在2025年，自动旋光仪行业面临着一系列政策的引导与规范，这对其发展方向和应用范围产生了深远影响。自动旋光仪作为测量物质旋光特性的关键仪器，凭借高灵敏度、高准确率和无损测量等优势，在制糖、制药、食品化工等众多领域广泛应用。标准旋光管作为校准自动旋光仪的重要计量标准器具，其研制和性能对于保证自动旋光仪测量准确性至关重要。

  一、自动旋光仪的工作原理与应用基础

  当线偏振光穿过具有旋光特性的介质，如石英晶体、冕玻璃、糖类溶液等，介质中的活性化合物会促使偏振面相对于原偏振面向左或向右旋转一定角度，这便是旋光现象。自动旋光仪正是利用这一原理，通过测量物质的旋光度，实现对晶体分子结构、物质浓度和成分的分析。《2025-2030年全球及中国自动旋光仪行业市场现状调研及发展前景分析报告》指出，在各行业中，准确测量旋光度对于把控产品质量、优化生产工艺起着关键作用。例如在制糖工业中，通过自动旋光仪测量糖溶液的旋光度，可精确控制糖的浓度和纯度，保障产品质量稳定。

  二、标准旋光管研制的设计原理

  (一)基片选择的关键考量

  标准旋光管基片材料选用单轴石英晶体。单轴石英晶体具有独特的旋光特性，当一束线偏振光沿光轴进入石英时，会分裂成左旋圆偏振光和右旋圆偏振光，由于晶体内部结构不同，两束圆偏振光在晶体内的相速度和折射率不同，导致出射的线偏振光与入射的线偏振光偏振方向存在角度差异。这种特性使得单轴石英晶体能够旋转线偏振光的偏振方向，且不改变线偏振光的特性，为标准旋光管的研制提供了理想的材料基础。

  (二)基片设计的科学依据

  石英晶体的旋光度与厚度、使用的光源波长密切相关，其关系表达式为θ=λπd(n1−nr)，其中θ为石英晶体旋光度，d为石英晶体厚度(线偏振光垂直通过的距离)，λ为光源波长，n1为左旋圆偏振光的折射率，nr为右旋圆偏振光的折射率。在同一光源波长下，旋光度与石英晶体厚度成正比。以右旋石英晶体为例，当以 589.440 0 nm 波长的钠光为光源，其左旋与右旋圆偏振光的折射率之差(n1−nr)近似取 0.004 08，厚度d每增加 1 mm，旋光度θ约增大 21.7。实际研制中，先加工标准厚度ds=2.0 mm的标准旋光管基片样品，并测量其在 589.440 0 nm 测定波长下的旋光度，再按公式di=21.7θi−θs+ds模拟计算设计旋光度值对应的基片厚度，同时根据样品旋光度实际标定值和理论设计值的差距调整基片厚度。对于名义值为 ±5° 的标准旋光管，采用上下 ±39° 和 ±34° 两片石英旋光片组成，避免了单片石英旋光片构成标准管易破碎及随时间产生应力变化的弊端。

  三、标准旋光管的制备工艺详解

  (一)退火工艺的精准控制

  选取径厚比为 5 的石英毛坯材料，放入退火炉进行精密退火。升温速率设为 600 ℃/h，退火温度达 1 200℃，升温结束后在该温度下持续保温 2 小时。保温结束后，以 20 ℃/h 速率降温至 1 000 ℃后关闭退火炉，使基片随炉冷却至室温。这一退火过程能够消除石英毛坯材料内部的应力，为后续加工提供稳定的材料基础。

  (二)切割工艺的严格操作

  使用切割机对基片进行光学切割，选用油钢基体、厚度为 0.3 mm 的烧结金刚石锯片，金刚砂粒度范围为 200 - 250 μm。切割时控制线速度约为 30 m/s，在锯片边缘添加粒度为 63 - 75 μm 的金刚砂及水，防止锯片过热。最终切割成直径为 20 mm、厚度略大于 2.0 mm 的基片，确保基片尺寸初步符合要求。

