本發(fā)明屬于物質(zhì)分析儀器技術(shù)領(lǐng)域，具體講就是涉及一種基于光電倍增管的無法拉第調(diào)制器的旋光儀。

背景技術(shù)：

旋光儀是測定物質(zhì)旋光度的儀器，通過旋光度的測定，可以分析確定物質(zhì)的濃度、含量及純度等。廣泛應(yīng)用于制糖、制藥、石油、食品、化工等工業(yè)部門及有關(guān)高等院校和科研單位。

隨著工業(yè)的發(fā)展，越來越多的行業(yè)也需用旋光儀來檢測他們各自的產(chǎn)品，目前，市場上存在的自動旋光儀大都是采用正弦機(jī)構(gòu)或渦輪蝸桿；伺服電機(jī)或步進(jìn)電機(jī)，高精度相對或絕對角度編碼器、法拉第調(diào)制器及光電倍增管相結(jié)合的原理，來保持起偏鏡和檢偏鏡的始終正交，實(shí)現(xiàn)旋光度的測量。現(xiàn)有旋光儀由于利用法拉第調(diào)制器需要大電流通過發(fā)熱量大，引起機(jī)器內(nèi)部溫升，會影響樣品的溫度，從而降低測量精度，而且增加儀器體積和重量使儀器比較龐大。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的就是針對現(xiàn)有的旋光儀由于采用法拉第調(diào)制器容易產(chǎn)生溫升過高導(dǎo)致測量精度降低的技術(shù)缺陷，提供一種基于光電倍增管的無法拉第調(diào)制器的旋光儀，采用光電倍增管探測，實(shí)現(xiàn)旋光儀的小型化，并使儀器結(jié)構(gòu)簡單，可靠性提高，成本降低。

技術(shù)方案

為了實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的，本發(fā)明設(shè)計(jì)了基于光電倍增管的無法拉第調(diào)制器的旋光儀，其特征在于:它包括光源，所述光源的射出光路上安裝有消色差聚光透鏡，光線經(jīng)消色差聚光透鏡出射后射入起偏鏡，樣品管裝在起偏鏡的出射光路上，樣品管的入射端安裝有干涉濾光片，光線通過樣品管內(nèi)的樣品后射入檢偏鏡組件，光電倍增管組件裝在檢偏鏡組件的出射光路上；

所述檢偏鏡組件的通光口上裝有玻璃片，玻璃片上緊貼裝有與偏振方向相互垂直的至少兩片偏振片。

進(jìn)一步，所述光源至少為雙光源，包括LED1和LED2，兩者的驅(qū)動電壓相同但相移為180°，其調(diào)制頻率遠(yuǎn)離50HZ的市電頻率,雙光源LED1和LED2分別與偏振片一一相對應(yīng)。

進(jìn)一步，所述玻璃片厚度為1～4mm,玻璃片為圓形，圓形玻璃片的直徑大于檢偏鏡組件的通光口口徑，所述偏振片為正方形，偏振片長度小于檢偏鏡組件的通光口口徑，用光學(xué)膠膠合在玻璃片上。

利用上述基于光電倍增管的無法拉第調(diào)制器的旋光儀使用方法，其特征在于,它包括以下幾個(gè)步驟：

(I)采用音頻調(diào)制入射光，保證其遠(yuǎn)離工頻,取f＝600Hz，LED1和LED2燈的調(diào)制頻率相位差180°，入射光強(qiáng)度數(shù)學(xué)表達(dá)式分別為：

I_LED1＝I₀+I sin 2πft；

I_LED2＝I₀-I sin 2πft；

(II)無樣品時(shí)，確定檢偏鏡上兩偏振片分別與起偏鏡保持45度角時(shí)，儀器檢測靈敏度最高；

(III)采用鎖相放大器使光電倍增管接受光信號的解調(diào)，即：

LED1發(fā)出的偏振光通過檢偏鏡組件的光信號數(shù)學(xué)表達(dá)式：

$I_{0ut1}=I_{LED1}{\cos }^2\left(45\right)=\frac{I_{LED1}}{2};$

LED2發(fā)出的偏振光通過檢偏鏡的光信號數(shù)學(xué)表達(dá)式：

$I_{out2}=I_{LED2}{\cos }^2\left(45\right)=\frac{I_{LED2}}{2};$

則得到光電倍增管的光信號數(shù)學(xué)表達(dá)式為：I_out＝I_out1+I_out2；

當(dāng)θ₁＝0時(shí)，即沒有放被測量物體時(shí)，I_out＝I_out1+I_out2等于常數(shù)，沒有交流信號，鎖相放大器的輸出電壓為零；

