专利名称：一种数字旋光仪的制作方法
技术领域：
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本发明属于测量技术领域，特别是涉及一种测定溶液或液体旋 光度的数字旋光仪。
背景技术：
目前在医药、化工、食品、科研等行业广泛应用旋光仪测定溶液 或液体的旋光度(如糖、尿、酒石酸等)，其原理和方法是利用平 面偏振光通过旋光物质时其偏振面将发生旋转(有左旋的，也有右旋 的)，其转角大小视物质本身和光的波长而异，并与偏振光所透过的 厚度成正比；对于溶液来说，还与其浓度成正比。测定偏振面旋转的 办法是将两个人造偏振片放在光路上， 一个作为起偏器，另一个作为 检偏器。在未放进旋光物质时，以光心为转轴，将检偏器的振动面调 节至与起偏器振动面相互垂直(若平行时产生亮视场)，此时经起偏 器的偏振光将完全不能通过检偏器。因而视场是黑暗的。如将待测的 旋光物质放在起偏和检偏器之间，则由于起偏后的偏振光经过旋光物 质后其偏振面发生了一定角度的旋转，因而视场不是全暗的。要使视 场重变黑暗，必须将检偏器旋转同样一角度，这个角度即偏振面旋转 的角度，也就是该旋光物质的旋光度。
现时大量使用的旋光仪只有两种 一种是手动调节检偏器旋转， 人工观察视场及读取手动盘上角度刻度。另一种是自动旋光仪，它是由光电倍增管获取复合(视场)电信号后，经过一系列模拟放大、选 频识别、相位旋向识别，光、电调制与处理后，再由伺服电动机经过 蜗轮付带动标有刻度、附有遮光计数装置的检偏器轴旋转，完成光学 调零，旋向旋度读数等自动测量的。
综上所述，用上手动方法测量，除始终存在肉眼误差外，还可由
多种途径产生如旋光仪上读数为右旋60度，究竟是直接右旋了60 度，还是左旋了120度或300度.基于这些问题存在，手动旋光仪上的 一次读数不能正确无误地给出物质的旋光度。现时在实际应用中，人 们不得不采用不同浓度的溶液或采用不同长度的样品管至少再测定 一次。才能确定其旋光方向和旋光度。因此，这种方法既浪费试样， 又易产生误差，同时又费时费力，操作复杂。自动指示旋光仪因由光 电倍增，前置放大，功率放大，选频识别，自动高压，光学调制以及 电子调制、解调，遮光计数器，法拉弟效应磁旋线圈等组成，也存在 结构复杂，调整整定点多，故障率高，维修困难等问题。纵观国内外 众多企业，近年来虽然采用了单片机技术，推出了数字旋光仪新产品， 但都是千篇一律地将原有仪器的旋转刻度盘示数改为条形齿盘旋转 遮光，产生光电脉冲，由单片机计数输出数字显示，或投影光标指示 等，其中的单片机及其软件都未用于旋转控制、处理测量数据，增 设的计算机接口也只是方便与计算机连接读取数据。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述问题而提供一种低成本、易维修、 高精度数字旋光仪，结合软件技术，在省去光电倍增，前置放大，
功率放大，选频识别，自动高压，测速发电机，光学调制器，同步 电动机，电子调制、解调器，遮光计数器以及法拉弟效应磁旋线圈 等元器件、零部件的同时，降低了仪器成本，并提高了整机性能及 技术指标。
本发明的技术解决方案是一种应用颜色传感器取代传统仪器用 人工观察、光电倍增管获取视场亮度信号；其特征在于它是运用由 测量视场出现角度变化的偏振光射入颜色传感器，引起其输出的R、 G、 B、 L值变化(RGBL分別代表颜色传感器采集红绿蓝三基色色度 和合成亮度输出的脉冲个数且在0-255范围内)的方法进行测量的； 它是通过内嵌小操作系统、测量软件的单片机驱动步进电机，带动 经蜗轮付减速的检偏器旋转，使检偏器光轴偏离与起偏器光轴正交 位置的角度a发生变化，由马吕斯定律-
