专利名称：基于数据信号处理的激光调频旋光仪及其测量方法
技术领域：
本发明涉及一种检测技术，特别涉及一种使用DSP进行数据处理以及调频激光的 测量旋光质旋转角的旋光仪及其测量方法的技术。
背景技术：
旋光分析法(简称旋光法)是利用线偏振光通过含有化学活性物质的溶液或液 体时引起旋光现象，使通过的偏振光平面向左或向右旋转。因此，在一定的条件下，检测线 偏振光旋转的方向和度数，可以分析某些化合物的旋光性，或检测化合物的杂质、纯度和含 量。用于测量旋光度的仪器，被称为旋光仪。旋光法多用于糖类的含量测定，近年来，制药、 食品加工、化工和生化分析等领域也都涉及到这一方法。 物质的旋光度的大小与下列因素有关一是与物质的温度有关。有的物质随温度 的升高而增加，如石英等。有的物质随温度的而减小，如蔗糖等。二是与线偏振光的波长有 关，波长不同，旋光度也不同。 旋光质的旋光度a (线偏振光经旋光物质后振动面转过的角度)与旋光物质溶液 体积百分比浓度c及偏振光所通过的溶液厚度1成正比，a = kcl (1)，其中c为g/100ml， 1 传统的旋光仪采用钠光灯用光源，由小孔光栅和物镜组成一个简单的点光源平行 光管如图l所示，平行光经偏振镜(I)变为平面偏振光，其振动平面为00如图2a，当偏振光 经过有法拉弟效应的磁旋线圈时，其振动平面产生50Hz的13角往复摆动如图2b，光线经 过偏振镜(II)投射到光电倍增管上，产生交变的电信号，通过样品后的偏振光振动面旋转 a 1度如图2c，仪器示数平衡后偏振镜反向转过a 1度补偿了样品的旋光度，如图2d。
仪器以两偏振镜光轴正交时(即00丄PP)作为光学零点，此时，a = 0°如图3。 磁旋圈产生的P角摆动，在光学零点时得到100Hz的光电信号(曲线C')，在有a 1°或 a 2°的试样时得到50Hz的信号，但它们的相位正好相反(曲线B' 、D')。因此，能使工 作频率为50Hz的伺服电机转动。伺服电机通过蜗轮，蜗杆将偏振镜转过a ° (a = a 1或 a = a2)，仪器回到光学零点，伺服电机在100Hz信号的控制下，重新出现平衡指示。
就上述技术而言，这个测旋转角的方法采用法拉第线圈调制光信号，其电压高，功 耗大，体积大，其调制频率为50HZ，频率低，易受干扰，严重影响测量精度。另外该方法中采 用钠光灯作为光源，功耗较大，易老化，方向性差，需要后续光路进行聚焦准直形成平行光。 针对这些缺点，在此之前我们所申请的专利中提出了采用频率可调的激光源来代替以往的 法拉第线圈调制部分和钠灯光源。调制频率为f的激光经过起偏器，待测物和检偏器后的 频率不变。检偏器和起偏器正交时，通过检偏器的光强频率虽然为f，可是光强很弱不足以 带动后续电路。检偏器和起偏器不正交时，光强频率为f被选频放大带动伺服电机转动。
发明内容
本发明是针对现有技术的不足问题，提出了一种基于数据信号处理的激光调频旋光仪及其测量方法，与传统旋光仪所完成相同的功能，但为全自动数字化控制，进一步减小 误差，提高了精度。 本发明的技术方案为一种基于数据信号处理的激光调频旋光仪，包括光路部分 和电路部分，光路部分依次连接包括可调频半导体激光器作为光源、起偏器、旋光管、检偏 器和光电池；电路部分包括依次连接的光电池、前置放大单元、二级放大单元、选频放大单 元、限幅钳位电路、DSP数据信号处理单元、步进电机、数字显示单元；DSP数据信号处理单 元包括DSP模数转换单元、DSP信号发生单元、DSP数字存储单元、DSP数据处理单元；DSP 数据信号处理单元中的DSP信号发生单元产生的高频信号加载到可调频半导体激光器上， 同时发出信号驱动步进电机，步进电机带动检偏器转动；限幅钳位电路输出信号接DSP数 据信号处理单元中的DSP模数转换单元，DSP模数转换单元将模拟信号转换为数字信号后， 输出到DSP数字存储单元储存信号，DSP数据处理单元对DSP数字存储单元储存的信号进 行处理后输出到数字显示单元显示数据。 —种基于数据信号处理的激光调频旋光仪的测量方法，包括基于数据信号处理的
