基于滤波处理旋光仪的优化设计

目前在市场上及-些高校所用的测量糖浓度的旋光仪主要有三种，手动旋转测量角度的旋光仪误差最大。还有利于机械转动进行测量是 目前最为常见的旋光仪器，机械误差不可避免。另外-种运用测量光强来分析角度的旋光仪，价格比较昂贵，对光电探测器的要求也比较高。敏感度越高，则成本就越高。-般的光电探测器所探测的角度精度可达到0.2。。为了能使测量精度提高的同时，并且降低成本，对原有旋光仪进行优化设计。设计方法是运用法拉第磁旋光调制的方法测量溶液浓度，对光电探测器 输 出 信 号 研 究 分 析。先 采 用 MATLAB-SIMULINK 对 系 统 进 行 优 化 设 计 ，运 用TMS32OF2812 DSP芯片将基频信号与倍频信号分离，对-段时间测量的信号分别求总的功率的平均值做除法运算测得旋光角。此种方法可将光电探测器测量精度由0.2。提高到0.001。，从而优化了仪器降低了成本。

1 磁调制旋光仪设计原理当线偏正光透过盛有旋光效应溶液的时候，偏振面会沿着光轴发生-定角度旋转，旋光角为 。

- L (1)其中，a为溶液的旋光率，它的大小跟溶液性质、光的波长 及温度丁有关，其中C为溶液浓度， 是光通过的溶液长度。当偏振光通过对法拉第线圈进行交流调制过的磁旋介子时，旋光角度增加了微调角。E ]- B (2)为Verdet常数， 跟物质的性质有关，当温度及波长确定时， 是恒值；d为光通过磁旋介质的距离，B为磁场强度。

Bsin(2ft)： onisin(27rft) (3)i为通过法拉第线圈的电流，由(2)及(3)式可得，flsin(2uft) ndisin(2uft) (4)通过光电检测器测量的光强大小，I1-Iosin ( flsin(2ft)) (5)。 为入射光强， 为出射光强，由于 flsin(2uft)值小，可将sin( in(27rft))做近似处理为sin(flsin(27 ))≈升 flsin(2uft)。E2]I -，。×[ flsin(2ft)]。

广 1I。×f ÷ 。2sin(2nft)- cos(4 )I (6)将近似处理的光强信号分解可以看出，此时的信号是由三种信号合成，分别为直流信号、基频信号与倍频信号∩以将(6)式的信号做进-步处理，即将基频信号求功率值与倍频信号进行相除，即可得到基频信号与倍频信号的幅值平方比。

- 孚· (8)将测得的 值带入式(1)中，便可以求出样品溶液的浓度值C。

图l 磁调制滤波旋光仪原理图Fig.1 M agnetic modulation filtering polarimeter prin-ciple diagram1半导体激光光源；2滤光片；3起偏器；4样品管；5调制线 圈E3]；6冕 玻 璃；7检 偏 镜；8 光 电 探 测 器 ；9TMS320F2812 DSP芯片；10液晶显示屏；2 原理图及材料选择图1为磁调制滤波旋光仪原理图，所运用的半导体激光器功耗低、寿命长是最佳的光源发生器；滤光片滤出光的波长为650 D.m；起偏器与检偏器垂直正交，在无旋光作用下，光电探测器测得值为零，即为消光位置；FD-M0C-A磁光效应综合试验仪对调制线圈的磁场的幅值与频率进行调节；长度为2 cm的冕玻璃 ；样 品管的长度为 10 am；DSP芯片对光电探测器输出信号进行滤波，求出基频与倍频信号的平均功率比，由(8)式得出旋光角，再根据溶液浓度与眩光角的比值关系计算出溶液浓度值，输出给液晶显示屏 。

3 蔗糖溶液浓度测量实验3.1 参数设置经实验验证冕玻璃在光波波长为650 nm温度为2O。C的情况下费尔德常数值为 -3.5×10。min/T·cm583.3(。/T-cm)，蔗糖溶液在旋光率 口-64.6 o/g·ml·dm)。 实验前，调整电流的幅值为第2期 王 芳，等：基于滤波处理旋光仪的优化设计0.2 A，频率为50 Hz，由(4)式得 -0.586397。。

