基于硅光电池的无法拉第调制器的自动旋光仪的制作方法

本发明属于物质分析仪器技术领域，具体讲就是涉及一种基于硅光电池的无法拉第调制器的自动旋光仪。

背景技术：

旋光仪是测定物质旋光度的仪器，通过旋光度的测定，可以分析确定物质的浓度、含量及纯度等。广泛应用于制糖、制药、石油、食品、化工等工业部门及有关高等院校和科研单位。

随着工业的发展，越来越多的行业也需用旋光仪来检测他们各自的产品，目前，市场上存在的自动旋光仪大都是采用正弦机构或涡轮蜗杆；伺服电机或步进电机，高精度相对或绝对角度编码器、法拉第调制器及光电倍增管相结合的原理，来保持起偏镜和检偏镜的始终正交，实现旋光度的测量。现有旋光仪由于利用法拉第调制器需要大电流通过发热量大，引起机器内部温升，会影响样品的温度，从而降低测量精度，而且增加仪器体积和重量使仪器比较庞大。

技术实现要素：

本发明的目的就是针对现有的旋光仪由于采用法拉第调制器容易产生温升过高导致测量精度降低的技术缺陷，提供一种基于硅光电池的无法拉第调制器的自动旋光仪，采用硅光电池探测，实现旋光仪的小型化，并使仪器结构简单，可靠性提高，成本降低。

技术方案

为了实现上述技术目的，本发明设计了一种基于硅光电池的无法拉第调制器的自动旋光仪，其特征在于:它包括光源，所述光源的射出光路上安装有消色差聚光透镜，光线经消色差聚光透镜出射后射入起偏镜，样品管装在起偏镜的出射光路上，样品管的入射端安装有干涉滤光片，光线通过样品管内的样品后射入检偏镜组件，硅光电池组件装在检偏镜组件的出射光路上；

所述检偏镜组件的通光口上装有玻璃片，玻璃片上紧贴装有与偏振方向相互垂直的至少两片偏振片。

进一步，所述玻璃片厚度为1～4mm,玻璃片为圆形，圆形玻璃片的直径大于检偏镜组件的通光口口径，所述偏振片为正方形，偏振片长度小于检偏镜组件的通光口口径，用光学胶胶合在玻璃片上；

所述硅光电池组件包括圆形PCB印板，圆形PCB印板上装有至少两片硅光电池，硅光电池与偏振片一一对应，硅光电池能够分别接受偏振方向相互垂直的两个光信号。

进一步，所述光源为LED单光源。

利用上述基于硅光电池的无法拉第调制器的自动旋光仪的使用方法，其特征在于,它包括以下几个步骤：

(I)采用音频调制入射光，保证其远离工频,取f＝600Hz，入射光的强度数学表达式：I₀＝I sin 2πft；

(II)无样品时，确定检偏镜上两偏振片分别与起偏镜保持45度角时，仪器检测灵敏度最高；

(III)采用锁相放大器使硅光电池接受光信号的解调，则两个硅光电池得到的光信号数学表达式分别为：

$I_{out1}=I_0{\cos }^2\left(45\right)=\frac{I_0}{2};$

$I_{out2}=I_0{\cos }^2(-45)=\frac{I_0}{2};$

由公式判断得到I_out1＝I_out2；

(IV)将样品放在样品管内，偏振光的偏振方向会偏离两偏振片的角平分线θ₁,则两个硅光电池得到的光信号数学表达式分别为：

$I_{out1}=I_0{\cos }^2(45+{\mathrm{\θ}}_1)=\frac{I_0}{2}(1-sin2{\mathrm{\θ}}_1);$

$I_{out2}=I_0{\cos }^2(45-{\mathrm{\θ}}_1)=\frac{I_0}{2}(1+sin2{\mathrm{\θ}}_1);$

