旋光仪的工作原理是什么(旋光仪的工作原理ppt)

1，张子豪，杨红2，陈丹2

(1)北京信息科技大学信息与通信工程学院，北京100101；2.北京信息科技大学理学院，北京100101)

根据物理光学原理，设计了一种智能旋光检测及远程监控系统。利用单片机控制起偏器的运动和光敏传感器检测光强，可以准确检测不同物质的旋光特性。针对目前市场上常见的蜂蜜掺假情况，将该系统应用于实际检测，检测结果可以判断蜂蜜是否掺假以及掺假的类型。在此基础上，设计了基于Android和PHP的远程监控系统，实现了对样品检测数据的远程管理和实时监控。

旋光；光敏传感；单片机控制；智能检测；远距离监控

分类编号中国数字:TP216

文件识别码:A

DOI:10.16157

中文引文格式:张子豪、杨红、陈丹。智能旋光检测及远程监控系统的设计与应用[J].电子技术应用，2018，44 (2): 55-58。

英文引用格式:张子豪，杨红，陈丹。智能旋光检测及远程监控系统的设计与应用[J].电子技术应用，2018，44 (2): 55-58。

0简介

许多物质具有光学性质，准确测量物质的光学性质有助于分析物质的组成。蜂蜜是一种具有旋光特性的物质，也是一种常用的营养保健品。但是，市场上蜂蜜掺假的情况很多。如果能检测出蜂蜜的掺假，就能为公众生活增加质量保证。

因此，本文设计了一种智能旋光度检测系统。该系统由光源、偏振/检偏器、光敏传感器、步进电机、蓝牙、液晶、远程监控等组成。可以测量不同物质的旋光度特性，并对测量数据进行远程管理。

1系统设计

监控系统结构如图1所示。该系统由光学部分、控制电路部分和远程监控模块组成。光学部分包括激光光源、光敏传感器、起偏器和检偏器。光源产生一束单色光，先通过起偏器变成线偏振光，再通过样品管出射，经过检偏器，最后到达光敏传感器。控制电路以STM32单片机为控制核心，外围有光敏A/D采样电路、ULN2003步进电机驱动电路、蓝牙串口电路和LCD显示控制电路。单片机控制步进电机带动检偏器转动，光敏电阻的输出电压随不同的光强而变化。根据马里乌斯定律，可以计算出待测样品的旋光度，并将测得的数据显示在液晶屏上。单片机通过蓝牙将测量结果发送到手机，手机上的APP将测量数据上传到Web服务器，这样就可以在任何地方对测量数据进行管理，实现检测和远程监控。

系统的2个关键模块

2.1主控制器

为了使测量准确，同时降低成本，本系统采用STM32F103C8T6单片机作为主控制器。该芯片最高工作频率可达72 MHz，具有512 KB闪存和64 KB SRAM。丰富的片上资源大大简化了系统硬件，同时也大大降低了系统功耗[1]。当所有外设都处于工作状态时，系统功耗为18 mA，但待机时仅为2μA[2]。MCU集成了一个12位ADC模数转换器[3]，最短转换时间为1 μs，转换速度非常快。在本系统中，ADC1配置为连续工作模式，采样次数为100次。即步进电机每走一步，ADC采样100次进行平滑，得到采样值，增强了光强数据的稳定性，提高了本系统的测量精度。同时单片机有五个USART(通用同步异步收发器)接口[4]，可以很方便的与外设进行数据传输。在该系统中，USART1和USART2均配置为UART(通用异步收发器)模式，波特率为9 600 b/s，可以方便可靠地与显示屏和蓝牙模块进行通信。

2.2光敏传感器和光源

光敏电阻用作光敏传感器。光强采样电路如图2所示。图中，R是光敏电阻，R1是电阻为1kω的分压电阻。将R和R1的中点连接到单片机的ADC引脚进行测量。当光敏电阻的光强不同时，其电阻值不同，使电阻R1两端的电压降发生变化，从而通过单片机的ADC读取光强的变化。为了使光敏电阻的阻值在测试中光强最大时呈线性变化，本系统选用环氧树脂封装硫化镉(CdS)制成的可见光光敏电阻GL12528，直径12 mm，亮电阻约560kω，暗电阻约2mω。

为了保证光在低透光率材料中的穿透性和光源长期工作的稳定性，系统采用激光作为系统光源。激光器直径为12 mm，外加电压为3 V时功率约为5 mW，使用时需要保证激光器水平和同轴光学元件。

2.3分析仪-步进电机组合模块

起偏器和检偏器采用φ20 mm应时圆偏振器，以保证偏振效果。分析器嵌入齿轮的中心，与偏振器同轴。设计时，确保分析仪与嵌套齿轮共面，使分析仪旋转时始终与光路垂直，以保证测量精度。

为了精确控制分析仪的旋转角度，本系统选用28BYJ步进电机驱动分析仪旋转。步进电机是一种数控电机，它将脉冲信号转换成角位移，即当给定一个脉冲信号时，步进电机就会旋转一个角度[5]。28BYJ步进电机为四相八拍电机[6]，最小步进角为0.087° 9，驱动电压为12 V，由于单片机引脚输出电流太小，无法驱动电机，本文采用ULN2003A驱动芯片驱动步进电机[7]。需要注意的是，当电机停止转动时，驱动端的四个引脚应被拉下，而不是保持。

