專(zhuān)利名稱(chēng)：基于數(shù)據(jù)信號(hào)處理的激光調(diào)頻旋光儀及其測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種檢測(cè)技術(shù)，特別涉及一種使用DSP進(jìn)行數(shù)據(jù)處理以及調(diào)頻激光的 測(cè)量旋光質(zhì)旋轉(zhuǎn)角的旋光儀及其測(cè)量方法的技術(shù)。
背景技術(shù)：
旋光分析法(簡(jiǎn)稱(chēng)旋光法)是利用線偏振光通過(guò)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(guò)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，被稱(chēng)為旋光儀。旋光法多用于糖類(lèi)的含量測(cè)定，近年來(lái)，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)旋光物質(zhì)后振動(dòng)面轉(zhuǎn)過(guò)的角度)與旋光物質(zhì)溶液 體積百分比濃度c及偏振光所通過(guò)的溶液厚度1成正比，a = kcl (1)，其中c為g/100ml， 1 傳統(tǒng)的旋光儀采用鈉光燈用光源，由小孔光柵和物鏡組成一個(gè)簡(jiǎn)單的點(diǎn)光源平行 光管如圖l所示，平行光經(jīng)偏振鏡(I)變?yōu)槠矫嫫窆?，其振?dòng)平面為00如圖2a，當(dāng)偏振光 經(jīng)過(guò)有法拉弟效應(yīng)的磁旋線圈時(shí)，其振動(dòng)平面產(chǎn)生50Hz的13角往復(fù)擺動(dòng)如圖2b，光線經(jīng) 過(guò)偏振鏡(II)投射到光電倍增管上，產(chǎn)生交變的電信號(hào)，通過(guò)樣品后的偏振光振動(dòng)面旋轉(zhuǎn) a 1度如圖2c，儀器示數(shù)平衡后偏振鏡反向轉(zhuǎn)過(guò)a 1度補(bǔ)償了樣品的旋光度，如圖2d。
儀器以?xún)善耒R光軸正交時(shí)(即00丄PP)作為光學(xué)零點(diǎn)，此時(shí)，a = 0°如圖3。 磁旋圈產(chǎn)生的P角擺動(dòng)，在光學(xué)零點(diǎn)時(shí)得到100Hz的光電信號(hào)(曲線C')，在有a 1°或 a 2°的試樣時(shí)得到50Hz的信號(hào)，但它們的相位正好相反(曲線B' 、D')。因此，能使工 作頻率為50Hz的伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。伺服電機(jī)通過(guò)蝸輪，蝸桿將偏振鏡轉(zhuǎn)過(guò)a ° (a = a 1或 a = a2)，儀器回到光學(xué)零點(diǎn)，伺服電機(jī)在100Hz信號(hào)的控制下，重新出現(xiàn)平衡指示。
就上述技術(shù)而言，這個(gè)測(cè)旋轉(zhuǎn)角的方法采用法拉第線圈調(diào)制光信號(hào)，其電壓高，功 耗大，體積大，其調(diào)制頻率為50HZ，頻率低，易受干擾，嚴(yán)重影響測(cè)量精度。另外該方法中采 用鈉光燈作為光源，功耗較大，易老化，方向性差，需要后續(xù)光路進(jìn)行聚焦準(zhǔn)直形成平行光。 針對(duì)這些缺點(diǎn)，在此之前我們所申請(qǐng)的專(zhuān)利中提出了采用頻率可調(diào)的激光源來(lái)代替以往的 法拉第線圈調(diào)制部分和鈉燈光源。調(diào)制頻率為f的激光經(jīng)過(guò)起偏器，待測(cè)物和檢偏器后的 頻率不變。檢偏器和起偏器正交時(shí)，通過(guò)檢偏器的光強(qiáng)頻率雖然為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)頻率為f被選頻放大帶動(dòng)伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足問(wèn)題，提出了一種基于數(shù)據(jù)信號(hào)處理的激光調(diào)頻旋光儀及其測(cè)量方法，與傳統(tǒng)旋光儀所完成相同的功能，但為全自動(dòng)數(shù)字化控制，進(jìn)一步減小 誤差，提高了精度。 