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主题：【第七届原创】自动旋光仪“三光”器件解析及故障排除

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sc360xp

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发表于：2014/10/14 13:04:22 楼主管理分享倒序浏览只看楼主回复私聊

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自动旋光仪“三光”器件解析及故障排除

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，可以分析确定物质浓度、含量及纯度等。自动旋光仪采用光电检测自动平衡原理，进行自动测量显示。

下面通过拆解国产“申光”牌WZZ-2型自动旋光仪，来认识自动旋光仪中起重要作用的钠光灯、磁旋光调制器、光电倍增管三个器件，排除其发生的故障。

一、WZZ-2型自动旋光仪结构

仪器外观：庞大的体积，重量约27公斤。

仪器参数：

(1)测定范围：±45°

(2)准确度：±（0.01°+测量值×5/10000）

(3)可测样品最低透过率：10%（对钠黄光而言）

(4)读数重复性：≤0.01°

(5)显示器自动数字显示：最小示值0.005°,速度1.30°/秒

(6)单色光源：钠光灯加滤色片（589.3毫微米）

(7)样品管：200毫米、100毫米两种

(8)电源：200伏±10伏，50赫兹，220伏安

(9)仪器尺寸：606毫米×310毫米×212毫米

内部结构及各部件名称：

卸下后部固定螺丝，揭开机盖：

开机状态：

各部件名称：

伺服电机通过伞形齿轮带动蜗轮杆转动（计数圆盘编码光栅同轴转动），蜗轮杆再带动铜质蜗轮转动（带动同轴的起偏镜I转动）：

两只光敏LED，接收穿过圆盘编码光栅后的光线，作为计数信号：

计数光源竟然使用两只电珠：

LED数码管显示板：

显示板背面，用TTL集成电路构成逻辑门和驱动：

四块功能电路板采用接插件形式，拆下：

这是电源板：

这是高压光源板，给光电倍增管提供加速电压：

这是功率放大板，为伺服电机提供驱动：

拆下四块电路板后的仪器：

采用工频电源变压器供电：

仪器底座是铸铝的，很重：

通过拆解，可见这台早期（大约是1993年）的自动旋光仪电路是用分离元件手工焊接，一致性和稳定性都不好，对维修、统调的技术要求高。

自动旋光仪工作原理

1、系统框图：

2、工作原理：

基于光学零位原理设计的旋光仪。仪器采用20瓦钠光灯作光源，由小孔光阑和物镜组成一个简单的点光源平行光管，平行光经偏振镜Ⅰ变为平面偏振光，其振动平面为00（图中1），当偏振光经过有法拉弟效应的磁旋线圈时，其振动平面产生50赫兹的β角往复摆动（图中2），光线经过偏振镜Ⅱ投射到光电倍增管上，产生交变的电讯号。零位平衡过程见下图：

仪器以两偏振镜光轴正交时（即OO⊥PP）作为光学零点，此时，α=0°。磁旋转线圈产生的β角摆动，在光学零点时得到100Hz的光电信号，在有α1°的试样时得到50Hz的信号，但它们的相位正好相反。因此，能使工作频率为50Hz的伺服电机转动。伺服电机通过蜗轮，蜗杆将偏振镜Ⅰ转过α1°，仪器回到光学零点，伺服电机在100Hz信号的控制下，重新出现平衡指示。偏振镜转过的α1°角度即是物质旋光度，通过计数电路显示出来。

二、起重要作用的“三光”器件

自动旋光仪离不开光源、磁旋光调制器、光信号检测三个重要组成部分，下面对实物进行拆解分析。

第一“光”——钠光灯

旋光仪的光源由低压钠光灯构成。低压钠灯是一种低压钠蒸气放电管，内管系用特种抗钠玻璃吹制而成，点燃后能辐射出5890A、5896A钠谱线，作为旋光仪、折射仪、偏振仪等光学仪器中的单色光源。

取下灯管观看，型号为GP20Na：

钠光灯工作原理：

钠光灯是基于低压钠——稀有气体放电原理而发光的电光源。在室温下，钠是固体，单纯使用钠的气体放电灯不易启动。在灯的玻管内充入氩氖混合气，灯放电时首先呈现氖的特征红光，并产生热量使放电管温度提高，导致钠开始蒸发；因钠的电离电位和激发电位比氖和氩低，放电很快转入钠蒸气中，辐射出可见光。低压钠放电辐射集中在589.0nm和589.6nm的两条双D谱线上,它们非常接近光谱光视曲线的最高值(555nm)，故其发光效率极高。