2.4显示屏

本系统采用USART HMI串行触摸屏进行数据输出和触摸输入，既保证了数据显示的直观性，又提供了方便的操控。显示屏通过串口接收到MCU的指令后显示，可以将触摸操作发送给MCU进行处理。

2.5远程监控模块

远程监控模块主要包括Web管理系统和Android客户端两部分。

网络管理系统

网站管理系统是用PHP语言开发的。图3显示了系统架构，图4显示了系统界面。

Web管理系统由首页、在线设备管理和数据管理三大部分组成。各部分的主要功能如下。Web管理系统由主页、在线设备管理和数据管理组成。各部分的主要功能如下。

(1)首页展示部分检测设备的实时检测数据，供公众查阅和监督。同时，主页为管理人员提供了一个登录通道，登录管理系统后，可以对设备进行更高级的操作。

(2)在线设备页面显示当前在线设备列表，支持设备远程测量和设备检测参数远程配置。

(3)数据管理页面可用于查看所有检测到的数据。支持按设备、按样本、按位置查看，方便管理人员批量查看和操作数据。同时，可以将数据导出到Excel工作表进行进一步分析。

安卓程序

Android程序界面如图5所示。用Java语言开发，支持安卓4.0以上版本手机，通过蓝牙连接检测仪。连接成功后，可以获取检测仪的状态信息和测试结果数据，并通过按键控制单片机进行测试，通过JSON将测试数据上传到云端数据库，从云端数据库下载测试数据到手机。

3系统工作流程

该旋光检测系统的工作流程如图6所示。

启动后，系统在第一步初始化每个模块。首先，在样本管中放入清水，并对仪器进行调零。此时单片机控制步进电机驱动检偏器旋转到最小光强，表示此时起偏器和检偏器处于垂直状态，调零完成。第二步:将待测物质的溶液放入样品管中，然后根据触摸屏上的提示设置当前样品号并选择开始测量。此时，步进电机驱动分析仪进行左旋扫描。如果微控制器发现测得的光强逐渐减小，则当前的旋转方向就是材料的旋光方向。如果发现光强逐渐增大，说明当前旋转方向不是物质的旋光方向，然后控制步进电机进行右旋扫描。扫描到最小光强，记录此时旋转的角度为旋光度。第三步:测量完成后，显示屏显示旋光度，然后可以根据屏幕上的指示通过蓝牙将旋光度等数据发送到手机上。在手机上上传数据时，数据会通过Web写入云端数据库，通过电脑等浏览器访问网站即可查看测量结果。

4系统测试

4.1验证马里乌斯定律

马吕斯定律是定量描述光的偏振的重要定律。当一束自然光通过偏振片A和B时，假设偏振片之间的夹角为θ，偏振片A形成的线偏振光强度为I0，则通过检偏器B的透射光强(相对光强)I将满足以下关系式(马吕斯定律)[8]:

在样本管中放入清水，然后点击屏幕进入测试模式。此时，步进电机会驱动检偏器旋转360°，并保存旋转过程中的角度和对应的光强值，画出0 ~ 180°时角度θ与光强的关系曲线，如图7所示。

从图7的曲线可以看出，测量结果与理论一致，说明系统测量是可靠的。

4.2蜂蜜掺假检测

经过深入调查，市面上常见的几种蜂蜜掺假方式有:添加果葡糖浆[9]，添加蔗糖或果糖，或者将糖与明矾混合，然后加热勾兑成假蜂蜜。这些掺杂的物质和蜂蜜的光学性质是有区别的。本文利用设计的智能检测系统对蜂蜜及掺假蜂蜜样品进行了实际检测。

图8显示了蜂蜜和混合有蔗糖和果糖的蜂蜜的测试结果。从图8可以看出，生蜂蜜的旋光性与蔗糖、果糖明显不同，其左右手性质和旋光性也不同。因此，可以有效判断蜂蜜是否掺假以及掺假的类型。对于蜂蜜中掺入果葡糖浆的情况，该系统也应用于实际检测中，可以有效判断。

5结论

基于物理光学原理，设计开发了一种由单片机智能控制的旋光检测及远程监控系统。该系统包括光源、偏振/分析元件、光敏传感器、步进电机、LCD触摸显示模块、不同规格的样品试管等控制和测量元件，实现了对不同物质旋光特性的精确测量。基于Android和PHP的远程监控系统实现了对样品检测数据的远程管理和监控，数据查询速度快，管理方便。

设计的系统用于蜂蜜检测。针对市场上常见的蜂蜜掺假类型，如添加蔗糖、果糖、果葡糖浆、明矾勾兑等，实际检测结果表明，该系统能有效检测蜂蜜是否掺假，并确定掺假类型。

与传统的手动旋光仪相比，该智能旋光度检测系统克服了利用半波片产生三分视界的方法中人工经验误差大、测试时间长的缺点[10]。与传统的蜂蜜检测方法相比，如高效液相色谱折光率法、碳稳定同位素分析法、核磁共振法[11-14]，该智能旋光度检测系统操作简单，结果可靠。此外，远程监控管理功能可以为食品安全部门监控蜂蜜质量提供有效帮助。

参考

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