一种新型激光旋光仪的设计

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3.0 陈辉 2024-11-19 8 4 2.2MB 47 页 15积分

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摘要

线偏振光通过具有光学活性的物质时，能引起旋光现象，使线偏振光的偏振

面向左或向右转动。偏振面转动的角度称为旋光度，检测物质旋光度的仪器称为

旋光仪。旋光仪多用于制糖业中含糖量的测定，它在食品医药、生命科学、有机

化工和高等院校教学实验等领域也有广泛的应用。近年来，基于光学旋光法的无

创血糖检测技术也得到了不断地发展。本文设计了一种新型激光旋光仪，采用曲

线拟合的方法确定起偏器和检偏器的正交位置，与传统旋光仪中采用电子检测部

分驱动反馈机制调整电机转角控制系统来寻找正交位置相比，理论上能提高测量

精度。

论文首先阐述了新型激光旋光仪的测量原理，用交流信号调制激光器的发光

频率，激光器发出的光信号经过光路后由光电池接收，经过光电检测系统后变成

一定幅度的电压信号，DSP 把此模拟电压量转化成数字量发送给 PC 机，在 PC 机

上进行曲线拟合。因为电压信号的幅度对应于与检偏器出来的透射光的光强，因

此曲线的最低点对应着由检偏器出来的透射光的光强为 0的位置，就是起偏器和

检偏器正交的位置。测得未加样品溶液和加入样品溶液后所得曲线最低点偏移的

角度就是样品的旋光度。

其次设计了测量系统，测量系统从硬件和软件两部分进行设计。硬件部分包

括光路、光电检测电路和电机转角控制系统。依次设计了光路，前置放大电路和

窄带滤波电路，并根据设计完成器件选型和测量系统的搭建。电机转角控制系统

由步进电机和配套的电控旋转台构成，由 DSP 实现电机转角的控制。软件部分即

数字信号处理单元，DSP 的ADC 模块把模拟电压信号转化成数字信号，并通过

SCI 串口与 PC 机进行串口数据通信，把采集到的数字量发送到 PC 机进行处理，

在PC 机上进行曲线拟合找到曲线最低点。

最后，论文采用白砂糖溶液作为样品对整个装置的效果进行了测试，并进行

了性能分析。实验结果均表明，所设计的新型激光旋光仪测量系统能够实现旋光

度的测量。它进一步论证了测量方法的合理性，并为进一步的工作奠定了实验基

础。

关键词：旋光度窄带滤波步进电机数字信号处理

ABSTRACT

The linearly polarized light beam undergoes an angular rotation when passing

through optically active substances. As an apparatus for determination of optical

rotation of material, polarimeter is mainly used for the detection of sugar content in the

sugar industry. In recent years, it is also widely used in food and pharmaceuticals, clinic

and hospitals, organic chemical and teaching experiments in colleges and other fields.

The non-invasive blood glucose monitoring technology based on optical polarimetry has

also been continuously developed. This paper designs a novel polarimeter, using curve

fitting method to determine the orthogonal position of the polarizer and the analyzer.

Compared with the traditional use of electronic detection part to drive the feedback

mechanism to adjust motor control system to find the orthogonal position, it

theoretically can improve the measurement accuracy.

Firstly this paper expounds the measuring principle of this novel polarimeter: we

modulate the emitting frequency of the laser by AC signal, the light signal is received by

the photo cell after passing through the optical path and is converted into voltage signal

by the photo-electric detection system. The analog voltage signal is converted into

digital quantity and sent to the PC by DSP. On PC, curve fitting is completed.

Magnitude of the voltage signal corresponds to the intensity of the light from the

analyzer, so the lowest point of the curve corresponds to the position that the light

intensity is 0, that is, polarizer and analyzer are orthogonal. The optical rotation angle is

obtained by comparing the shift of the lowest point of the curve measured between

empty tube and tube with samples.

Secondly we design the measuring system, which includes the hardware and

software parts. The hardware parts include optical path, photoelectric detection system

and motor rotation control system. We design the optical path, preamplifier and

narrow-band filter, and choose the components according to the design. Motor rotation

control system consists of a stepper motor and a associated electric turntable. The motor

is controlled by the DSP. The software portion is the digital signal processing unit-DSP,

which converts the analog voltage signal into digital quantity and transmit them to the

PC through SCI serial port. On the PC, curve fitting is completed to determine the

lowest point of the curve.

Finally, the effect of the entire device has been tested using sugar solution as

sample, and the performance analysis is conducted. Experimental results show that the

measuring system is able to complete optical rotation measurement. It further

demonstrates the reasonableness of this new measuring method, and lay foundation for

further experiments.

Keywords: optical rotation ，Narrow–band Filtering, Stepper Motor,

Digital Signal Processing.

