本旋光仪主要由光源(卤素钨灯)、聚光镜， 起偏器、法拉第磁光调制器、样品室、检偏器、 干涉滤光片(589 nm和8 8 0 nm)、光阑和光电倍 增管及讯号电路组成(见图2) 。

图2(Figure 2)

图2 近红外旋光仪结构与原理图

卤素钨灯发出的光，经聚光镜、小孔光阑、 场镜、起偏器、法拉第磁光调制器、准直镜，形 成一束推动平面随法拉第线圈中交变电压而变化 的准直的平面偏振光，经过装有待测溶液的观测管后射入检偏器，再经过接受物镜、干涉滤光片 (根据待测样液的需要，选择589 nm或8 8 0 nm) , 小孔光阑进人光电倍增管，光电倍增管将光强信 号转换成电信号，并经前置放大器放大。

本自动数字显示旋光仪的测量原理是基于光 学零位原理，即自然光依次经过起偏和检偏器的 通光方向正交时作为零位，检偏器偏离正交位置 的角度α与人射检偏器的光强I之间的关系按马 吕斯定律为:

起偏器和检偏器是同样的偏振器，起偏器在 试样室前，将光源射来的平行自然光形成偏振光 (偏振光的振动方向与传播方向构成的平面称为 偏振面)，检偏器在试样室后，当2块偏振器的 偏振面相一致时，通过的偏振光最强，亮度最亮， 当2块偏振器的偏振面垂直时，(正交90°)检 偏器对第一块起偏器形成的偏振光几乎完全被消 除掉(如图3)。

图3(Figure 3)

图3

AA'为起偏镜的偏振面，BB'为检偏器的偏振面，从检偏器后观察可知，两个偏振面相互垂 直时，通过的光亮度最小(接近全黑)。当向左或 向右转动起偏器，使之离开与检偏器的偏振面垂 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，如图3中A₁A₁'与A₂A₂'。

本仪器于装校中已把起偏器和检偏器的偏振 面放置在垂直的位置上，即平衡位置(即上述所 提的零位光学原理)，不管什么原因，使起偏器 和检偏器的偏振面不是垂直位置，电气控制部分 自动的使电机带动蜗轮使检偏器恢复到原来相互 垂直的平衡位置上。此时如显示部分不是全零， 可通过置零按扭使电路全部置零，作为测试前的 准备工作。

在放入不同(有旋光性)试样后，试样会使起 偏器形成的偏振光的偏振面旋转不同的角度，经 过检偏器变成不同的亮度，但直接测量亮度的精 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调制器对偏振光进行调制。 法拉第线圈两端通过电容接在电源220 v/50 Hz 的交流电器，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，50 Hz交流电每秒变化正 负50次，偏振面也相应左右摆动50次，摆动的 最大位置为±0.5°,在平衡位置时,如图4, 每摆动一次先从AA'位置摆动到A₁A₁',再摆动 到AA'又摆动到A₂A₂'位置,最后再回到AA' 位置。从检偏器后观察,在亮度变化上,在位置 AA'最暗在A₁A₁'与A₂A₂'时最亮,出现亮暗 2次变化即每秒变化l00次。即法拉第线圈两端 加以频度为f的正强交变电压μ=USin2πft时, 按照法拉第磁光效应,通过平面偏振光振动平面 将迭加一个附加转动。α=βSin2πft。也就 是亮度变化频率为100Hz，l00Hz就是平衡信号。 若放进一个旋光度+10°的试样试样使偏 振面从A0A0'到AA',旋转+10°如图5。这时法 拉第调制器调制偏振面由AA'摆动到A₁A₁', 再摆到A₂A₂'回到AA',从检偏镜观察,它的亮度变化在A₂A₂'时较暗,在A₁A₁'时较亮,即偏 振面每摆动一次,也就是每秒钟亮度变化一次, 也即亮度变化频率是50 Hz,50 Hz是电机的动 作信号,伺服电机带动检偏器旋转,使偏振面回 到A0A0'位置,这时亮度每秒摆动100次,即100Hz 平衡信号,电机停止转动,这时转过的角度从显 示器上显示+10°因此有了调制器,大大提高 测试精度。

图4(Figure 4)

图4

图5(Figure 5)

图5

若有一个右旋10°和一个左旋10°的物质分 别放入试样室,它们使偏振面旋转+10°和-10°,

如图6。

图6(Figure 6)

