专利名称：一种高精度的旋光角测量装置和测量方法
技术领域：
本发明涉及一种测量装置，尤其是涉及一种高精度的旋光角测量装置和测量方法。
背景技术：
现实生活中，许多物质具有旋光性，如晶体、药物等以及许多液体物质。因此，旋光角的测量被广泛地应用于一些物质的识别、纯度的检验和浓度的判断。例如，通过对旋光角的测量，可以对水溶液中的含糖浓度进行判断，并进一步推广用于尿糖值和尿蛋白值的检查。常用的测量装置是用一个钠灯发出一个具有波长为589nm的钠光，并通过带通滤光镜、透镜及狭缝使其成为一束近似平行光，在样品盒的两侧设置起偏器和检偏器，在检偏器后用光探测器对透过检偏器的光进行测量，用一个计算机控制一个旋转机构使检偏器在透射轴在垂直于光的传播方向的平面内旋转，并对光探测器的输出信号进行记录分析，分别测出没有旋光性的被测物质的消光点和有旋光性的被测物质的消光点，就可以测出旋光角。但是，这种传统的测量装置一是光源的稳定性不够高；二是输出信号的信/噪比较差；三是检偏器旋转的重复精度不够高，从而使测量的重复性欠佳。上述的缺陷影响了测量的精度，尤其是对于较小的旋光角的测量，由于信号较小，其测量信号受外界的杂散信号的干扰以及背景噪声的影响，测量灵敏度较低，很难进行精确的测量。现有的旋光角测量装置由于采用激光器作为测量光源，其稳定性已经得到大大改善，信号强度也大大提高，但由于信/噪比仍然较差，尤其是背景噪声的影响未能根本解决，在信号较小时，尤其是在光信号接近零位时，背景噪声的影响尤为明显，测量精度和测量灵敏度均无法有效地得到提高。2003年6月18日公开的01143888.6号中国发明专利申请公开说明书中介绍了一种相位测量旋光角度装置，利用不同圆偏极化分量在旋光溶液中的传播速度不同可造成外差干涉信号相位的改变这一原理，通过参考光信号和通过旋光溶液的外差干涉信号相互乘积，再将输出信号通过低通滤波器即时测量放大后的相位差信号的振幅，由于采用了双光路信号，有效地降低了外界环境因素的影响，提高了测量的稳定性和测量精度，同时大幅度提高了测量旋光角度的灵敏度。但该装置结构相对来说过于复杂，不仅对光源要求作为光源的激光器具有双稳频、双偏极化的特性，在光电探测器的后面还需要一套由相位偏移器和乘法器构成的信号处理装置来使参考信号相对于测量信号偏移π/2，并将偏移后的参考信号与测量信号相乘来得到待测物的旋光角度；此外，测量用的元件越多，由元件引起的累积误差也会越大。

发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术现状而提供一种结构简单，受外界环境影响小，测量灵敏度和测量精度均比较高，测量重复性好的高精度的旋光角测量装置和测量方法。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为一种高精度的旋光角测量装置，包括一个光源，该光源发出一束入射光束，所述的入射光束为平行光束，所述的入射光束穿过一个斩波器，一个分光元件将穿过所述的斩波器的入射光束分束成为测量光束和参考光束，所述的测量光束依次穿过起偏器、样品盒、检偏器后进入第一光电探测元件，所述的检偏器设置有旋转机构，所述的旋转机构通过一计算机控制带动所述的检偏器旋转，所述的参考光束进入第二光电探测元件，所述的第一光电探测元件产生的测量信号和所述的第二光电探测元件产生的参考信号被输入一除法器相除，所述的除法器的输出信号输入一锁相放大器后通过RS232接口与所述的计算机相连，并通过所述的计算机用拟合法得到所述的测量信号的消光点。
所述的消光点可以是选取一个周期内测量所得的信号波峰到波谷之间的一部分的测量数据后用拟合法得到的。
所述的消光点最好是选取一个周期内测量所得的信号波峰到波谷之间的中间三分之一部分的测量数据后用拟合法得到。
所述的旋转机构可以是所述的计算机控制的圆精密光栅。
所述的起偏器和所述的检偏器均可以使用格兰-汤姆森棱镜。
所述的光源最好为He-Ne激光器，也可用经过准直的半导体激光器来替代。
所述的第一光电探测元件和所述的第二光电探测元件是硅光电池。
所述的锁相放大器的参考信号是由所述的斩光器所提供的。