3.2 系统优化设计运用MATLAB-SIMULINK进行程序设计[5]。

图3的三个输入信号三个输出量，input signal为光电探测器的输入信号端，经过增益处理，分别运用Butterworth带通滤波器分频滤波，对Zero-OrderHold零阶保持器设置到0.0001，运用Variance求总的平均功率，input constantl为 //4值，input COD-stant2为口 的值。输出端1为 / ，输出端2为 ，输出端3为溶液浓度C。

对优化好的旋光仪进行数据采样，采样图形如图4～7。图4为由光电探测器输出的信号，可以看出信号非常弱并带有噪声，经过对输入信号放大得图5。分别用Buterwoth带通滤波器滤出的基频信号图6及倍频信号图7。由于随机噪声对滤出的信号存在幅值影响，分别对基频信号及倍频信号求设定时间段的总功率平均值，从而降低噪声的干扰。

图2 信号处理流程图Fig.2 The signal processing flow chart输入常数2图3 模拟仿真原理图Fig.3 Simulation diagramo- -'L.............JL.......1.. .. .J.......L.......J.......JL......1.......L....J0.9 0.91 0.92 0.93 0.94 0.95 0.96 0.97 0.98 0.99 1图4 输入信号Fig.4 Input signal趔 5驿 -5墨 Z.9 0.91 0.92 0.93 0.94 0.95 0.96 0.97 0.98 0.99 1t/s图6 基频信号Fig.6 The frequency signal墨O.9 0.91 O.92 0.93 0.94 0.95 0.96 0.97 0.98 0.99 1t/s图7 倍频信号Fig.7 The multiple frequency signal3.3 测量实验用TMS32OF2812 DSP芯片处理光电探测器测量并放大的光强信号，信号在DSP芯片上进行A/D转换采样频率设在 10 000 Hz、分频滤波、将基频信号平均功率与倍频信号的进行比较，平率功率测量时间设为10 min。E6]数值运算所得的值由扩展存储器接口(EMIF)跟液晶显示器连接。浓度测量得出实验数据如表1。

O O O ( 120 光 电 子 技 术 第 33卷a、 摆0.002 0.OO4 0.006 0.008 0.O1 0.012 0.014 0.016 0.018 0.02蔗糖溶液浓度 /(g·ml- )图8 测量浓度的角度与理想曲线比较Fig.8 Comparison of measured concentrations of anglewith the ideal curve表 I 浓度测量数 据Tab.I Concentration measurement data样品(mg/浓度m1)平A比) (mg/浓度m1) 0 -0.8881.7592.6453.5254.4865.2876.1707.O5l7.9308.8120.1295O.25790.3877O.51670.6463O.77510.90451.O3381.16261.29182.0043.9926.00197.999110.00511.99914.00216.00317.99619.9973.4 数据分析从表 1中可以看出，运用优化的滤波处理旋光仪，所测量的样品溶液的浓度值非秤近理想值，最大误差值为0.005 mg/ml～测量浓度的旋光角的值与理想曲线比较如图8所示，测量的数据跟理想曲线的吻合度非常高。测量的旋光角精度与理论值对比可得出，运用此系统测量旋光角精度可达到0.001。，对角度的精度测量得到-定程度的优化。对低浓度蔗糖溶液浓度梯度在2 mg/ml的测量误差范围在AC(O.005 -0.005)(mg/m1)。由于测量的信号存在随即噪声，统计计算，随着测量计算，输出数据不断修正。理论上，当测量时间达到无穷大时，统计结果将趋近于理论值。

4 结 语本文在分析了旋光仪光电检测器测量精度不高问题的基础上，设计了运用法拉第磁旋光调制的方法将直流光信号转变为由三个中信号组合的信号。

对这三种信号进行研究分析，运用滤波器进行分频，滤出基频信号与倍频信号，求两者的平均功率，从而测量溶液浓度。在-定程度上弥补了光电探测器对微小旋光角不敏感的问题，优化了测量精度，降低了噪声和功耗。通过对样品旋光度的测量，可以分析确定物质的浓度、含量及纯度等∩广泛应用于制药、药检、制糖、食品、香料、味精以及化工、石油等工业生产，科研、教学部门，也可用于化验分析或过程质量控制方面。