图6

如果调制器使偏振面的摆动都是从AA'到 A₁A₁'再到A₂A₂'它们在同一时间里亮度的变 化正好是相反的,即相位差是180°一种是和电源同相的,一种是和电源反相的,这两种正反 相亮度变化信号,控制了电机的正反转,从而指 示出左旋或右旋光度。

由前面的图1可知近红外光远远超出糖色素 的吸光范围,要避免使用有毒的铅试剂作为深颜 色糖液的除色剂,直接测量深颜色糖液的旋光 度,就必须应用近红外旋光仪。现有国产自动旋 光仪仅有589 nm波长或546 nm的可见光工作 波长。本研究项目就是在可见光工作波长(589nm) 的基础上增加一个近红外光(880 nm)的工作波 长。看似简单，实际上多了一个近红外工作波长， 近红外是不可见光区，由此，从光源、光学器件、 检偏器等及光电信号转换系统——光电倍增管、 模数转换系统等，原理虽一样，但性能和配件材 料差异较大。

图7(Figure 7)

图7 某些连续光源的典型功率输出

图8(Figure 8)

图8

(1)旋光标准石英管：采用经中国计量科学 研究院测试、校准的旋光标准石英管(证书编号: CDtd2000-0064)来校准近红外旋光仪。 旋光标准石英管：λvac=589.44 nm测试 温度20℃;

编号616:旋光度17.324°;糖度50.03°Z

编号615:旋光度34.665°;糖度:100.11°Z

(2)将旋光标准石英管置放于近红外旋光仪 的测试室中。根据测试室温度，由标准石英管的 温度校正公式，求出在该温度下，标准石英管应 有的数值，使近红外旋光仪在波长为589 nm和 880 nm时的显示读数与标准管在该温度下应有 的数值一致。如不一致，可通过调节干涉滤光片 使其一致。

(3)在一定的温度条件下校准近红外旋光 仪。

测试温度16.5℃，湿度55%，读数为糖度 单位°Z。

(1)仪器岛律UV一260紫外——可见分光光 度计(用于检测透光率T%值）。

(2)样品。取最终糖蜜任意量稀释作为样品。 用快速滤纸过滤。

(3)观测管。观察管长度100 mm。用观测管 装样液，直接用于观测透光率T%值和转光度。

(4)波长。工作波长取880 nm的近红外波长， 观测透光率TK及转光度： 试验结果如表2。

表2(Table 2)

表2

表2

在T%=0.24~0.08之间稀释过量，无法细 分，但本近红外旋光仪，在880nm工作波长测量 样品的透光率T%值定为≥0.50%是留有余地的。

所采用的最终糖蜜的色值按常规方法分 析波长在560 nm、比色皿长度1.0 cm， A560nm=0.893，观测锤度(Bx)1.67，样品温度是 14℃，经计算更正锤度(Bx)1.43;浓度为:1.43× 1.00278/100=0.01434 g/mL以国际色值单位表示：

(1)近红外旋光仪开机后,测量样品前均以 旋光标准石英管校正。

(2)在甘蔗糖厂生产过程中，取混合汁和澄 清汁样，在炼糖期取回溶糖浆。

分别采用加铅盐澄清过滤，用波长589 nm 测转光度；不加铅盐澄清，只用滤纸过滤，用波 长880 nm测转光度，观测管均为100 mm。

本项目经过对光源、起、检偏器、法拉第磁 光调制器及光电转换系统的试验筛选,应用CPU 作为模数转换及电路优化,将近红外新技术应用 于旋光检测,研制出光机电一体化的，带有 可见光(589 nm)和近红外光(880 nm)的双波长的 近红外旋光仪填补了国内近红外旋光仪的空 白。本近红外旋光仪，在880 nm波长处精度0.05°；Z 的前提下，可测样品的透光率T%达到0.25%； 在589 nm波长处精度达到0.02°Z的前提下,可 测样品的透光率T%达到0.01%。本近红外旋光 仪于2003年1月已取得国家专利(专利号： 01255794.3)，并已通过由国家轻工业局组织的 专家组鉴定，达到国内领先水平。解决了深颜色 糖液无需使用铅试剂作为澄清剂而直接测量的难 题，可避免受铅的毒害及污染，有利于人体健康 及环境保护。近红外旋光仪在甘蔗糖厂的实际应 用将另文介绍。