本發(fā)明的技術(shù)方案為一種基于數(shù)據(jù)信號(hào)處理的激光調(diào)頻旋光儀，包括光路部分 和電路部分，光路部分依次連接包括可調(diào)頻半導(dǎo)體激光器作為光源、起偏器、旋光管、檢偏 器和光電池；電路部分包括依次連接的光電池、前置放大單元、二級(jí)放大單元、選頻放大單 元、限幅鉗位電路、DSP數(shù)據(jù)信號(hào)處理單元、步進(jìn)電機(jī)、數(shù)字顯示單元；DSP數(shù)據(jù)信號(hào)處理單 元包括DSP模數(shù)轉(zhuǎn)換單元、DSP信號(hào)發(fā)生單元、DSP數(shù)字存儲(chǔ)單元、DSP數(shù)據(jù)處理單元；DSP 數(shù)據(jù)信號(hào)處理單元中的DSP信號(hào)發(fā)生單元產(chǎn)生的高頻信號(hào)加載到可調(diào)頻半導(dǎo)體激光器上， 同時(shí)發(fā)出信號(hào)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)檢偏器轉(zhuǎn)動(dòng)；限幅鉗位電路輸出信號(hào)接DSP數(shù) 據(jù)信號(hào)處理單元中的DSP模數(shù)轉(zhuǎn)換單元，DSP模數(shù)轉(zhuǎn)換單元將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后， 輸出到DSP數(shù)字存儲(chǔ)單元儲(chǔ)存信號(hào)，DSP數(shù)據(jù)處理單元對(duì)DSP數(shù)字存儲(chǔ)單元儲(chǔ)存的信號(hào)進(jìn) 行處理后輸出到數(shù)字顯示單元顯示數(shù)據(jù)。 —種基于數(shù)據(jù)信號(hào)處理的激光調(diào)頻旋光儀的測(cè)量方法，包括基于數(shù)據(jù)信號(hào)處理的
激光調(diào)頻旋光儀，測(cè)量方法具體包括如下步驟 1)在未加待測(cè)物質(zhì)時(shí)調(diào)整起偏器和檢偏器正交并固定； 2)在試管加入旋光物質(zhì)后，DSP信號(hào)發(fā)生單元產(chǎn)生高頻f的方波信號(hào)，加載到可調(diào) 頻半導(dǎo)體激光器，調(diào)制頻率為f的激光經(jīng)過(guò)起偏器變?yōu)榫€偏光、線偏光經(jīng)過(guò)旋光管中的旋 光物質(zhì)后旋轉(zhuǎn)再經(jīng)過(guò)檢偏器，照在光電池上，光電池將頻率為f的光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)轭l率為f交 流電信號(hào)； 3)頻率為f交流電信號(hào)依次經(jīng)前置放大單元、二級(jí)放大單元的放大、選頻放大單 元的選頻、限幅和鉗位電路的輸入保護(hù)后進(jìn)入模數(shù)轉(zhuǎn)換單元轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)輸入到DSP數(shù) 據(jù)存儲(chǔ)單元； 4)DSP信號(hào)發(fā)生單元發(fā)出信號(hào)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)檢偏器轉(zhuǎn)動(dòng)，交流信號(hào)強(qiáng)度發(fā)生 變化，重復(fù)步驟3， DSP數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元記錄儲(chǔ)存每個(gè)信號(hào)； 5) DSP數(shù)據(jù)處理單元對(duì)DSP數(shù)字存儲(chǔ)單元儲(chǔ)存的信號(hào)進(jìn)行處理，通過(guò)FFT快速傅里 葉分解，然后再數(shù)字濾波，最后通過(guò)包絡(luò)檢波的方法得到一條頻率為f信號(hào)的幅值和步進(jìn) 電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度的曲線，對(duì)實(shí)際曲線進(jìn)行擬合，最終計(jì)算出旋光角進(jìn)而得知溶液濃度。
本發(fā)明的有益效果在于本發(fā)明基于數(shù)據(jù)信號(hào)處理的激光調(diào)頻旋光儀及其測(cè)量方 法，具有體積小，成本低，功耗低，全自動(dòng)數(shù)字化的，測(cè)量精度高的特點(diǎn)。