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论.........................................................................................................1

§1.1 课题的来源及意义.................................................................................1

§1.2 国内外研究水平.....................................................................................2

§1.3 本文的工作及论文安排.........................................................................4

第二章新型旋光仪测量原理...............................................................................6

§2.1 旋光现象基本理论.................................................................................6

§2.2 系统组成及测量原理..............................................................................9

第三章测量系统硬件设计.................................................................................11

§3.1 光电检测系统的设计.........................................................................11

§3.2 步进电机转角控制系统........................................................................17

§3.3 DSP 的硬件部分介绍........................................................................ 20

§3.3.1 F2812 的EV 模块....................................................................... 21

§3.3.2 F2812 的ADC 模块.................................................................... 22

§3.3.3 SCI 模块.......................................................................................23

第四章测量系统的软件设计.............................................................................26

§4.1 软件功能...............................................................错误！未定义书签。

§4.2 AD 模块设计......................................................................................... 27

§4.3 DSP 与PC 机的通信.............................................................................29

第五章测量平台搭建与实验研究.....................................................................31

§5.1 旋光度测量装置搭建...........................................................................31

§5.2 实验数据采集及处理...........................................................................32

§5.3 系统性能分析.......................................................................................34

第六章总结与展望.............................................................................................36

§6.1 论文工作总结.......................................................................................36

§6.2 进一步工作展望...................................................................................36

附录.....................................................................................................................38

参考文献...............................................................................................................40

在读期间公开发表的论文...................................................................................44

致谢.......................................................................................................................45

第一章绪论

§1.1 课题的来源及意义

1809 年，法国物理学家及军事工程师马吕斯（Malus，1775-1812）在试验中

发现了光的偏振现象[1]。在进一步研究光的简单折射中的偏振时，他发现光在折射

时是部分偏振的。马吕斯发现光的偏振现象后，阿拉果（ Arago，1786-1853）就

用偏振光以不同的入射角度投向各气态、液态和晶态物质，结果发现了旋光现象[2]，

即线偏振光通过旋光物质后，振动面发生旋转的现象。

旋光物质的这种性质被称为旋光性，也叫光学活性。具有旋光性的物质包括

糖溶液、松节油、石油、酒石酸、石英、朱砂等。线偏振光旋转的角度就是旋光

度。旋光法利用线偏振光通过含有光学活性物质的溶液时引起的旋光现象，使通

过的线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，可以分析被测物质的旋光性，或被测物质的浓度、含量和纯度。

测得的旋光度和旋光方向，不仅与物质的结构、配制溶液时所用的溶剂（如

果是溶液）有关，而且与测定的条件有关，包括温度和测量所用光波的波长[3]。比

如，糖溶液的温度依赖特性是由于水分子的热力特性和糖的分子作用共同决定的，

它们共同作用下在溶液中生成超分子不对称的水糖结构，这种结构随温度而变化

[4]。旋光度还与线偏振光的波长有关，目前旋光物质的旋光度是用钠黄光的 D线

（λ=589.3nm）来标定的。另外，旋光现象是偏振光透过旋光性物质的分子时所造

成的。透过的分子愈多，偏振光旋转的角度愈大。因此，旋光度与被测样品的浓

度、以及盛放样品的管子（旋光管）的长度密切相关。通常，规定旋光管的长度

为1dm，待测物质溶液的浓度为 1g/mL，在此条件下测得的旋光度叫做该物质的

比旋光度，也成为旋光率，用[α]表示。比旋光度仅决定于物质的结构，因此，比

旋光度是物质特有的物理常数，一般用比旋光度作为量度物质旋光能力的标准。

旋光仪是采用旋光法测定物质旋光度的仪器，普通旋光仪的测量结果以旋光

度来表示。制糖工业中的糖度计也是依据旋光仪的原理制成的，其测量结果以国

际糖度来表示。许多有机药物、生物碱、生物体中的各种糖类（如葡萄糖）、氨基

酸等都具有旋光性，并有左旋和右旋两种旋光异构体[5]，对于有的药物来说，左旋

和右旋异构体虽然分子式相同，但是疗效迥异，此时，可以用旋光仪来判断物质

的左右旋性质。在医学领域，利用光学方法测量糖尿病患者的血糖浓度是近年来

国际上的热门研究领域，在利用光学原理测量血糖浓度的方法[6-9]中，有利用葡萄

糖分子对近红外光的吸收特性而发展起来的光透射、光反射谱法和拉曼光谱等方

法，还有利用葡萄糖分子对近红外光偏振特性的光偏振方法，旋光法属于后者，

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摘要：

2摘要线偏振光通过具有光学活性的物质时，能引起旋光现象，使线偏振光的偏振面向左或向右转动。偏振面转动的角度称为旋光度，检测物质旋光度的仪器称为旋光仪。旋光仪多用于制糖业中含糖量的测定，它在食品医药、生命科学、有机化工和高等院校教学实验等领域也有广泛的应用。近年来，基于光学旋光法的无创血糖检测技术也得到了不断地发展。本文设计了一种新型激光旋光仪，采用曲线拟合的方法确定起偏器和检偏器的正交位置，与传统旋光仪中采用电子检测部分驱动反馈机制调整电机转角控制系统来寻找正交位置相比，理论上能提高测量精度。论文首先阐述了新型激光旋光仪的测量原理，用交流信号调制激光器的发光频率，激光器发出的光信号经过光路后由...

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