专利名称：用步进电机实现快速测量的旋光仪及测量方法
技术领域：
本发明涉及一种检测技术，特别涉及一种使用步进电机进行快速测量的旋光仪， 以及该设备的测量方法。
背景技术：
从全球范围来看，分析仪器行业面对的挑战是分析对象越来越复杂，分析工作越 来越困难。挑战来自于客户要求灵敏度越来越高、样品量越来越少、分析速度越来越快，以 及能够提供更加完善的服务，更加明确、准确的答案。旋光仪作为制药，制糖和食品等行业必不可少的专用测量仪器，对测量的速度和 准确度也有更高的要求。本专利就是采用新的方法，大大提高了目前市场上旋光仪的测量 速度和准确性。现有的自动旋光仪结构如图1所示，工作原理如图2所示，普通旋光仪包含以下 部件光源、小孔光栅、物镜、滤色片、偏振镜(I)、磁旋线圈、样品管、偏振镜(II)、光电倍增 管、前置放大器、选频放大器、自动高压、功率放大器、伺服电机、蜗轮蜗杆、计数器等部件。 自动旋光仪的工作原理图如下光源的光经过偏振镜(I)，变成线偏振光。如果在偏振镜 (II)前没有其他元器件，则光线通过偏振镜(II)后，光的强度遵循马吕斯定律I = COS2 θ光强曲线如图2中的A曲线。当两片偏振镜夹角为90° (正交)时，光强为零。 在两片偏振镜之间放入具有磁光效应的材料并加上通有频率为ω交流电的磁旋线圈后， 在两片偏振镜正交时光电倍增管将会得到2 ω的交流信号。如图2中，C点的频率为ω，而 C’的信号为2ω。如果放入样品，就相当于两偏振镜的夹角变到了 B点，光电倍增管得到了 B’的频率为ω的信号。此信号经过放大，由伺服电机驱动蜗轮蜗杆，带动偏振镜(I)，补偿 样品的转角，并将转角计数，从而测出样品的旋光。如果样品的旋光相反，在D点，光电倍增 管就会得到D’的信号。B’和D’的信号相位是相反的。其中曲线A光强度随旋光度α的 大小而改变。曲线点C 法拉第效应使光强随时间t而变化(β角摆动)，有了 C’点的随时 间t而变化2ω的信号；曲线点B、C，由于马吕斯定律和法拉第效应，有了 B’和D’点的信 号。它们不但有直流信号，也有光电流i随时间t而变化的信号。

发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，克服现有技术中旋光仪测量速度慢的缺陷，提 供两种用步进电机实现快速测量的旋光仪，本发明还提供了旋光仪快速测量的方法。为了解决上述问题本发明的技术方案是这样的一种用步进电机实现快速测量的旋光仪，包括光路部件和电路执行部件，所述光 路部件包括依次连接的光源、小孔光栅、物镜、滤色片、第一偏振镜、磁旋线圈、样品管、第二 偏振镜、光电倍增管；所述电路执行部件包括与光电倍增管连接的自动高压模块，光电倍 增管顺次连接有前置放大器、选频放大器、功率放大器、伺服电机、用于带动第一偏振镜动作的机械机构、计数器；其特征在于，第二偏振镜连接步进电机，光电倍增管信号经过放大 后，由单片机控制步进电机带动第二偏振镜转动。用于带动第一偏振镜动作的机械机构为涡轮蜗杆机构。用于带动第一偏振镜动作的机械机构为正弦机构。采用上述一种用步进电机实现快速测量的旋光仪的测量方法为，根据光电倍增管 得到的信号的相位，快速驱动步进电机，带动第二偏振镜，一直到光电倍增管得到信号的相 位发生变化，此时步进电机停止转动；再由伺服电机带动第一偏振镜，同时进行计数；样品 的旋光由下式算出旋光度α =步进电机的步距角X步进电机的步数-计数器的计数，其中计数器计数的角度 < 步进电机的步距角。或者另一种的测量方法为，根据光电倍增管得到的信号的相位，快速驱动步进电 机，带动第二偏振镜，一直到光电倍增管得到信号的相位发生变化，此时步进电机停止转动 后再倒退一步；再由伺服电机带动第一偏振镜，同时进行计数，样品的旋光由下式算出旋光度α =步进电机的步距角X步进电机的步数+计数器的计数，其中计数器计数的角度 < 步进电机的步距角。另一种用步进电机实现快速测量的旋光仪，包括光路部件和电路执行部件，所述 光路部件包括依次连接的光源、小孔光栅、物镜、滤色片、第一偏振镜、样品管、第二偏振镜、 光电倍增管；所述电路执行部件包括与光电倍增管连接的固定高压模块，光电倍增管顺 次连接有前置放大器、A/D转换模块；其特征在于，所述光电倍增管还连接一用于带动第二 偏振镜动作的步进电机。采用上述一种用步进电机实现快速测量的旋光仪的测量方法为，根据光电倍增管 得到的信号的相位，快速驱动步进电机，带动第二偏振镜，同时进行A/D转换，并记录转换 结果，在接近正交位置的B点时，测得的信号为I (B)，步进电机再转一步，在正交位置的D点 测得的信号为1(D)，由马吕斯定律可以得出以下公式得出I (B) = cos2 θ iI(D) = cos2 ( θ - θ其中θ为步进电机的步距角；由于I (B)、I (D)和θ已知，可以算出Θ1Ι5样品的旋光由下式算出旋光度α =步进电机的步距角X步进电机的步数+ θ lt)有益效果，由于大角度由步进电机转动来进行测量，所以大大减少了测量时间。对 于90度的测量范围，只需3-5秒，而常规方法要30-50秒。同时大大减少了机械转动的噪 声。由于步进电机每一步步距角经过高精度角度编码器校正，所以能确保仪器的精度。


