基于快速傅立叶变换实现旋光度的检测

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3.0 牛悦 2024-11-19 5 4 651.84KB 45 页 15积分

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摘要

线偏振光通过某些晶体或溶液时，由于物质的旋光性质，偏振光的偏振面会

绕着光轴发生偏转，偏转的角度称为旋光度。因此，通过对物质旋光度的检测，

可以检验物质的浓度、纯度和含量。目前广泛应用的旋光度检测技术，主要是通

过光、机、电相结合的方式来测量旋光度，该方法采用一套精密的机械转角系统

达到自动消光的目的，其机械结构制约了测量精度，提高了系统成本。

在传统旋光度测量方法的基础上，本论文对通过旋光物质的信号进行分析，

提出了一种基于快速傅立叶变换实现旋光度的检测方法。该方法利用法拉第线圈

的磁光调制作用，对输出信号进行快速傅立叶变换分析，得到基波与二次谐波的

幅值之比，根据不同情况下幅值之比与物质旋光度的对应关系，计算得到旋光度。

运用 MATLAB 软件对输出信号进行仿真，得到基波与二次谐波的幅值之比与旋

光度的对应关系，仿真结果与理论分析相一致，验证了检测理论的正确性。

设计并搭建了测量系统，测量系统包括电路部分、DSP 数据采集和处理部分、

液晶显示部分。选用光电二极管将光信号转换为电流信号，通过前置放大电路将

微弱的电流信号转换为电压信号。对于转换后的电压信号，利用 DSP 芯片的 ADC

模块进行采样，运用快速傅立叶变换程序对 ADC 模块采集的数据进行处理，由

基波与二次谐波的幅值之比计算得到物质的旋光度，最后采用液晶屏显示测量结

果。

利用搭建的测量系统对不同浓度的白砂糖溶液进行多次测量，实际采集到的

波形与 MATLAB 仿真结果相同，实验结果显示溶液浓度与测得的旋光度线性度

在0.9997 以上，表明了检测方法的可行性。

关键词：旋光度法拉第磁光效应快速傅立叶变换 DSP

ABSTRACT

The polarization plane of linearly polarized light may rotate around optical axis

when it passes through some crystals or solutions which have optical properties. The

amount of angular rotation is called optical rotation. Therefore, optical rotation can be

used to test substance concentration, purity and content. The widely used technology

combines the optical, mechanical and electrical to measure the optical rotation. The

method needs a set of precise mechanical rotation system to find the minimum light

transmittance position, and its mechanical structure restricts the accuracy and

increases the cost.

Based on the principle of traditional methods, a method of measuring the optical

rotation is proposed by using Fast Fourier Transformation to analyze the output signal

of optical material. By using a Faraday modulator, the amplitude ratio of first and

second harmonic can be obtained by using the Fast Fourier Transformation.

According to the relationship between the amplitude ratio and optical rotation, the

optical rotation of material can be detected. Then we use MATLAB software to

simulate the output signal and can get the relationship between amplitude ratio and

optical rotation. The simulation results are consistent with the theoretical analysis and

verify the correctness of the measurement principle.

We design the measuring system, which includes the circuit part, DSP data

acquisition and processing parts, liquid crystal display part. The photodiode converts

the optical signal into an electric current, and then the weak current signal is

transformed into the voltage signal by the preamplifier circuit. DSP controller is used

to run Fast Fourier Transform programmers to process the data which is sampled by

the ADC module. After getting the amplitude ratio of first and second harmonic, the

optical rotation of sample can be detected. The measurement results are displayed on

LCD module.

Finally, sugar solutions with different concentrations are measured by using this

system. The output signals of the experiment are the same as the MATLAB simulation

results. And the experiment results show that the correlation coefficient between the

measured optical rotation and the sugar solution concentration is above 0.99979. The

measurement results indicate that this method is right.

