基于法拉第旋光效应的两级调制旋光仪研究及设计

摘要

偏振光旋光角测量技术在工业生产监控、科研、医学器械等多种领域有着重要用处。如分析物质费尔德常数、溶液浓度检测、位移测量、薄膜厚度测量、计量控制等。偏振光旋光角的测量大都是通过旋光仪来实现，但市面上很多旋光仪体积重量都很高，并且高精度旋光仪价钱较昂贵。引起这些问题主要的因素存在于机械测量方面和利用了光电倍增管。如何替代伺服电机进行测量降低旋光仪体积和重量，怎样提高光电探测器的精度和速度，是本文研究的重点。
　　在论文着手前，参阅的有光的偏振原理、线性偏振光原理、旋光效应、磁旋光效应理论、磁旋光的应用等相关书籍和文献。中国科学院长春应用化学研究所研究了法拉第磁光效应测量方法，2011年哈尔滨工程大学做了微小磁旋光偏角的测量实验，2012年上海科技大学运用法拉第磁旋光效应和FFT算法实现了对低浓度溶液的测量等。本文在这些基础之上进行研究，对液晶合旋光仪、声光调制旋光仪、彩色光/频转换器旋光仪等多种旋光仪的设计结果比较分析，并进行了一些相关实验测量。通过理论分析及实验验证，设计了一种基于法拉第旋光效应的两级调制旋光仪。这种方法不但可以降低体积，而且提高了测量精度与速度。本文从理论和实验上详细研究了利用法拉第旋光效应原理及直流交流两级调制测量旋光角度的技术，其主要特点是采用了法拉第旋光效应两级调制的测量系统，第一级是旋光角校准，是通过改变直流电流来改变磁旋光角的大小，让光矢量反旋转至消光位置，测量出粗测角度。因为是把原来用电机旋转量转换为电流进行测量，所以降低了原来电机转动所带来的机械误差对溶液浓度测量的影响;第二级是小角度测量，在直流的基础上叠加了交流电流调制信号对剩余的角度进行测量，运用DSP对光电探测器的输出调制信号进行数据采集和处理，从而测量出精确的小角度值。最后将两次测量角度值叠加运算得到被测精确旋光角。
　　本文所设计的旋光仪基本上达到预期的测量精度，其精度可控制在0.01°以下。该方法实现了既能对旋光角快速精确的测量，又能够使系统设计更加小型化和仪器化。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 课题背景及意义

1．2 旋光仪的发展研究现状

1．2．1 旋光仪的发展

1．2．2 国外研究现状

1．2．2 国内研究现状

1．3 论文的创新点

1．4 论文的主要内容以及结构安排

第二章 法拉第旋光效应的相关理论

2．1 线性偏振光理论

2．1．1 线偏振光形成

2．1．2 线偏振光的数学描述

2．2 自然旋光现象的理论描述

2．3 法拉第旋光效应理论描述

2．3．1 法拉第旋光玻璃描述

2．3．2 法拉第旋光效应理论

2．4 Simulink软件介绍

2．5 本章小结

第三章 交直流法测溶液浓度研究及实验

3．1 运用直流磁旋光效应测溶液浓度设计

3．1．1 直流磁旋光测溶液浓度设计原理

3．1．2 直流磁旋光测溶液浓度设计公式推导

3．1．3 直流磁旋光测溶液浓度实验及分析

3．2 运用交流磁旋光效应测溶液浓度设计

3．2．1 交流磁旋光测溶液浓度设计原理

3．2．2 交流磁旋光测量浓度原理图及材料选择

3．2．3 交流磁旋光测溶液浓度实验及分析

3．3 本章小结

第四章 两级调制旋光仪系统设计

4．1 系统概况

4．2 材料的选择

4．3 数字信号处理介绍

4．3．1 时钟单元分析

4．3．2 时钟单元分析

4．3．3 信号采集最小系统设计

4．4 本章小结

第五章 实验仿真与实验结果分析

5．1 对测量旋光角的范围进行试验分析

5．2 实验验证及软件仿真

5．3 蔗糖溶液浓度实验测量误差分析

5．4 本章小结

第六章 结束语

6．1 论文工作总结

6．2 进一步研究工作

参考文献

致谢

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