图1现有技术中旋光仪结构示意图。图2为现有技术中旋光仪的工作原理图。图3为本发明实施例1的旋光仪结构示意图。图4为本发明实施例2的旋光仪结构示意图。
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图5为本发明实施例3的旋光仪结构示意图。图6为本发明实施例3的旋光仪工作原理图。
具体实施例方式为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结 合具体图示，进一步阐述本发明。本申请在于将起偏器(或检偏器)装在步进电机上。当测试样品的旋光角比较大 时，先转动步进电机。由计算机判别步进电机转到了零位附近，停止转动。余下的小角度， 由下述的其他机构测量。样品的总的旋光角是上述的两个角度相加(或相减)。由计算机控制步进电机转到零位附近，剩余的小角度可以由下述方法进行测量用常用的伺服系统带动涡轮-蜗杆机构进行测量。由伺服系统带动正弦机构进行测量根据马吕斯定律，探测在零位附近的光强，来进行测量。由于步进电机的每一步都存在误差，所以要用高精度的角度编码器对步进电机的 每一步进行校正，把精确值存在计算机中。并且要用位置探测器固定步进电机的起始位置。由于步进电机的正反向转动，位置的定位也存在误差，所以每次转动都是单方向 转动后才停下。在步进电机的起始位置，调整检偏器位置，使光强信号最小，从而确定涡轮-蜗 杆、正弦机构、光强信号零位。计算机根据信号，控制步进电机转动。当转动到光信号零位附近(一般不到步进 电机一个步距角)，步进电机停止转动。由上述其他机构完成其他小角度的转动。参看图3，实施例1:一种用步进电机实现快速测量的旋光仪，包括光路部件和电路执行部件，所述光 路部件包括依次连接的光源1、小孔光栅2、物镜3、滤色片4、第一偏振镜5、磁旋线圈6、样 品管7、第二偏振镜8、光电倍增管9 ；所述电路执行部件包括与光电倍增管连接的自动高 压模块10，光电倍增管9顺次连接有前置放大器11、选频放大器12、功率放大器13、伺服电 机14、用于带动第一偏振镜动作的涡轮蜗杆机构15、计数器16 ；所述光电倍增管9还连接 一用于带动第二偏振镜8动作的步进电机17。上述旋光仪的测量方法为，根据光电倍增管9得到的信号的相位，快速驱动步进 电机17，带动第二偏振镜8，一直到光电倍增管9得到信号的相位发生变化，此时步进电机 停止转动；再由伺服电机带动第一偏振镜5，同时进行计数；样品的旋光由下式算出旋光度α =步进电机的步距角X步进电机的步数-计数器的计数，其中计数器计数的角度 < 步进电机的步距角。或者另一种的测量方法为，根据光电倍增管9得到的信号的相位，快速驱动步进 电机17，带动第二偏振镜8，一直到光电倍增管9得到信号的相位发生变化，此时步进电机 17停止转动后再倒退一步；再由伺服电机带动第一偏振镜5，同时进行计数，样品的旋光由 下式算出旋光度α =步进电机的步距角X步进电机的步数+计数器的计数，其中计数器计数的角度 < 步进电机的步距角。
参看图4，实施例2:一种用步进电机实现快速测量的旋光仪，包括光路部件和电路执行部件，所述光 路部件包括依次连接的光源1、小孔光栅2、物镜3、滤色片4、第一偏振镜5、磁旋线圈6、样 品管7、第二偏振镜8、光电倍增管9 ；所述电路执行部件包括与光电倍增管连接的自动高 压模块10，光电倍增管9顺次连接有前置放大器11、选频放大器12、功率放大器13、伺服电 机14、用于带动第一偏振镜动作的正弦机构15’、计数器16 ；所述光电倍增管9还连接一用 于带动第二偏振镜8动作的步进电机17。该实施例中主要用正弦机构15’代替实施例1中涡轮蜗杆机构15。其余同实施例 1。测量方法也同实施例1。参看图5和图6，实施例3 另一种用步进电机实现快速测量的旋光仪，包括光路部件和电路执行部件，所述 光路部件包括依次连接的光源1、小孔光栅2、物镜3、滤色片4、第一偏振镜5、样品管7、第 二偏振镜8、光电倍增管9 ；所述电路执行部件包括与光电倍增管9连接的固定高压模块 10’，光电倍增管9顺次连接有前置放大器11、A/D转换模块18 ；其特征在于，所述光电倍增 管9还连接一用于带动第二偏振镜8动作的步进电机17。