低压钠灯放电管玻壳采用抗钠蒸气侵蚀的抗钠玻璃制作。为减少由于传导、对流产生的热损耗，将放电管置于真空圆柱形外玻壳内，玻壳内壁涂覆一层能透过可见光并能反射红外线的膜，以减少放电管的热辐射损耗，提高低压钠灯的发光效率。这种透明反射红外线的膜层以氧化铟膜层居多。灯的外玻壳内还装有支架以支撑放电管。

钠光灯电路：有交流工作方式和采用交流启辉、直流工作方式两种。

1、交流工作方式（老式圆盘型旋光仪）

圆盘型旋光仪的光源电路类似于老式的日光灯电路，在电路中串联了一个镇流器，控制灯管工作时的电流，直接接入220V市电，电路图如下：

钠灯启动过程：当接通电源开关后，下部启动电极与主电极之间首先击穿放电产生辉光，然后上下两个主电极之间放电产生辉光：

辉光放电使管内温度迅速上升，金属Na汽化并电离发光，约3分钟后稳定地发出黄光：

2、交流启辉、直流工作方式（本机采用这种方式）。

钠灯交流工作方式虽然简单，但缺点是有50Hz闪烁，不是很稳定。自动旋光仪采用了交流启辉、直流工作方式，克服了闪烁，保持了恒流供电，使光源质量更高。本机钠灯电路图如下：

启动过程：首先将灯工作方式开关K3置于交流档，接通电源开关K1，钠灯被交流电源启辉点燃，约3分钟后，将开关K3置于直流档，由直流电源提供续流，进入工作状态。钠灯的工作电流由取样电阻Rb2及晶体管电路控制，Wb是灯电流调整电位器，Tb是灯电流控制功率管，发热较大，也容易损坏。

维护：

钠光灯使用一段时间后，出现黄光发暗或发白，即衰老或损坏。黄光发暗，光能量减小；钠光发白，光谱偏移，在负反馈电路作用下，电路增益提高，当增益过高时，可能出现平衡点零点电压发生偏移，造成伺服电机逆转，出现故障。应更换钠光灯。

由于钠灯的工作电流较大，其电流控制电路中的功率三极管、电位器、取样电阻是故障多发的元件。

对于手动切换交直流工作的钠光灯，应在交流点燃充分后，才能切换到直流工作状态。

另外，钠光灯中有活泼金属钠，废弃的钠光灯要小心处理。

第二“光”——磁旋光调制器

磁旋光调制器是基于法拉第效应制作的元件。其应用范围广，类似的有光隔离器、环形器、磁光调制器、高速光开关、梳状滤波器、激光陀螺、激光测角仪、磁光信息处理系统、强磁场和高压传输线上的电流测量传感器、空间光调制等光功能装置。

拆下保护外罩：

用绝缘纸包裹的铜漆包线绕成螺线管：

将旋转线圈卸下：

用万用表测量，线圈电阻值为3.78kΩ：

旋下端口的固定螺帽：

取出旋光玻璃棒：

旋光玻璃棒呈微黄色，是用磁光玻璃/法拉第旋光玻璃材料Tb-10, Tb-12和Tb-15制成，属于高科技器材：

1、磁旋光原理（摘引了网上资料）：

1845年，法拉第（M.Faraday）在探索电磁现象和光学现象之间的联系时，发现了一种现象：当一束平面偏振光穿过介质时，如果在介质中，沿光的传播方向上加上一个磁场，就会观察到光经过样品后偏振面转过一个角度，即磁场使介质具有了旋光性，这种现象后来就称为法拉第效应。法拉第效应第一次显示了光和电磁现象之间的联系，促进了对光本性的研究。之后费尔德（Verdet）对许多介质的磁致旋光进行了研究，发现了法拉第效应在固体、液体和气体中都存在。

维尔德(Verdet)对法拉第效应进行了仔细的研究，发现光振动平面转过的角度θ与光在物质中通过的长度l和磁感应强度B成正比，即：

θ=VlB

式中，V是与物质性质有关的常数，叫维尔德常数。

2、磁光调制

通常把光的频率、相位、振幅三个参量中的一个随外加信号而变化称为磁光调制。磁光调制分为直流磁光调制和交流磁光调制。若磁光效应中的磁化线圈为多层密绕螺线管，其轴线上的磁感应强度B与线圈中的电流强度I有正比关系：B=KI，K为比例常数。于是光偏振面的旋转和调制电流I有线性关系:

