自动旋光仪的工作原理及常见故障分析

自动旋光仪的工作原理及常见故障分析

作者：刘春雨

来源：《科学与财富》2016年第16期

摘要：旋光仪是测定物质旋光度的仪器，通过对样品旋光度的测定，可分析物质的浓度、含量、纯度等。本文介绍了旋光仪的工作原理及常见故障分析。

关键词：旋光仪；旋光度；偏振光；偏振面；法拉第线圈

一、简介

我厂使用的自动旋光仪主要型号有上海精科生产的WZZ-1S，WZZ-2S/2SS和SGW-1，其中SGW-1自动旋光仪采用卤钨灯光源经过干涉滤光片产生589.3nm波长光谱进行光电检测，用自动伺服电机控制编码盘，编码盘转动角度经过光电计数后由显示器数字显示旋光仪数值，此自动旋光仪具有多种测量工作模式，可以在显示器上直接显示旋光度、比旋度、糖度、旋光物质的浓度等。

二、工作环境

·避免强烈振动；

·避免阳光直射；

·湿度小于等于80%；

·温度在5℃-40℃之间；

·避免强大的电场或磁场；

三、工作原理

1、光测量原理

1.1光是一种波，它的振动方向是和传播方向垂直的，如图1。自然光在跟它传播方向垂直的各个方向都有振动，如图2所示。

偏振：有一些光学器件，自然光通过后，它只允许某一个方向振动的波通过，而其余方向振动的光波被大大地衰减甚至完全消除，这种现象叫做偏振。

偏振镜：能使光偏振的光学器件叫做偏振镜。

偏振光：这种单一方向振动的光波称为偏振光。

偏振面：偏振光的振动方向与传播方向构成平面叫做偏振面。每一块偏振镜都有一个偏振面，它只允许自然光中，振动方向与这个偏振面一致的光波通过。而振动方向与偏振面相差的角度越大的光波就被减弱得越多，对于相差90°的光波（即振动方向与偏振面相垂直的光波）几乎被全部减弱而通不过。

旋光度：有一部分物质，在偏振光通过时，会使偏振光的偏振面绕着光轴转过一个角度，因此，从这些物质穿出的偏振光的偏振面与射入时的偏振面相差一个角度，这个角度叫旋光度。

具有旋光性质的物质称为旋光物质，如石英、糖、抗生素等都是旋光物质，不同的物质由于含量、纯度的不同，旋光度也不同。

旋光物质有左旋物质和右旋物质。如果我们面向偏振光偏振镜：能使光偏振的光学器件叫做偏振镜。

偏振光：这种单一方向振动的光波称为偏振光。

偏振面：偏振光的振动方向与传播方向构成平面叫做偏振面。每一块偏振出的方向看去，使偏振面顺时针方向旋转的物质叫做右旋物质或正旋光物质。使偏振面逆时针方向旋转的叫左旋物质或负旋光物质。

旋光度大小与下面因素有关：

a. 物质的旋光度与温度有关。有的物质随着温度升高旋光光度增加，如：石英等，有的物质随着温度升高而旋光度减小，如：蔗糖等，因此在测试时，必须准确掌握温度，然后进行修正。

b. 与平面偏振光的波长有关，波长不同旋光度也不一样。

c. 与旋光物质有关，不同的旋光物质有不同的旋光度。

d. 与偏振光在物质中通过的光程长度有关，在物质中光程越长，偏振面转过的角度越大即旋光度越大。因此要比较物质的旋光度，必须规定试样长度。常用的试管长度为200mm和100mm两种。

比旋光度：在一定波长和一定温度下，旋光性物质溶液的浓度为1g/ml，液柱长度为1dm 时的旋光度。

1.2起偏和检偏

起偏镜和检偏镜是同样的偏振镜，但它们在光路中的位置和任务不同，起偏镜在试样室前，将光源射来的平行自然光形成偏振光。检偏镜在试样室后，当二块偏振镜的偏振面相一致时，通过的偏振光最强，当二块偏振镜的偏振面垂直时（正交90°），检偏镜通过偏振光几乎完全被消除掉，我们从检偏镜后看过去光的亮度最暗。当向左或向右转动起偏镜，使之离开与检偏镜的偏振面垂直位置，亮度都会增大，在90°范围内，偏离垂直位置的角度越大亮度也越大，偏离的角度相等，亮度也相等。

1.3法拉第线圈对偏振光的调制

有了起偏镜和检偏镜，在放入不同试样后，试样会使起偏镜形成的偏振光的偏振面旋转不同的角度，经过检偏镜变成不同的亮度，但直接测亮度的精度不高、误差大，而且还无法判断左旋或右旋，为此还必须用法拉第线圈对偏振光进行调制。

法拉第线圈两端通过电容接在50Hz（或60Hz）交流电源上，在线圈的轴孔里放有磁旋玻璃棒，随着通电线圈磁场的变化，通过玻璃棒的偏振光的偏振面也随着变化，50Hz交流电每秒变化正负50次，偏振面也每秒左右摆动50次，摆动幅度与磁场强度及磁旋玻璃材料和长度有关。

2、旋光仪的基本组成

旋光仪是由光、机、电结合在一起的仪器。卤钨灯发出的光依次通过小孔光阑、聚光镜、起偏镜、法拉第调制器形成一束偏振面随法拉第线圈中交变电压（50Hz）而变化的调制偏振光，经过装有待测溶液的试管后，射入检偏器，再经过滤色片滤成589.3nm单色光进入光电倍增管，光电倍增管将接收到的光强信号转变成电信号，并经前置放大器，选频放大器，功率放大器，驱动伺服电机，通过蜗轮蜗杆机械传动带动起偏镜转动一个角度，当信号平衡后电机停止转动。蜗杆同时带动码盘旋转，并经过光电计数，微控制器处理，由液晶显示器显示旋光度读数。

四、以上海精科的SGW-1为例，常见故障分析

1、卤钨灯不亮或亮度不足

1）卤钨灯灯座接触不良或经运输振动后脱出灯座；

2）卤钨灯损坏；

3）卤钨灯工作电压应调节至11.5V。

2、光电转换及光电倍增管部分无信号输出

1）光路被堵，观察试样室内通光情况；

2）法拉第线圈坏或相关回路线头脱落；

3）偏振镜坏（退色或失去偏振特性）；

4）无高压输入而倍增管不工作；

5）光电倍增管坏。

3、前置放大器无信号输出

1）前置放大印板应有交流信号输出，如无信号输出则表明有运算放大器等元件损坏或虚焊现象；

2）无自动高压控制信号，可按照前面原理分析查找无自动高压故障。

4、选频放大器部分

1）选频放大器输出端交流信号正常在2V左右，如无信号则可能100HZ或50Hz双T选频回路电阻电容或相关三极管损坏。可使用万用表或示波器逐级测量各级工作状况；

2）选频印板输入电压为21V，经稳压输出18V电压作为选频电路的电源电压，如无18V 电压，则可能BG2-11三极管或D2-6稳压管坏造成。

5、电源及功放部分

1）无21V电压输出，造成原因可能是二极管D301-D305、稳压管D306坏或者电容

C313、C316击穿；

2）按复测键电机转动，松开复测键电机不转，在电源功放印板上的原因可能是BG301三极管坏或电位器W301坏；

3）阻尼信号不起作用，其原因是电位器W302坏或双运算放大器的其中一个运放坏。

6、高压部分故障

1）高压部分无高压输出

a.BG4-1、BG4-2、BG4-3其中一只三极管坏；

b.振荡线圈断路；

c.高压整流管坏；