當(dāng)θ₁不等于0時(shí)，即放被測量物體時(shí)，I_out＝I_out1+I_out2有交流信號，鎖相放大器的輸出電壓不為零；

(IV)將樣品放在樣品管內(nèi)，偏振光的偏振方向會偏離兩偏振片的角平分線θ₁,則：

LED1發(fā)出的偏振光通過檢偏鏡組件的光信號數(shù)學(xué)表達(dá)式：

$I_{0ut1}=I_{LED1}{\cos }^2(45+{\mathrm{\θ}}_1)=\frac{I_{LED1}}{2}(1-sin2{\mathrm{\θ}}_1);$

LED2發(fā)出的偏振光通過檢偏鏡的光信號數(shù)學(xué)表達(dá)式：

$I_{out2}=I_{LED2}{\cos }^2(45-{\mathrm{\θ}}_1)=\frac{I_{LED2}}{2}(1+sin2{\mathrm{\θ}}_1)$

得到光電倍增管信號為：I_out＝I_out1+I_out2，鎖相放大器的輸出電壓不為零，能夠檢測；

(V)旋轉(zhuǎn)檢偏鏡轉(zhuǎn)過θ₁，使I_out中的交流信號消失，鎖相放大器的輸出電壓為零。此時(shí)檢偏器轉(zhuǎn)過的角度θ₁就是被測物體的旋光角；

其中：

f-入射光調(diào)制頻率；

I-入射光強(qiáng)度振幅；

I₀-入射光強(qiáng)度常數(shù)項(xiàng)；

I_LED1-光源LED1的輸出信號；

I_LED2-光源LED2的輸出信號；

I_out1-光源LED1在光電倍增管上產(chǎn)生的信號；

I_out2-光源LED2在光電倍增管上產(chǎn)生的信號；

I_out-光源LED1和LED2在光電倍增管上產(chǎn)生的總信號；

θ-偏振光的偏振方向偏離檢偏鏡偏振垂直方向的角度；

θ₁-被測物體的旋光角；

t-時(shí)間。

進(jìn)一步，所述步驟(II)中確定檢偏鏡上兩偏振片分別與起偏鏡保持45度角時(shí)，儀器檢測靈敏度最高的過程是：

(a)確認(rèn)偏振光通過檢偏鏡的光信號數(shù)學(xué)表達(dá)式：

$I=I_0{\cos }^2(90+\mathrm{\θ})=\frac{I_0}{2}(1-cos2\mathrm{\θ});$

(b)對上式進(jìn)行微分：dI＝I₀sin(2θ)dθ，當(dāng)θ＝45°時(shí)，dI/dθ＝I₀，即此時(shí)信號檢測靈敏度最高。

有益效果

本發(fā)明提供的一種基于光電倍增管的無法拉第調(diào)制器的旋光儀，采用光電倍增管探測，實(shí)現(xiàn)旋光儀的小型化，并使儀器結(jié)構(gòu)簡單，可靠性提高，成本降低。

附圖說明

附圖1是本發(fā)明實(shí)施例中的自動旋光儀的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。

如附圖1所示，基于光電倍增管的無法拉第調(diào)制器的旋光儀，它包括光源1，所述光源1至少為雙光源，包括LED1和LED2，兩者的驅(qū)動電壓相同但相移為180°，其調(diào)制頻率遠(yuǎn)離50HZ的市電頻率,雙光源LED1和LED2分別與偏振片9,9’一一相對應(yīng)，所述光源1的射出光路上安裝有消色差聚光透鏡2，光線經(jīng)消色差聚光透鏡2出射后射入起偏鏡3，樣品管4裝在起偏鏡3的出射光路上，樣品管4的入射端安裝有干涉濾光片5，光線通過樣品管4內(nèi)的樣品后射入檢偏鏡組件6，光電倍增管組件7裝在檢偏鏡組件6的出射光路上；

所述檢偏鏡組件6的通光口上裝有玻璃片8，玻璃片8上緊貼裝有與偏振方向相互垂直的至少兩片偏振片9,9’。

所述玻璃片8厚度為1～4mm,玻璃片8為圓形，圓形玻璃片8的直徑大于檢偏鏡組件6的通光口口徑，所述偏振片9,9’為正方形，偏振片9,9’長度小于檢偏鏡組件6的通光口口徑，用光學(xué)膠膠合在玻璃片8上。

上述基于光電倍增管的無法拉第調(diào)制器的旋光儀使用方法，其特征在于,它包括以下幾個(gè)步驟：

第一步，采用音頻調(diào)制入射光，保證其遠(yuǎn)離工頻,取f＝600Hz，LED1和LED2燈的調(diào)制頻率相位差180°，入射光強(qiáng)度數(shù)學(xué)表達(dá)式分別為：