Key words: optical rotation, Faraday magneto–optic effect,

Fast Fourier Transform, DSP

中文摘要

ABSTRACT

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

§1.1 课题背景及意义 ................................................. 1

§1.2 国内外研究状况 ............................................. 2

§1.3 本论文研究的内容 ........................................... 3

第二章旋光效应及法拉第磁光效应 .................................... 5

§2.1 旋光效应的理论 ................................................. 5

§2.2 旋光度的影响因素 ............................................... 5

§2.2.1 波长的影响 ................................................. 5

§2.2.2 温度的影响 ................................................. 6

§2.3 法拉第磁光效应 ................................................. 7

第三章基于快速傅立叶变换实现旋光度检测的原理 ...................... 8

§3.1 测量原理 ........................................................ 8

§3.2 MATLAB 仿真 .................................................... 10

§3.3 测量原理分析 .................................................. 14

第四章检测系统设计 ................................................... 17

§4.1 电路设计 ....................................................... 17

§4.2 DSP 数据采集与处理 ............................................ 20

§4.2.1 TMS320F28335 简介 ......................................... 20

§4.2.2 F28335 的 ADC 模块采样 ..................................... 21

§4.2.3 数据处理 .................................................. 24

§4.3 LCD1602 液晶显示模块 .......................................... 25

§4.3.1 LCD1602 工作原理 .......................................... 25

§4.3.2 液晶显示功能的实现 ....................................... 26

第五章实验研究 ........................................................ 28

§5.1 实验装置介绍 .................................................. 28

§5.2 糖溶液旋光度的测定 ............................................ 33

§5.3 实验误差分析 .................................................. 34

第六章论文总结与展望 ................................................. 36

附录 .................................................................... 37

参考文献 ............................................................... 39

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ...................... 42

致谢 .................................................................... 43

第一章绪论

§1.1 课题的来源及意义

某些晶体(光轴垂直于表面切取)，当入射平行线偏振光在晶体内沿着光轴方向

传播时，线偏振光的光矢量随传播距离逐渐转动，这种现象称为旋光现象，旋转

的角度称为旋光度[1]。物质的旋光性与其分子结构有关[2, 3]，当物质分子和其镜像

能够完全重叠时，这种物质的分子结构是对称的，称为非手性分子，非手性物质

没有旋光性；当物质分子和其镜像不能完全重叠时，这种物质的分子称为手性分

子，手性物质具有旋光性。实体和镜像不能重叠的分子称为一对对映体，对映体

之间具有相同的物理和化学性质，如熔点、密度、溶解度和化学反应性能等[4]。但

是对映体对偏振光的作用不同，一个可以使偏振光的偏振面左旋，另一个可以使

偏振光的偏振面右旋，而非手性分子对偏振光没有这种作用。因此，通过对物质

旋光性的研究，从而可以获得其内部结构的相关信息。

近年来，在医药、食品加工、有机化工和生化分析等领域都涉及到旋光分析

法[5, 6, 7, 8]。在医药领域:旋光分析法主要用于抗菌素，维生素等药物成分及含量的

分析，中草药药理研究，医院临床糖尿病分析检测等；在食品加工领域：旋光分

析法主要用于食糖、味精、酱油等食品生产过程的控制及成品检查，食品含糖量

的测定等；在化学工业领域：旋光分析法主要用于某些成分的纯度控制和浓度校

正、光学活性组分分析（包括定性和定量分析）等。

旋光仪是测定物质旋光度的仪器，旋光仪主要应用于制糖企业、制药企业、

各省市质量监督检验所、食品药品检验所和大专院校等单位。市面上销售的旋光

仪分为国外进口品牌和国内自主品牌。进口旋光仪主要由美国 Rudolph、英国

Optical Activity、德国 Kruess、奥地利 Anton Paar 等公司生产，其精度高、功能齐

全，但价格十分昂贵。相比进口旋光仪，国产旋光仪虽然价格便宜，但精度仅为

0.01°，由于受其机械结构的制约，近十几年来精度一直没有明显提高。因此在制

药和药检等精度要求很高的行业，国产旋光仪的精度远远不能满足要求，在高端

产品方面国内主要还是以进口旋光仪为主。

因此，我们提出了利用快速傅立叶变换来检测旋光度的测量技术。与利用传

统的消光法测量旋光度相比，该技术省去了精密转角系统和转角测量系统，无机

械移动部件的磨损，因而可以提高测量精度，大大降低了成本，并且结合 DSP 技

术对信号进行采集、分析和处理，使系统简单、便于操作。

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摘要：

摘要线偏振光通过某些晶体或溶液时，由于物质的旋光性质，偏振光的偏振面会绕着光轴发生偏转，偏转的角度称为旋光度。因此，通过对物质旋光度的检测，可以检验物质的浓度、纯度和含量。目前广泛应用的旋光度检测技术，主要是通过光、机、电相结合的方式来测量旋光度，该方法采用一套精密的机械转角系统达到自动消光的目的，其机械结构制约了测量精度，提高了系统成本。在传统旋光度测量方法的基础上，本论文对通过旋光物质的信号进行分析，提出了一种基于快速傅立叶变换实现旋光度的检测方法。该方法利用法拉第线圈的磁光调制作用，对输出信号进行快速傅立叶变换分析，得到基波与二次谐波的幅值之比，根据不同情况下幅值之比与物质旋光度的对应关...

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