1 引 言 旋光仪是测量旋光物质旋光度的仪器,广泛应用于制药工业、化学工业、制糖工业、食品工业等领域。旋光度测量的关键在于怎样精确测量检偏镜透射光强和怎样判断旋光方向。目前,传统手动旋光仪采用半波片产生三分视界的方法测量光强,采用改变样品浓度或样品管长度方法判断旋光方向,存在人为经验误差大、测试时间长、环境温度要求高等弊端;自动旋光仪普遍采用光电倍增管获取模拟光信号进行光强测量,采用交流信号相位判断旋光方向,同样存在模拟量识别误差大、处理电路复杂、硬件成本高等缺限。
本设计采用业界首款数字彩色光/频转换器芯片TCS230识别光信号,采用软件算法判断旋光方向,并采用LED光源、红外测温、半导体制冷、步进电机细分驱动等相关技术,实现旋光仪数字化、低功耗、低成本、高性能设计。*
2 硬件设计
测量旋光度的基本原理如图1所示,是将一束单色光照射到尼柯尔棱镜(起偏镜)产生一束单一的平面偏振光,该平面偏振光照射到另一个尼柯尔棱镜(检偏镜),在起偏镜与检偏镜之间放置待测样品,由于待测样品的旋光作用,使来自起偏镜光的偏振面改变了某一角度,只有检偏镜也旋转同样的角度,才能补偿待测样品旋光角度,使透过的光的强度与未放置待测样品时相同[1]。
电气控制部分由光/频转换、红外样液温度检测、样池温度控制、步进电动机细分驱动、液晶显示、单片机等电路组成,如图2所示。TSC230彩色光/频转换器输出R、G、B、L脉冲(R、G、B、L分別表示彩色光/频转换器在基准时间内红、绿、蓝、合成亮度对应的输出脉冲数,取值范围为0~255)直接送单片机处理,红外样液温度检测装置快速检测样液温度,温度 传感器DS18B20检测样池温度,半导体制冷片对样池温度进行控制,细分驱动器实现对检偏镜步进电动机控制。
为使仪器最大限度测量低透光率物质,旋光仪标准光源为波长589 nm的光源,普遍采用钠光灯作为光源。但是,钠光灯作为一种真空放电激发器件,使用寿命和光强度的稳定性受到限制,钠光灯成为了旋光仪昂贵的易耗件。基于上述原因,本设计选用589nm窄带LED灯+干涉滤光片作为光源,有效保证了光源寿命和稳定性。
2.2 光/频转换
光/频转换采用美国TAOS公司推出的RGB彩色光/频转换器芯片TCS230,它将硅光电二极管与电流频率转换器集成在一个单一的CMOS电路上,同时在单一芯片上集成红、绿、蓝(R、G、B)三种滤光器,是业界首款带数字兼容接口的RGB彩色传感器[2]。TCS230输出信号是数字量,可直接与微处理器或其它逻辑电路连接,实现每个彩色信道10位以上转换精度,不再需要A/D转换电路[3,4]。芯片内含一个8×8光电二极管阵列,每16个为1个色彩组,分别对应红、绿、蓝、白四种 滤波器,通过可编程引脚S2、S3可进行四种色彩类型动态选择。4组光电二极管在芯片内是交叉排列的,能够最大限度地减少入射光照射的不均匀性,从而增加颜色识别的精确度;相同颜色的16个光电二极管是并联连接的,均匀分布在二极管阵列中,可以消除颜色的位置误差。转换器典型输出频率范围为2Hz~500 kHz,工作时可通过两个可编程引脚S0、S1来选择100%、20%或2%的输出比例因子。S0、S1、S2、S3控制逻辑见表1。
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