可知I_out1不等于I_out2,需要调整检偏镜角度；

(V)旋转检偏镜转过θ₁，使I_out1等于I_out2，此时检偏器转过的角度θ₁就是被测物体的旋光角；

其中：

f-入射光调制频率；

I-入射光强度振幅；

I₀-入射光强度；

I_out1-光电池1的输出信号；

I_out2-光电池2的输出信号；

θ₁-被测物体的旋光角；

t-时间。

进一步，所述步骤(II)中确定检偏镜上两偏振片分别与起偏镜保持45度角时，仪器检测灵敏度最高的过程是：

(a)确认偏振光通过检偏镜的光信号数学表达式：

其中：

θ-偏振光的偏振方向偏离检偏镜偏振垂直方向的角度；

(b)对上式进行微分得到dI＝I₀sin(2θ)dθ，当θ＝45°时，dI/dθ＝I₀，即此时信号检测灵敏度最高。

有益效果

本发明提供的一种基于硅光电池的无法拉第调制器的自动旋光仪，采用硅光电池探测，实现旋光仪的小型化，并使仪器结构简单，可靠性提高，成本降低。

附图说明

附图1是本发明实施例中的自动旋光仪的结构示意图。

附图2是本发明实施例中检偏镜组件的结构示意图。

附图3是本发明实施例中硅光电池组件的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明做进一步说明。

如附图1～3所示，一种基于硅光电池的无法拉第调制器的自动旋光仪，它包括光源1，所述光源1的射出光路上安装有消色差聚光透镜2，光线经消色差聚光透镜2出射后射入起偏镜3，样品管4装在起偏镜3的出射光路上，样品管4的入射端安装有干涉滤光片5，光线通过样品管4内的样品后射入检偏镜组件6，硅光电池组件7装在检偏镜组件6的出射光路上；

所述检偏镜组件6的通光口上装有玻璃片8，玻璃片8上紧贴装有与偏振方向相互垂直的至少两片偏振片9,9’。

所述玻璃片8厚度为1～4mm,玻璃片8为圆形，圆形玻璃片8的直径大于检偏镜组件6的通光口口径，所述偏振片9,9’为正方形，偏振片9,9’长度小于检偏镜组件6的通光口口径，用光学胶胶合在玻璃片8上；

所述硅光电池组件7包括圆形PCB印板701，圆形PCB印板701上装有至少两片硅光电池702，硅光电池702与偏振片9,9’一一对应，硅光电池702能够分别接受偏振方向相互垂直的两个光信号。

所述光源1为LED单光源。

上述基于硅光电池的无法拉第调制器的自动旋光仪的使用方法，它包括以下几个步骤：

第一步，采用音频调制入射光，保证其远离工频,取f＝600Hz，入射光的强度数学表达式：I₀＝I sin 2πft；

第二步，无样品时，确定检偏镜上两偏振片分别与起偏镜保持45度角时，仪器检测灵敏度最高,确认过程如下：

(a)确认偏振光通过检偏镜的光信号数学表达式：

其中：

θ-偏振光的偏振方向偏离检偏镜偏振垂直方向的角度；

(b)对上式进行微分得到dI＝I₀sin(2θ)dθ，当θ＝45°时，dI/dθ＝I₀，即此时信号检测灵敏度最高。

第三步，采用锁相放大器使硅光电池接受光信号的解调，则两个硅光电池得到的光信号数学表达式分别为：

$I_{out1}=I_0{\cos }^2\left(45\right)=\frac{I_0}{2};$

$I_{out2}=I_0{\cos }^2(-45)=\frac{I_0}{2};$

由公式(2)和(3)判断得到I_out1＝I_out2；

第四步，将样品放在样品管内，偏振光的偏振方向会偏离两偏振片的角平分线θ₁,则两个硅光电池得到的光信号数学表达式分别为：

$I_{out1}=I_0{\cos }^2(45+{\mathrm{\θ}}_1)=\frac{I_0}{2}(1-sin2{\mathrm{\θ}}_1);$

$I_{out2}=I_0{\cos }^2(45-{\mathrm{\θ}}_1)=\frac{I_0}{2}(1+sin2{\mathrm{\θ}}_1);$

由公式(4)和(5)可知I_out1不等于I_out2,需要调整检偏镜角度；

第五步，旋转检偏镜转过θ₁，使I_out1等于I_out2，此时检偏器转过的角度θ₁就是被测物体的旋光角；

其中：

f-入射光调制频率；

I-入射光强度振幅；

I₀-入射光强度；

I_out1-光电池1的输出信号；

I_out2-光电池2的输出信号；

θ₁-被测物体的旋光角；

t-时间。

本实施例的原理是经电压调制的白色LED光源发出的光经消色差聚光透镜2变成细平行光束经起偏镜3变成线偏振光，再经干涉滤光片5变成需要波长的单色光束后，通过样品管4，由检偏镜组件6分成两束正交的偏振光，最后照射在硅光电池组件7上，由ARM控制器控制光电采集系统得到两个光强信号，解调得到信号I_out1，I_out2，通过比较I_out1，I_out2是否相等，来确定起偏镜和检偏镜的正交，此时得到零点。当样品管4中装入被测物体10，得到旋转一定角度的偏振光，由检偏镜组件6分成两束正交的偏振光，最后照射在硅光电池组件7上，由ARM控制器控制光电采集系统得到两个光强信号，解调得到信号I_out1，I_out2，通过比较I_out1，I_out2来控制起偏镜的旋转角度，直到I_out1＝I_out2时，起偏镜转过的角度就为被测物体的旋光角。