激光调频旋光仪，测量方法具体包括如下步骤 1)在未加待测物质时调整起偏器和检偏器正交并固定； 2)在试管加入旋光物质后，DSP信号发生单元产生高频f的方波信号，加载到可调 频半导体激光器，调制频率为f的激光经过起偏器变为线偏光、线偏光经过旋光管中的旋 光物质后旋转再经过检偏器，照在光电池上，光电池将频率为f的光信号转变为频率为f交 流电信号； 3)频率为f交流电信号依次经前置放大单元、二级放大单元的放大、选频放大单 元的选频、限幅和钳位电路的输入保护后进入模数转换单元转换为数字信号输入到DSP数 据存储单元； 4)DSP信号发生单元发出信号驱动步进电机带动检偏器转动，交流信号强度发生 变化，重复步骤3， DSP数据存储单元记录储存每个信号； 5) DSP数据处理单元对DSP数字存储单元储存的信号进行处理，通过FFT快速傅里 叶分解，然后再数字滤波，最后通过包络检波的方法得到一条频率为f信号的幅值和步进 电机转动角度的曲线，对实际曲线进行拟合，最终计算出旋光角进而得知溶液浓度。
本发明的有益效果在于本发明基于数据信号处理的激光调频旋光仪及其测量方 法，具有体积小，成本低，功耗低，全自动数字化的，测量精度高的特点。
图1为现有技术旋光仪的结构原理示意图； 图2为现有技术偏振光的振动情况示意图； 图3为现有技术中法拉第线圈工作原理的曲线示意图； 图4为马吕斯定律曲线示意图； 图5是本发明基于数据信号处理的激光调频旋光仪的原理框图。
具体实施例方式
如图5所示，基于DSP的激光调频旋光仪结构原理示意图，包括光路部分和电路部分，光路部分依次包括可调频半导体激光器1作为光源、起偏器2、旋光管3、检偏器4和光 电池5。电路部分包括依次连接的光电池5、前置放大单元6、二级放大7、选频放大单元8、 限幅钳位电路9、 DSP数据信号处理单元10、步进电机11、数字显示单元12。 DSP数据信号 处理单元10包括DSP模数转换单元、DSP信号发生单元、DSP数字存储单元、DSP数据处理 单元。 选用可调频激光光源替代钠灯光，DSP信号发生单元产生高频f的方波信号，加载 到可调频激光器，激光器输出频率f为可调节。调制频率为f的激光经过起偏器变为线偏 光、线偏光经过旋光管中的旋光物质后旋转，这束光再经过检偏器，照在光电池上，频率为f 的激光经过起偏器、待测物和检偏器后的频率不变，光电池将频率为f的光信号转变为频 率为f电信号，并输入前置放大单元，前置放大单元用于放大从光电池发来的电信号，放大 此信号以驱动选频放大单元，选频放大单元用于选择激光源频率f的信号而滤除其它频率 的信号。信号通过限幅和钳位电路的输入保护单元，DSP模数转换单元用于将选频放大单 元出来的模拟信号转换为数字信号，并由DSP数字存储单元记录下该信号。然后DSP信号 发生单元发出信号驱动步进电机转动，并带动检偏器转动。步进电机每转动一步，调制频率 为f的激光信号偏振角度与检偏器的角度便发生变化，导致经过检偏器的激光信号的幅值 大小发生变化，经过光电转换、前置放大、选频放大、模数转换后，由DSP数据存储单元记录 下最新的信号。当步进电机转过一圈后，由DSP对每个记录下的信号进行数据处理，首先进 行FFT(快速傅里叶分解)，然后再数字滤波，最后通过包络检波的方法得到一条关于频率 为f信号的幅值和步进电机转动角度的曲线。根据马吕斯定律I = 10cos2a ，如图4该曲 线理论上应为一条如图所示的曲线。运用DSP进行数据处理，将实际得到的曲线与已知理 论曲线进行对比，对实际曲线进行拟合，并计算出拟合曲线上的最初时刻到最近零点之间 的角度。该角度便是物质的旋光角。再通过数据处理单元将该角度与已知国际标准比对， 查找出该溶液浓度。最后通过数字显示单元输出结果。采用DSP产生信号对激光信号进行 调制，可以得到频率很高的调制信号，避免了 50HZ工频干扰。在传统的旋光仪中，采用伺服 电机带动检偏器自动旋转到光学零位原理，而在本技术中，DSP产生信号驱动步进电机带动 检偏器旋转一周，再由DSP对所记录下来的信号进行数据处理，采用曲线拟合的方法得到 一条关于光强与步进电机转动角度的曲线，然后直接利用该曲线，从曲线上计算出物质的