可知射入检偏器的光强将发生变化；读取颜色传感器采集视场 光强输出的与检偏器旋转角度一一对应(两光轴平行即a = or /2时L 值出现最大，两光轴正交即a-O时R、 G、 B值都等于零)的R、 G、 B、 L脉冲数，依据该读数实现光源预热测定(即L^0的稳定值)， 光学调零(两光轴正交位置R、 G、 B值都等于零)，判定旋转方向， 测量旋角。
1)、光源经聚光镜、滤色镜、起偏器后，变成平面偏振光，再经 测试样品管、通过检偏器、物镜、目镜后，到达颜色传感器上。由 单片机读取颜色传感器采集的红绿蓝三基色色度和亮度输出的脉冲
个数后，再经内嵌测量软件的单片机处理，确认光源(亮度)L值
合格后，再启动下一测试程序，发出驱动步进电机旋转方向电平(高
电平为顺时钟方向)和角度脉冲。
2)、由单片机控制步进电机，经蜗轮付减速后带动检偏器旋转
至颜色传感器输出R《、G=0、 B-0值时，停止步进电动机转动，完
成光学调零。
3)、当试测样品管放入在同一光路上的偏振器与检偏器之间后， 平面偏振光是经样品管内旋光物质旋转一个P角度进入检偏器、物 镜、目镜到达颜色传感器，此时颜色传感器输出有R二X、 G-Y、 B=Z 脉冲数；为判定被测物质旋光方向，先由单片机驱动步进电机带动 检偏器左(逆时针方向)右(顺时针方向)旋转数步后回到原来位 置，此过程由于检偏器左右旋转，使颜色传感器输出的R、G、B值分 别在X、 Y、 Z的脉冲数基础上出现增减，由马吕斯定律推断，视场变 暗的方向为被测物质的旋光方向(即检偏器左右旋转时颜色4专感器 输出的RGB值减小的方向为被测物质的旋光方向)，并根据步进电机 旋转方向电平确定是左旋还是右旋物质;再由单片机发出计数脉冲， 驱动步进电机带动检偏器朝颜色传感器输出脉冲数逐渐减小的方向 旋转至R二0、 G=0、 B《时，步迸电机停止转动。在该过程段，依据电 机步进角度Q、步进脉冲数M、蜗轮付减速tkN由单片机计算出检偏器 旋转角度W，其角度按下式计算.-
W=Q*M/N
由分析测试过程得知P = W，因此，检偏器旋转角度就是该物质
旋光度。
4) 、测量范围±89. 9Q
5) 、测量精度0. 0009°
A. 测量分辨率 R( 2 5 5 ) *G( 2 5 5) *B( 2 5 5)
B. 读数分辨率由电机步进角Q 驱动器细分数S 蜗轮减速
比N确定，计算如下式
读数分辨率=Q/S*N 本发明采用步进角为O. 72度的五相混合式步进电动机，80细分的 双极恒流五角驱动器及减速比为1/10蜗轮付，其读数分辨率为O. 0009 度.
6)、程序流程
(1) .系统初始化(1/0口、 LCM、中断)。
(2) .光源亮度测定及仪器调零旋转检偏器使颜色传感器输出L #0，液晶显示器显示提示"光源预热"，延时等待L值数据稳定后， 再发步进脉冲转动检偏器，液晶显示器显示提示"光学调零"，判断 R、 G、 B值，直到它们全为O才停止转动。
(3) .在L二O、 R二O 、 G=0 、 B^)状态下，液晶显示器显示提示 "请装试样"，延时等待试样装入；液晶显示器显示提示"进入测量"。
(4) .在分别给步进电机发旋转方向高电平和低电平的同时，均发 数个步进脉冲使检偏器完成一个很小角度的左右旋转动作后回到原 来位置，此时读取颜色传感器输出R、 G、 B值，找出使R、 G、 B值变 小的方向(若为高电平时的旋向液晶显示器显示提示"右旋物质")，
并朝该方向发步进脉冲(计数为m)旋转检偏器直到rgb值再次变为 0。依据此过程步进脉冲数m，已知的步进电机步进角q，减速比N,
计算检偏器旋转角度w二qm/n，液晶显示器显示提示"旋光度e";完
成一次测量，当试样取出后，R、 G、 B值发生变化，系统返回初始 状态。
(5 )、对于不同长度的试样管，在控制板上设置，单片机在运算 结果时对其作不同的数据处理.