圖1為現(xiàn)有技術(shù)旋光儀的結(jié)構(gòu)原理示意圖； 圖2為現(xiàn)有技術(shù)偏振光的振動(dòng)情況示意圖； 圖3為現(xiàn)有技術(shù)中法拉第線圈工作原理的曲線示意圖； 圖4為馬呂斯定律曲線示意圖； 圖5是本發(fā)明基于數(shù)據(jù)信號(hào)處理的激光調(diào)頻旋光儀的原理框圖。
具體實(shí)施例方式
如圖5所示，基于DSP的激光調(diào)頻旋光儀結(jié)構(gòu)原理示意圖，包括光路部分和電路部分，光路部分依次包括可調(diào)頻半導(dǎo)體激光器1作為光源、起偏器2、旋光管3、檢偏器4和光 電池5。電路部分包括依次連接的光電池5、前置放大單元6、二級(jí)放大7、選頻放大單元8、 限幅鉗位電路9、 DSP數(shù)據(jù)信號(hào)處理單元10、步進(jìn)電機(jī)11、數(shù)字顯示單元12。 DSP數(shù)據(jù)信號(hào) 處理單元10包括DSP模數(shù)轉(zhuǎn)換單元、DSP信號(hào)發(fā)生單元、DSP數(shù)字存儲(chǔ)單元、DSP數(shù)據(jù)處理 單元。 選用可調(diào)頻激光光源替代鈉燈光，DSP信號(hào)發(fā)生單元產(chǎn)生高頻f的方波信號(hào)，加載 到可調(diào)頻激光器，激光器輸出頻率f為可調(diào)節(jié)。調(diào)制頻率為f的激光經(jīng)過(guò)起偏器變?yōu)榫€偏 光、線偏光經(jīng)過(guò)旋光管中的旋光物質(zhì)后旋轉(zhuǎn)，這束光再經(jīng)過(guò)檢偏器，照在光電池上，頻率為f 的激光經(jīng)過(guò)起偏器、待測(cè)物和檢偏器后的頻率不變，光電池將頻率為f的光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)轭l 率為f電信號(hào)，并輸入前置放大單元，前置放大單元用于放大從光電池發(fā)來(lái)的電信號(hào)，放大 此信號(hào)以驅(qū)動(dòng)選頻放大單元，選頻放大單元用于選擇激光源頻率f的信號(hào)而濾除其它頻率 的信號(hào)。信號(hào)通過(guò)限幅和鉗位電路的輸入保護(hù)單元，DSP模數(shù)轉(zhuǎn)換單元用于將選頻放大單 元出來(lái)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并由DSP數(shù)字存儲(chǔ)單元記錄下該信號(hào)。然后DSP信號(hào) 發(fā)生單元發(fā)出信號(hào)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，并帶動(dòng)檢偏器轉(zhuǎn)動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)動(dòng)一步，調(diào)制頻率 為f的激光信號(hào)偏振角度與檢偏器的角度便發(fā)生變化，導(dǎo)致經(jīng)過(guò)檢偏器的激光信號(hào)的幅值 大小發(fā)生變化，經(jīng)過(guò)光電轉(zhuǎn)換、前置放大、選頻放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換后，由DSP數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元記錄 下最新的信號(hào)。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)一圈后，由DSP對(duì)每個(gè)記錄下的信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，首先進(jìn) 行FFT(快速傅里葉分解)，然后再數(shù)字濾波，最后通過(guò)包絡(luò)檢波的方法得到一條關(guān)于頻率 為f信號(hào)的幅值和步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度的曲線。根據(jù)馬呂斯定律I = 10cos2a ，如圖4該曲 線理論上應(yīng)為一條如圖所示的曲線。