I_LED1＝I₀+I sin 2πft；

I_LED2＝I₀-I sin 2πft；

第二步，無樣品時(shí)，確定檢偏鏡上兩偏振片分別與起偏鏡保持45度角時(shí)，儀器檢測靈敏度最高，具體過程是：

(a)確認(rèn)偏振光通過檢偏鏡的光信號數(shù)學(xué)表達(dá)式：

$I=I_0{\cos }^2(90+\mathrm{\θ})=\frac{I_0}{2}(1-cos2\mathrm{\θ});$

(b)對上式進(jìn)行微分：dI＝I₀sin(2θ)dθ，當(dāng)θ＝45°時(shí)，dI/dθ＝I₀，即此時(shí)信號檢測靈敏度最高。

第三步，采用鎖相放大器使光電倍增管接受光信號的解調(diào)，即：

LED1發(fā)出的偏振光通過檢偏鏡組件的光信號數(shù)學(xué)表達(dá)式：

$I_{0ut1}=I_{LED1}{\cos }^2\left(45\right)=\frac{I_{LED1}}{2};$

LED2發(fā)出的偏振光通過檢偏鏡的光信號數(shù)學(xué)表達(dá)式：

$I_{out2}=I_{LED2}{\cos }^2\left(45\right)=\frac{I_{LED2}}{2};$

則得到光電倍增管的光信號數(shù)學(xué)表達(dá)式為：I_out＝I_out1+I_out2；

當(dāng)θ₁＝0時(shí)，即沒有放被測量物體時(shí)，I_out＝I_out1+I_out2等于常數(shù)，沒有交流信號，鎖相放大器的輸出電壓為零；

當(dāng)θ₁不等于0時(shí)，即放被測量物體時(shí)，I_out＝I_out1+I_out2有交流信號，鎖相放大器的輸出電壓不為零；

第四步，將樣品放在樣品管內(nèi)，偏振光的偏振方向會偏離兩偏振片的角平分線θ₁,則：

LED1發(fā)出的偏振光通過檢偏鏡組件的光信號數(shù)學(xué)表達(dá)式：

$I_{0ut1}=I_{LED1}{\cos }^2(45+{\mathrm{\θ}}_1)=\frac{I_{LED1}}{2}(1-sin2{\mathrm{\θ}}_1);$

LED2發(fā)出的偏振光通過檢偏鏡的光信號數(shù)學(xué)表達(dá)式：

$I_{out2}=I_{LED2}{\cos }^2(45-{\mathrm{\θ}}_1)=\frac{I_{LED2}}{2}(1+sin2{\mathrm{\θ}}_1)$

得到光電倍增管信號為：I_out＝I_out1+I_out2，鎖相放大器的輸出電壓不為零，能夠檢測；

第五步，旋轉(zhuǎn)檢偏鏡轉(zhuǎn)過θ₁，使I_out中的交流信號消失，鎖相放大器的輸出電壓為零。此時(shí)檢偏器轉(zhuǎn)過的角度θ₁就是被測物體的旋光角；

其中：

f-入射光調(diào)制頻率；

I-入射光強(qiáng)度振幅；

I₀-入射光強(qiáng)度常數(shù)項(xiàng)；

I_LED1-光源LED1的輸出信號；

I_LED2-光源LED2的輸出信號；

I_out1-光源LED1在光電倍增管上產(chǎn)生的信號；

I_out2-光源LED2在光電倍增管上產(chǎn)生的信號；

I_out-光源LED1和LED2在光電倍增管上產(chǎn)生的總信號；

θ-偏振光的偏振方向偏離檢偏鏡偏振垂直方向的角度；

θ₁-被測物體的旋光角；

t-時(shí)間。

本發(fā)明的工作原理是經(jīng)電壓調(diào)制的白色LED光源模塊，LED1和LED2同時(shí)發(fā)出的光經(jīng)消色差聚光透鏡2變成兩束細(xì)平行光束經(jīng)起偏鏡3變成偏振方向相互垂直的線偏振光，再經(jīng)干涉濾光片5變成需要波長的單色光束后，通過樣品管4，由檢偏鏡組件6得到一束偏振光，最后照射在光電倍增管組件7上，由ARM控制器控制光電采集系統(tǒng)得到一個(gè)光強(qiáng)信號，并解調(diào)得到信號I_out，通過分析信號I_out是沒有交流信號，來確定起偏鏡和檢偏鏡的正交，此時(shí)得到零點(diǎn)。當(dāng)樣品管4中裝入被測物體10，得到旋轉(zhuǎn)一定角度的偏振光，由檢偏鏡組件6得到一束偏振光，最后照射在光電倍增管組件7上，由ARM控制器控制光電采集系統(tǒng)得到一個(gè)光強(qiáng)信號，并解調(diào)得到信號I_out，通過分析信號I_out來控制起偏鏡的旋轉(zhuǎn)角度，直到I_out中無交流信號時(shí)，起偏鏡轉(zhuǎn)過的角度就為被測物體的旋光角。