一种用权利要求1所述的高精度的旋光角测量装置测量旋光角的测量方法，包括以下步骤①在所述的样品盒中未放入样品时用所述的计算机控制所述的旋转机构带动所述的检偏器旋转一周；②用所述的计算机记录所测的数据；③用所述的计算机通过拟合法得到光强为零时的第一消光点的相位角度值；④将待测样品放入所述的样品盒；⑤用所述的计算机控制所述的旋转机构带动所述的检偏器旋转一周；⑥用所述的计算机记录所测的数据；⑦用所述的计算机通过拟合法得到光强为零时的第二消光点的相位角度值；⑧用所述的计算机将第二消光点的相位角度值减去第一消光点的相位角度值即得到待测样品的旋光角度值。
与现有技术相比，本发明的测量装置的优点在于采用双光路的方法，将光束分束为测量光束和参考光束，以此来消除光源自身的背景噪声的影响；而采用拟合法通过选取一个周期内测量所得的信号波峰到波谷之间的中间三分之一部分的测量数据来获得消光点，可以有效地解决在最大和最小两个端点因为噪声信号过大而影响测量精度和测量灵敏度的缺陷；而用计算机控制的精密圆光栅来带动检偏器的旋转，可以大大提高旋转的精度，使测量具有良好的重复性；而使用格兰-汤姆森棱镜则能够保证起偏器和检偏器具有良好的偏振性能；总之，本发明的测量装置相对于现有技术来说，是一种结构简单，受外界环境影响小，测量灵敏度和测量精度均比较高，测量重复性好的高精度的旋光角测量装置。而利用本发明的测量装置，只要测出未放入待测样品前的消光点所对应的相位角度值和放入待测样品后的消光点所对应的相位角度值就能够非常容易地获得需要测量的待测样品的旋光角度值，是一种简易、精确的旋光角度测量方法。


图1为本发明实施例一的结构示意图；图2是对测量数据进行处理后所获得的曲线。
图1中，1是光源，在这里是一个He-Ne激光器，它能够发出一束平行光束的入射光束100；2是斩光器，它能够产生一个调制的激光输出信号，并给出一个调制频率；3是作为一个分光元件的半透半反镜，它将穿过斩光器2的入射光束100分束为测量光束110和参考光束120；4是一个起偏器，它产生一个偏振光束；5是一个样品盒，可以用来放置待测的样品；6是一个检偏器，它能够在与入射光束垂直的平面内旋转；7是一个旋转机构，它能带动检偏器6旋转，这里是一个精密圆光栅；8是第一光电探测元件，用于接收透过检偏器6的光信号，产生一个测量信号；9是第二光探测元件，用于接收参考光信号，产生一个参考信号；10是一个除法器，它将第一光电探测元件8的测量信号和第二光电探测元件9的参考信号相除后输出一个信号；11是一个锁相放大器，它接收除法器10输出的信号，而锁相放大器11的参考信号由斩光器2提供；12是计算机，它接收锁相放大器11的输出信号，并通过事先设置的程序，对记录的信号曲线在适当的部分取样进行拟合处理，可以获得消光点所对应的相位角度值，并进而获得待测样品的旋光角度值；同时，计算机12还控制作为旋转机构7的圆精密光栅精确地带动检偏器6旋转。
图2中，纵轴是信号的归一化光强，横轴是相位角度值，图中的曲线I是放入待测样品前，圆精密光栅带动检偏器6旋转一周所测得的信号曲线；曲线II是放入待测样品后，圆精密光栅带动检偏器6旋转一周所测得的信号曲线；图中将曲线从光强为最大到光强为最小等分为A、B、C三个区域，计算机12选取B区域的曲线数据进行拟合处理，推算得到放入样品前的相位角度值φ1，和放入样品后的相位角度值φ2，θ＝φ2-φ1就是待测样品的旋光角度值。
具体实施例方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例一如图1所示，一种高精度的旋光角测量装置，包括一个光源1，在这里是一台He-Ne激光器，光源1发出一束入射光束100，入射光束100为平行光束，入射光束100穿过一个斩波器2，一个半透半反镜作为分光元件3将穿过斩波器2的入射光束100分束成为测量光束110和参考光束120，测量光束110依次穿过起偏器4、样品盒5、检偏器6后进入第一光电探测元件8，检偏器6设置有旋转机构7，它通过一个计算机12控制来带动检偏器6旋转，参考光束120进入第二光电探测元件9产生一个参考信号，在这里，起偏器4和检偏器6是格兰-汤姆森棱镜，旋转机构7是圆精密光栅，而第一光电探测元件8和第二光电探测元件9是硅光电池，测量信号和参考信号被输入除法器10中相除后其输出一个信号输入锁相放大器11，然后通过RS232接口与计算机12相连，锁相放大器11的参考信号由斩光器2来提供，计算机记录测量数据后选取一个周期内测量所得的信号最大值到最小值之间的中间三分之一部分区域B的测量数据后，用拟合法得到消光点所对应的相位角度值。本实施例中作为光源1的He-Ne激光器也可以用经过准直的半导体激光器来替代。