運(yùn)用DSP進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，將實(shí)際得到的曲線與已知理 論曲線進(jìn)行對(duì)比，對(duì)實(shí)際曲線進(jìn)行擬合，并計(jì)算出擬合曲線上的最初時(shí)刻到最近零點(diǎn)之間 的角度。該角度便是物質(zhì)的旋光角。再通過(guò)數(shù)據(jù)處理單元將該角度與已知國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)比對(duì)， 查找出該溶液濃度。最后通過(guò)數(shù)字顯示單元輸出結(jié)果。采用DSP產(chǎn)生信號(hào)對(duì)激光信號(hào)進(jìn)行 調(diào)制，可以得到頻率很高的調(diào)制信號(hào)，避免了 50HZ工頻干擾。在傳統(tǒng)的旋光儀中，采用伺服 電機(jī)帶動(dòng)檢偏器自動(dòng)旋轉(zhuǎn)到光學(xué)零位原理，而在本技術(shù)中，DSP產(chǎn)生信號(hào)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng) 檢偏器旋轉(zhuǎn)一周，再由DSP對(duì)所記錄下來(lái)的信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，采用曲線擬合的方法得到 一條關(guān)于光強(qiáng)與步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度的曲線，然后直接利用該曲線，從曲線上計(jì)算出物質(zhì)的
旋光度。利用本技術(shù)計(jì)算旋光角，相比傳統(tǒng)技術(shù)，可消除電機(jī)回程誤差等影響，精確的找出 光學(xué)零點(diǎn)，大大提高旋光儀的精度。 測(cè)量旋光物質(zhì)旋光角的測(cè)量方法，其步驟如下1)在未加待測(cè)物質(zhì)時(shí)調(diào)整起偏器 和檢偏器正交并固定；2)在試管加入旋光物質(zhì)后，光通過(guò)所述光路部分到達(dá)光電池，從光 電池輸出的是一個(gè)高頻交流信號(hào)；3)該交流信號(hào)經(jīng)前置放大單元的放大、選頻放大單元的 選頻、模數(shù)轉(zhuǎn)換單元的模數(shù)轉(zhuǎn)換后輸入DSP數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元。4)步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)檢偏器轉(zhuǎn)動(dòng)，交 流信號(hào)強(qiáng)度發(fā)生變化，DSP記錄下每個(gè)信號(hào)。通過(guò)FFT以及包絡(luò)檢波得到一條曲線，并進(jìn)行 擬合。最終計(jì)算出旋光角進(jìn)而得知溶液濃度。
權(quán)利要求
一種基于數(shù)據(jù)信號(hào)處理的激光調(diào)頻旋光儀，其特征在于，包括光路部分和電路部分，光路部分依次連接包括可調(diào)頻半導(dǎo)體激光器作為光源、起偏器、旋光管、檢偏器和光電池；電路部分包括依次連接的光電池、前置放大單元、二級(jí)放大單元、選頻放大單元、限幅鉗位電路、DSP數(shù)據(jù)信號(hào)處理單元、步進(jìn)電機(jī)、數(shù)字顯示單元；DSP數(shù)據(jù)信號(hào)處理單元包括DSP模數(shù)轉(zhuǎn)換單元、DSP信號(hào)發(fā)生單元、DSP數(shù)字存儲(chǔ)單元、DSP數(shù)據(jù)處理單元；DSP數(shù)據(jù)信號(hào)處理單元中的DSP信號(hào)發(fā)生單元產(chǎn)生的高頻信號(hào)加載到可調(diào)頻半導(dǎo)體激光器上，同時(shí)發(fā)出信號(hào)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)檢偏器轉(zhuǎn)動(dòng)；限幅鉗位電路輸出信號(hào)接DSP數(shù)據(jù)信號(hào)處理單元中的DSP模數(shù)轉(zhuǎn)換單元，DSP模數(shù)轉(zhuǎn)換單元將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后，輸出到DSP數(shù)字存儲(chǔ)單元儲(chǔ)存信號(hào)，DSP數(shù)據(jù)處理單元對(duì)DSP數(shù)字存儲(chǔ)單元儲(chǔ)存的信號(hào)進(jìn)行處理后輸出到數(shù)字顯示單元顯示數(shù)據(jù)。