上述一种用步进电机实现快速测量的旋光仪的测量方法为，根据光电倍增管9得 到的信号的相位，快速驱动步进电机17，带动第二偏振镜8，同时进行A/D转换，并记录转换 结果，在接近正交位置B点时，测得的信号为I (B)，步进电机再转一步，在D点测得的信号 为I (D)，B点和D点位分布在平衡点两侧的最靠近的步进电机的停止点。由马吕斯定律可 以得出以下公式得出I (B) = cos2 θ iI(D) = cos2 ( θ - θ其中θ为步进电机的步距角；由于I (B)、I (D)和θ已知，可以算出θ 10样品的旋光由下式算出旋光度α =步进电机的步距角X步进电机的步数+ θ lt)以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术 人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本 发明的基本原理将大角度的测量由快速机构执行(本专利是步进电机)；小角度的测量由 其他较慢速的机构执行(本专利是蜗轮蜗杆和正弦机构)。在不脱离本发明精神和范围的 前提下本发明还会有各种变化和改进，如小角度的测量还可以由CCD来进行等等。(本专利 还认为只有在小角度范围内应用马吕斯定律，才能保持仪器的足够精度)。这些变化和改进 都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界 定。
权利要求
1.一种用步进电机实现快速测量的旋光仪，包括光路部件和电路执行部件，所述光路 部件包括依次连接的光源、小孔光栅、物镜、滤色片、第一偏振镜、磁旋线圈、样品管、第二偏 振镜、光电倍增管；所述电路执行部件包括与光电倍增管连接的自动高压模块，光电倍增 管顺次连接有前置放大器、选频放大器、功率放大器、伺服电机、用于带动第一偏振镜动作 的机械机构、计数器；其特征在于，所述光电倍增管还连接一用于带动第二偏振镜动作的步 进电机。
2.根据权利要求1所述的一种用步进电机实现快速测量的旋光仪，其特征在于，用于 带动第一偏振镜动作的机械机构为涡轮蜗杆机构。
3.根据权利要求1所述的一种用步进电机实现快速测量的旋光仪，其特征在于，用于 带动第一偏振镜动作的机械机构为正弦机构。
4.如权利要求1所述的旋光仪的测量方法为，根据光电倍增管得到的信号的相位，快 速驱动步进电机，带动第二偏振镜，一直到光电倍增管得到信号的相位发生变化，此时步进 电机停止转动；再由伺服电机带动第一偏振镜，同时进行计数；样品的旋光由下式算出旋光度α =步进电机的步距角X步进电机的步数-计数器的计数，其中计数器计数的角度<步进电机的步距角。
5.如权利要求1所述的旋光仪的另一种测量方法为，根据光电倍增管得到的信号的相 位，快速驱动步进电机，带动第二偏振镜，一直到光电倍增管得到信号的相位发生变化，此 时步进电机停止转动后再倒退一步；再由伺服电机带动第一偏振镜，同时进行计数，样品的 旋光由下式算出旋光度α =步进电机的步距角X步进电机的步数+计数器的计数，其中计数器计数的角度<步进电机的步距角。
6.一种用步进电机实现快速测量的旋光仪，包括光路部件和电路执行部件，所述光路 部件包括依次连接的光源、小孔光栅、物镜、滤色片、第一偏振镜、样品管、第二偏振镜、光电 倍增管；所述电路执行部件包括与光电倍增管连接的固定高压模块，光电倍增管顺次连 接有前置放大器、A/D转换模块；其特征在于，所述光电倍增管信号经放大后，经过单片机 驱动步进电机带动第二偏振镜动作。
7.如权利要求6所述的旋光仪的测量方法为，根据光电倍增管得到的信号的相位，快 速驱动步进电机，带动第二偏振镜，同时进行A/D转换，并记录转换结果，在B点时，测得的 信号为I (B)，在D点测得的信号为I⑶，由马吕斯定律得出以下公式I (B) = cos2 θ jI (D) = cos2 ( θ - θ》其中θ为步进电机的步距角；由于I (B)、I (D)和θ已知，可以算出θ 10样品的旋光由下式算出旋光度α =步进电机的步距角X步进电机的步数+ θ lt)
全文摘要
本发明将起偏器(或检偏器)装在步进电机上，当测试样品的旋光角比较大时，先转动步进电机；由计算机判别步进电机转到了零位附近，停止转动，余下的小角度，由下述的其他机构测量。样品的总的旋光角是上述的两个角度相加。由计算机控制步进电机转到零位附近，剩余的小角度可以由下述方法进行测量用常用的伺服系统带动涡轮-蜗杆机构进行测量；由伺服系统带动正弦机构进行测量；根据马吕斯定律，探测在零位附近的光强，来进行测量。
文档编号G01N21/01GK102109461SQ20101056622
公开日2011年6月29日 申请日期2010年11月30日 优先权日2010年11月30日
发明者钟建国 申请人:上海仪迈仪器科技有限公司