1) 、整机结构图l
2) 、自动调零原理图2
3) 、测试原理图3
4) 、电气原理图4
5) 、程序逻辑图5 、 6 具体实施方案
本发明结合具体实例见附图进一步说明如下
1) .整机结构:仪器由l、光源(钠光)，2、聚光镜，3、滤色镜， 4、起偏器，5、样品管盛放室，6、检偏器，7、物镜，8、目镜， 9、颜色传感器，10、单片机，11、液晶显示器，12、步进电 机，13、蜗轮付，14、电源部分组成，15、细分驱动器，16、测试 样品管。参见附图l
2) 测量过程、钠(汞)光源(1)、经聚光镜(2)、滤色镜(3)、 起偏器(4)后，变成平面偏振光，再经测试样品管(16)、通过检偏器(6)、物镜(7)、目镜(8)后，投射到达颜色传感器(9)上，颜 色传感器(9)输出R、 G、 B脉冲数送至单片机(10)输入口；单片 机(10)输出口与带有步进电机(12)的细分驱动器(15)及液晶显 示器(11)连接；带蜗杆(13)的步进电机轴(12)与以光心为转轴
的检偏器(6)上的蜗轮(13)机械联结。参见附图1
3) 、仪器调零以起偏器(4)光轴(00)与检偏器(6)光轴(PP)
正交(即00丄PP)时作为光学零点；此时经起偏器(4)的偏振光将 完全不能通过检偏器(6)，视场黑暗，颜色传感器(9)输出R=0、 G=0、 Bi脉冲数。每当测量程序启动后，遇颜色传感器(9)输出R、 G、 B脉冲数互不相等时，则说明两轴(00PP)处在非(正交)光学零 点位置，以颜色传感器(9)实时输出的R、 G、 B脉冲数为目标，由 单片机(10)驱动步进电机(12)带动检偏器(6)旋转至该目标(颜 色传感器(9)输出)R二0、 G=0、 B=0,说明两轴已完全正交(OO丄PP), 此时，停止步进电机(12)转动，仪器完成测量前自动调零。参见附
4) 、仪器测量当把测试样品管(16)放入起偏器(4)与检偏 器(6)之间的样品管盛放室(5)后，平面偏振光轴(00)是经样品 管(16)内旋光物质旋转了e (-J1/2-g《e《J1/2-g, g为仪器测量 精度)角度后通过检偏器(6)到达颜色传感器(9)，颜色传感器(9) 有R:X、 G-Y、 B^Z脉冲数输出；为判定被测物质旋光方向，先由单片 机(10)驱动步进电机(12)带动检偏器(6)左(逆时针方向)右
(顺时针方向)旋转数步后回到原来(颜色传感器输出R-X、 G二Y、 B-Z) 位置，此过程由于检偏器(6)左右旋转，使颜色传感器(9)输出的R、 G、 B值分别在X、 Y、 Z的脉冲数基础上出现增减，由马吕斯定律推 断，视场光强变暗的方向为被测物质旋光方向，并根据步进电机(12) 方向脉冲确定是左旋还是右旋物质(面向光源检偏器顺时方向旋转为 右旋)；被测物质旋光方向确定后，再由单片机(10)发出计数脉冲 驱动步进电机(12)，带动检偏器(6)朝颜色传感器(9)输出脉冲数 逐渐减小的方向旋转至R^、 G=0、 B二0时(检偏器旋转e角度到光学 零位)，步进电机(12)停止转动，依据该过程电机步进角度Q、步进脉 冲数M、蜗轮付(13)减速比N由单片机(10)计算出检偏器(6)旋转角度 W，因此，检偏器(6)旋转角度就是该物质旋光度e 。参见附图l，附 图3，