实施例二如图2所示，一种用权利要求1所述的高精度的旋光角测量装置测量旋光角的测量方法，包括以下步骤①在样品盒5中未放入待测样品时用计算机12控制旋转机构7带动检偏器6旋转一周；②用计算机12记录所测的数据；③用计算机12通过拟合法得到光强为零时的第一消光点的相位角度值φ1；④将待测样品放入样品盒5；⑤用计算机12控制旋转机构7带动检偏器6旋转一周；⑥用计算机12记录所测的数据；⑦用计算机12通过拟合法得到光强为零时的第二消光点的相位角度值φ2；⑧用计算机12将第二消光点的相位角度值φ2减去第一消光点的相位角度φ1值即得到所测的旋光角度值θ＝φ2-φ1。
权利要求
1.一种高精度的旋光角测量装置，包括一个光源，该光源发出一束入射光束，所述的入射光束为平行光束，其特征在于所述的入射光束穿过一个斩波器，一个分光元件将穿过所述的斩波器的入射光束分束成为测量光束和参考光束，所述的测量光束依次穿过起偏器、样品盒、检偏器后进入第一光电探测元件，所述的检偏器设置有旋转机构，所述的旋转机构通过一计算机控制带动所述的检偏器旋转，所述的参考光束进入第二光探测元件，所述的第一光探测元件产生的测量信号和所述的第二光探测元件的参考信号被输入一除法器相除，所述的除法器的输出信号输入一锁相放大器后通过RS232接口与所述的计算机相连，并通过所述的计算机用拟合法得到测量信号的消光点。
2.如权利要求1所述的一种高精度的旋光角测量装置，其特征在于所述的消光点是选取一个周期内测量所得的信号波峰到波谷之间的中间部分的测量数据后用拟合法得到的。
3.如权利要求2所述的一种高精度的旋光角测量装置，其特征在于所述的光点是选取一个周期内测量所得的信号波峰到波谷之间的中间三分之一部分的测量数据后用拟合法得到的。
4.如权利要求1所述的一种高精度的旋光角测量装置，其特征在于所述的旋转机构为计算机控制的圆精密光栅。
5.如权利要求1所述的一种高精度的旋光角测量装置，其特征在于所述的起偏器和所述的检偏器均为格兰-汤姆森棱镜。
6.如权利要求1所述的一种高精度的旋光角测量装置，其特征在于所述的光源为He-Ne激光器。
7.如权利要求1所述的一种高精度的旋光角测量装置，其特征在于所述的光源为经过准直的半导体激光器。
8.如权利要求1所述的一种高精度的旋光角测量装置，其特征在于所述的第一光电探测元件和所述的第二光电探测元件是硅光电池。
9.如权利要求1～8中任一项权利要求所述的一种高精度的旋光角测量装置，其特征在于所述的锁相放大器的参考信号是由所述的斩光器提供的。
10.一种用权利要求1所述的高精度的旋光角测量装置测量旋光角的测量方法，包括以下步骤①在所述的样品盒中未放入样品时用所述的计算机控制所述的旋转机构带动所述的检偏器旋转一周；②用所述的计算机记录所测的数据；③用所述的计算机通过拟合法得到光强为零时的第一消光点的相位角度值；④将待测样品放入所述的样品盒；⑤用所述的计算机控制所述的旋转机构带动所述的检偏器旋转一周；⑥用所述的计算机记录所测的数据；⑦用所述的计算机通过拟合法得到光强为零时的第二消光点的相位角度值；⑧用计算机将第二消光点的相位角度值减去第一消光点的相位角度值即得到所测的旋光角度值。
全文摘要
本发明公开了一种高精度的旋光角测量装置，包括一个光源，该光源发出一束平行的入射光束穿过一个斩波器，一个分光元件将穿过斩波器的入射光束分束成为测量光束和参考光束，测量光束依次穿过起偏器、样品盒、检偏器后进入第一光电探测元件，检偏器设置有旋转机构，旋转机构能够通过计算机控制带动检偏器旋转，参考光束进入第二光探测元件，第一光探测元件产生的测量信号和第二光探测元件的参考信号被输入除法器相除后输入锁相放大器，通过计算机用拟合法得到测量信号的消光点，只要测出未放入待测样品前的消光点所对应的相位角度值和放入待测样品后的消光点所对应的相位角度值就能够非常容易地获得需要测量的待测样品的旋光角度值。
文档编号G01N21/21GK1558212SQ20041001600
公开日2004年12月29日 申请日期2004年1月17日 优先权日2004年1月17日
发明者潘雪丰, 陶卫东, 邢晓正 申请人:宁波大学