旋光度。利用本技术计算旋光角，相比传统技术，可消除电机回程误差等影响，精确的找出 光学零点，大大提高旋光仪的精度。 测量旋光物质旋光角的测量方法，其步骤如下1)在未加待测物质时调整起偏器 和检偏器正交并固定；2)在试管加入旋光物质后，光通过所述光路部分到达光电池，从光 电池输出的是一个高频交流信号；3)该交流信号经前置放大单元的放大、选频放大单元的 选频、模数转换单元的模数转换后输入DSP数据存储单元。4)步进电机带动检偏器转动，交 流信号强度发生变化，DSP记录下每个信号。通过FFT以及包络检波得到一条曲线，并进行 拟合。最终计算出旋光角进而得知溶液浓度。
权利要求
一种基于数据信号处理的激光调频旋光仪，其特征在于，包括光路部分和电路部分，光路部分依次连接包括可调频半导体激光器作为光源、起偏器、旋光管、检偏器和光电池；电路部分包括依次连接的光电池、前置放大单元、二级放大单元、选频放大单元、限幅钳位电路、DSP数据信号处理单元、步进电机、数字显示单元；DSP数据信号处理单元包括DSP模数转换单元、DSP信号发生单元、DSP数字存储单元、DSP数据处理单元；DSP数据信号处理单元中的DSP信号发生单元产生的高频信号加载到可调频半导体激光器上，同时发出信号驱动步进电机，步进电机带动检偏器转动；限幅钳位电路输出信号接DSP数据信号处理单元中的DSP模数转换单元，DSP模数转换单元将模拟信号转换为数字信号后，输出到DSP数字存储单元储存信号，DSP数据处理单元对DSP数字存储单元储存的信号进行处理后输出到数字显示单元显示数据。
2. —种基于数据信号处理的激光调频旋光仪的测量方法，包括基于数据信号处理的激 光调频旋光仪，其特征在于，测量方法具体包括如下步骤1) 在未加待测物质时调整起偏器和检偏器正交并固定；2) 在试管加入旋光物质后，DSP信号发生单元产生高频f的方波信号，加载到可调频半 导体激光器，调制频率为f的激光经过起偏器变为线偏光、线偏光经过旋光管中的旋光物 质后旋转再经过检偏器，照在光电池上，光电池将频率为f的光信号转变为频率为f交流电 信号；3) 频率为f交流电信号依次经前置放大单元、二级放大单元的放大、选频放大单元的 选频、限幅和钳位电路的输入保护后进入模数转换单元转换为数字信号输入到DSP数据存 储单元；4) DSP信号发生单元发出信号驱动步进电机带动检偏器转动，交流信号强度发生变化， 重复步骤3， DSP数据存储单元记录储存每个信号；5) DSP数据处理单元对DSP数字存储单元储存的信号进行处理，通过FFT快速傅里叶分 解，然后再数字滤波，最后通过包络检波的方法得到一条频率为f信号的幅值和步进电机 转动角度的曲线，对实际曲线进行拟合，最终计算出旋光角进而得知溶液浓度。
全文摘要
本发明涉及一种基于数据信号处理的激光调频旋光仪及其测量方法，包括光路部分和电路部分，利用DSP产生信号驱动步进电机带动检偏器旋转一周，再由DSP对所记录下来的信号进行数据处理，采用曲线拟合的方法得到一条关于光强与步进电机转动角度的曲线，然后直接利用该曲线，从曲线上计算出物质的旋光度。利用本发明计算旋光角，相比传统技术，可消除电机回程误差等影响，精确的找出光学零点，大大提高旋光仪的精度，并且具有体积小，成本低，功耗低的特点。
文档编号G01N21/01GK101738375SQ20091019871
公开日2010年6月16日 申请日期2009年11月13日 优先权日2009年11月13日
发明者何之恒, 应晓平, 杨振皓, 菅一帆, 贾宏志 申请人:上海理工大学