其角度按下式计算
W二Q德
5) 、以AT89C52作为主控芯片，直接与颜色传感器、步进电动 机细分驱动器、点阵式液晶显示屏连接；内嵌一小操作系统及测量软 件，根据用户要求，能自动计算、分析、确定物质的浓度、含量、纯 度以及国际糖分度，显示结果带有测量日期和测量时刻，能存贮200 个测量结果，带USB输出接口。参见附图4。
6) 、程序流程图参见附图5，附图6。
权利要求
1、一种数字旋光仪，主要由光源、颜色传感器、单片机、液晶显示器、步进电机、细分驱动器、蜗轮付、电源及聚光镜、偏振器(镜)、滤色片组成。其中颜色传感器与目镜联结，步进电机轴带蜗杆与带蜗轮的检偏器联结；在由单片机控制步进电机带动检偏器旋转时，视场出现角度变化的偏振光射入颜色传感器，引起其输出的R、G、B、L值变化(RGB L分别代表颜色传感器采集红绿蓝三基色色度和合成亮度输出的脉冲个数且在0-255范围内)的方法完成仪器调零，测定物质旋光方向，测量物质旋光角度。
2、 根据权利要求1所述的数字旋光仪，其特征在于应用颜色传 感器测量视场亮度L值，依据L值变化测定光源(预热)发光稳定度。
3、 根据权利要求1所述的数字旋光仪，其特征是在于应用颜色 传感器测量视场光强变化，输出R (红)、G (绿)、B(蓝)三基色色 度数字脉冲信号，并经单片机处理后控制步进电机带动检偏器旋转 的方法实现仪器光学调零的。 '
4、 根据权利要求l所述的旋光仪，其特征是在于用单片机控制 步进电机带动检偏器左右旋转数步，使颜色传感器对应输出的R、 G、 B三基色色度脉冲数出现增减变化的方法测定物质旋光方向的。
5、 根据权利要求1所述的旋光仪，其特征是在于用单片机控制 步进电机带动检偏器往被测物质旋光方向旋转至颜色传感器输出的 R、 G、 B三基色色度脉冲数都等于零时，依据步进电机步进角度Q、 步进脉冲数M、蜗轮付减速比N，由单片机按W二QM/N计算出检偏器旋 转角度(即被测物质旒光度)。
6、根据权利要求1所述的旋光仪，特征其是在于用单片机控制 步进电机带动起偏器旋转，改变单片机控制与计算方法完成旋光物 质旋光方向与旋光度测量，用数码管显示读数。
全文摘要
一种数字旋光仪，由单片机(10)控制步进电机(12)带动检偏器(6)旋转至检偏器(6)振动面与起偏器(4)振动面相互垂直位置，经起偏器(4)的偏振光不能通过检偏器(6)，颜色传感器(9)输出为零；当被测旋光物质(16)放入样品管盛放室(5)后，使偏振光旋转了一个角度并能通过检偏器(6)到达颜色传感器(9)，颜色传感器(9)有色度脉冲输出；由单片机(10)控制步进电机(12)带动检偏器(6)旋转至颜色传感器(9)输出为零时停止转动，依据步进电机(12)步进角，步进脉冲数计算出旋转角度，即该物质旋光度。并由液晶显示器(11)显示。仪器测量范围±89.9度，测量精度0.0009度。
文档编号G01N21/21GK101339125SQ20081003216
公开日2009年1月7日 申请日期2008年8月27日 优先权日2008年8月27日
发明者刘卡波, 周四清, 孟梅芳, 汤哲夫 申请人:汤哲夫