θ=VlB=VlKI

磁光调制主要应用于光偏振微小旋转角的测量技术，它是通过测量光束经过某种物质时偏振面的旋转角度来测量物质的活性，这种测量旋光的技术在科学研究、工业和医疗中有广泛的用途，在生物和化学领域以及新兴的生命科学领域中也是重要的测量手段。如物质的纯度控制、糖分测定；不对称合成化合物的纯度测定；制药业中的产物分析和纯度检测；医疗和生化中酶作用的研究；生命科学中研究核糖和核酸以及生命物质中左旋氨基酸的测量；人体血液中或尿液中糖份的测定等。在工业上，光偏振的测量技术可以实现物质的在线测量；在磁光物质的研制方面，光偏振旋转角的测量技术也有很重要的应用。

维护

磁旋光调制器本身故障率极低，几乎不会发生故障，可以用万用表电阻档测量线圈的通断即可。本机器的结构中，由于没有密封，容易进灰尘、小虫，使调制器中的磁旋光玻璃棒通光端面受到污染，从而影响检测，需要定期检查清洁。

第三“光”——光电倍增管

由于仪器检测光信号很微弱，使用光电倍增管来转换放大、检测。

光电倍增管又称打拿管，属于真空电子管器件，历史比较悠久，技术成熟。

本机的光电倍增管位置见下图：

拆开光电倍增管背后的小铁盒：

小铁盒内部，管座上是各个加速极的分压电阻，下面是前级电路板：

前级电路板：采用输入阻抗高的3DJ6F（N沟，结型耗尽型场效应管）作首级，其余三极管采用3DG6（硅高频NPN三极管）：

松开光电倍增管屏蔽罩的固定螺丝：

慢慢取出屏蔽罩：

这是光电倍增管：

本仪器采用GDB-221侧窗型光电倍增管，该管采用钠钙玻璃光窗，侧窗式不透明锑钾铯光电阴极和直列式静电聚焦倍增系统，具有8级倍增级，光谱响应范围300～700nm，峰值波长为420±20nm，寿命不低于500小时，取下来观看：

光电倍增管的结构和倍增级外接分压电阻原理图如下：

光电倍增管工作原理：光电倍增管主要由光阴极K、倍增极D和阳极A组成。阴极一般都采用具有低逸出功能的碱金属材料所形成的光电发射面，光电倍增管的窗材料通常由硼硅玻璃、透紫玻璃（UV玻璃）、合成石英玻璃和氟化镁（或镁氟化物）玻璃制成。当有光子照射到光阴极K上，只要光子的能量大于光阴极材料中的电子脱出能量，就会有电子从阴极表面逸出而成为光电子，在K和D1之间的电场作用下，光电子被加速后轰击第一倍增极D1，从而使D1产生二次电子发射，每一个电子的轰击约可产生3～5个二次电子，这样就实现了电子数目的放大。D1产生的二次电子被 D2和D1之间的电场加速后轰击D2，……这样的过程一直持续到最后一级倍增极Dn。经过多极倍增的光电子到达阳极被收集而形成阳极电流。在倍增极不变的条件下，阳极电流随入射光信号强弱变化。

本机光电倍增管高压电路图：

维护：光电倍增管老化、灵敏度下降乃至失效是主要问题，注意使用寿命，及时更换新管。由于有高压电路，电路中的元件也容易出现故障，例如：高压变压器线圈短路或断路，电路震荡管过热烧毁，调压电位器接触不良等，这些都会使仪器无法正常工作。检修仪器时，不要让强光长期照射光电倍增管。

三、仪器的日常维修及保养

1、该型号仪器对于电网供电的质量要求较高，不能有较强的干扰源（例如，旁边有变频器、电焊机、中高频设备），当检测时出现数字不稳定问题，应排除这些因数。

2．仪器应放在干燥通风处，防止潮气侵蚀。由于本机没有恒温装置，尽可能在20℃的工作环境中使用仪器，搬动仪器应小心轻放，避免震动。

3．由于仪器没有密封，对于光源（钠光灯）积灰或损坏，可打开机壳用干净的布进行擦净或更换。

4．当仪器运行时有嘎嘎声，说明机械摩擦阻力增大，打开仪器后背板，在伞形齿轮蜗轮杆处滴加一些轻机油（缝纫机油、钟油）。

5．打开电源后，若钠光灯不亮，首先检查保险丝是否烧断，更换保险丝后再次烧断，应送修。

6．如果仪器发生停转或其它故障，常规检查不能排除时，应请专业维修人员进行检修。

结语：WZZ-2型自动旋光仪是国产早期的仪器，电路大部分用分离电子元件构成，灵敏度、准确性和稳定性都受到限制，其后续改进型目前在国内许多工厂使用，性价比较高。通过拆解，了解自动旋光仪中的钠光灯、磁旋光调制器、光电倍增管三个重要器件的功能，对于正确使用新型号的仪器，判断电路元件故障有帮助。