)換，作為反饋量被送入反饋 量控制模塊，以控制驅(qū)動(dòng)模塊，達(dá)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(quán)利要求
1、一種激光調(diào)頻旋光儀，包括機(jī)電部分和光路部分，機(jī)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(jī)、機(jī)械傳動(dòng)單元、模數(shù)轉(zhuǎn)換單元、數(shù)字顯示單元；所述光電倍增管用于將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，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(hào)，所述功率放大單元用于放大選頻放大后的信號(hào)，以便驅(qū)動(dòng)所述伺服電機(jī)，使伺服電機(jī)帶動(dòng)所述機(jī)械傳動(dòng)單元調(diào)整檢偏器的角度；伺服電機(jī)經(jīng)測(cè)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(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度；選頻放大單元經(jīng)自動(dòng)高壓?jiǎn)卧B接并調(diào)整光電倍增管的放大倍數(shù)；其特征在于，光路部分依次包括能調(diào)頻的激光源、起偏器、用來裝待測(cè)物質(zhì)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(jīng)過試管內(nèi)的旋光質(zhì)后旋轉(zhuǎn)，這束光再穿過檢偏器，進(jìn)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(hào)而濾除其它頻率的信號(hào)。
全文摘要
本發(fā)明公開一種激光調(diào)頻旋光儀，涉及旋光測(cè)量?jī)x技術(shù)領(lǐng)域；所要解決的是體積小、成本低、測(cè)量準(zhǔn)確度高的旋光儀技術(shù)問題；該旋光儀，包括機(jī)電部分和光路部分，其特征在于，光路部分依次包括能調(diào)頻的激光源、起偏器、用來裝待測(cè)物質(zhì)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(jīng)過試管內(nèi)的旋光物質(zhì)后振動(dòng)面旋轉(zhuǎn)，這束光再穿過檢偏器，進(jìn)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(hào)而濾除其它頻率的信號(hào)。本發(fā)明的激光調(diào)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(cè)量準(zhǔn)確度高的特點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01N21/21GK101196468SQ20071017202
公開日2008年6月11日 申請(qǐng)日期2007年12月11日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月11日
發(fā)明者姜博實(shí), 李倩倩, 賈宏志, 濤 金 申請(qǐng)人:上海理工大學(xué)