2. —種基于數(shù)據(jù)信號(hào)處理的激光調(diào)頻旋光儀的測(cè)量方法，包括基于數(shù)據(jù)信號(hào)處理的激 光調(diào)頻旋光儀，其特征在于，測(cè)量方法具體包括如下步驟1) 在未加待測(cè)物質(zhì)時(shí)調(diào)整起偏器和檢偏器正交并固定；2) 在試管加入旋光物質(zhì)后，DSP信號(hào)發(fā)生單元產(chǎn)生高頻f的方波信號(hào)，加載到可調(diào)頻半 導(dǎo)體激光器，調(diào)制頻率為f的激光經(jīng)過(guò)起偏器變?yōu)榫€偏光、線偏光經(jīng)過(guò)旋光管中的旋光物 質(zhì)后旋轉(zhuǎn)再經(jīng)過(guò)檢偏器，照在光電池上，光電池將頻率為f的光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)轭l率為f交流電 信號(hào)；3) 頻率為f交流電信號(hào)依次經(jīng)前置放大單元、二級(jí)放大單元的放大、選頻放大單元的 選頻、限幅和鉗位電路的輸入保護(hù)后進(jìn)入模數(shù)轉(zhuǎn)換單元轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)輸入到DSP數(shù)據(jù)存 儲(chǔ)單元；4) DSP信號(hào)發(fā)生單元發(fā)出信號(hào)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)檢偏器轉(zhuǎn)動(dòng)，交流信號(hào)強(qiáng)度發(fā)生變化， 重復(fù)步驟3， DSP數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元記錄儲(chǔ)存每個(gè)信號(hào)；5) DSP數(shù)據(jù)處理單元對(duì)DSP數(shù)字存儲(chǔ)單元儲(chǔ)存的信號(hào)進(jìn)行處理，通過(guò)FFT快速傅里葉分 解，然后再數(shù)字濾波，最后通過(guò)包絡(luò)檢波的方法得到一條頻率為f信號(hào)的幅值和步進(jìn)電機(jī) 轉(zhuǎn)動(dòng)角度的曲線，對(duì)實(shí)際曲線進(jìn)行擬合，最終計(jì)算出旋光角進(jìn)而得知溶液濃度。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于數(shù)據(jù)信號(hào)處理的激光調(diào)頻旋光儀及其測(cè)量方法，包括光路部分和電路部分，利用DSP產(chǎn)生信號(hào)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)檢偏器旋轉(zhuǎn)一周，再由DSP對(duì)所記錄下來(lái)的信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，采用曲線擬合的方法得到一條關(guān)于光強(qiáng)與步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度的曲線，然后直接利用該曲線，從曲線上計(jì)算出物質(zhì)的旋光度。利用本發(fā)明計(jì)算旋光角，相比傳統(tǒng)技術(shù)，可消除電機(jī)回程誤差等影響，精確的找出光學(xué)零點(diǎn)，大大提高旋光儀的精度，并且具有體積小，成本低，功耗低的特點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01N21/01GK101738375SQ20091019871
公開(kāi)日2010年6月16日 申請(qǐng)日期2009年11月13日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月13日
發(fā)明者何之恒, 應(yīng)曉平, 楊振皓, 菅一帆, 賈宏志 申請(qǐng)人:上海理工大學(xué)