  (三)研磨工艺的精细把控

  基片的损伤和凹陷程度与磨料的颗粒度成正比。研磨时先选用较粗粒度的磨料加大研磨量，随后选取较细粒度的磨料控制基片表面裂纹层和凹陷层的深度。由于基片尺寸小、表面光滑，易产生位移影响研磨精度，所以通过使用夹具保证基片安装牢靠。首先加热粘盘，用石蜡将基片一面粘接在粘盘上，使用铸铁研磨盘，压力设为 0.15 MPa，转速设为 70 r/min，以抛光粉粒径 5 μm 的氧化铝研磨液研磨基片另一面，减薄基片厚度。减薄后进一步去除研磨损伤层，使用聚氨酯材料抛光垫，压力为 0.15 MPa，研磨盘转速设为 70 r/min，以抛光粉粒径 0.5 μm 的氧化铈研磨液研磨。整个研磨过程室内温度保持在 20 - 25℃，基片表面温度保持在 (25±2)℃，保证研磨质量的稳定性。

  (四)抛光工艺的细致处理

  采用沥青环抛的方式对基片表面修整，使用沥青研磨盘，转速设为 10 r/min，以抛光粉粒径为 0.5 μm 的氧化铈研磨液研磨，减小基片表面粗糙度，提高基片表面质量。之后配制氟化铵和氢氟酸腐蚀液，对基片表面进行腐蚀，腐蚀时间 3 - 5min，进一步去除抛光损伤层，使基片表面达到更高的光洁度要求。

  (五)镀膜工艺的精心操作

  基片两面均镀有一层增透膜，使中心波长反射率R小于 0.25%。为保证基片蒸镀效果均匀，严格控制蒸发源和基片的相对位置，同时控制基片表面温度均匀。镀制前将基片加热至 300℃，抽真空后充入 99.99% 的高纯氧，膜系主要选用MgF2、Al2O3和TiO2膜料，对应充氧压力分别约为3.0A~—10−2、1.8A~—10−2、1A~—10−4 Pa。镀制好的基片放在自动保温的烘箱中进行热处理，烘烤至 450℃，恒温 4 小时后自然冷却，减少基片对光线的吸收，提高其光学性能。最后将加工好的标准旋光管基片安装于金属套管内，使用垫圈、定位圈和金属管托固定，完成标准旋光管的组装。

  四、标准旋光管的性能检验与定值结果

  (一)均匀性检验的严谨分析

  在 589.440 0 nm 测定波长下，对标准旋光管不同位置(按照同一方向将其每次绕光轴转动 45°，得到 8 处不同的测试位置)的旋光度进行测试，每个取样点连续测试 3 次，对旋光度数据采用单因素方差分析法进行统计处理。统计量F是自由度(v1,v2)的F分布变量，根据自由度(v1,v2)及给定的显著水平α=0.05，由分布函数F表查得临界值Fa=2.66。从检验结果来看，F计算值均小于临界值Fa，这表明标准旋光管的均匀性合格，为其准确测量旋光度提供了可靠保障。

  (二)稳定性检验的长期监测

  在规定的贮存或使用条件下，于检验期的 12 个月内(X=12)按先密后疏的原则，第一次检验完成后分别于 0.5、1.5、3.5、7.5、12 个月进行共计 6 次的稳定性检验(n=6)，对旋光度数据采用直线拟合法进行统计处理。自由度为n−2=4，P=0.95分布时，t0.95,4=2.78。由检验结果可知，∣β1∣

  (三)定值结果的准确测定

  使用标准旋光管检定装置(测量范围 - 90º ~ + 90º)，依据相关检定规程在环境温度 (20±2)℃，湿度 32% RH，589.440 0 nm 测定波长下对标准旋光管逐根定值。定值结果显示，标准旋光管的旋光度(糖度)定值分别为 5.033º(14.53ºZ)、–5.007º(–14.46ºZ)、17.198º(49.67ºZ)、–17.057º(–49.26ºZ)、34.096º(98.47ºZ)、–34.083º(–98.43ºZ)，扩展不确定度U=0.004∘(k=2);以及 71.694º(207.05ºZ)、–71.682º(–207.02ºZ)，扩展不确定度U=0.005∘(k=2)。这些定值结果准确可靠，为自动旋光仪的校准提供了精准的参考标准。

  五、标准旋光管的不确定度评定

  (一)重复性引入的不确定度

  每根标准旋光管重复测量 6 次，计算算术平均值得到的实验标准偏差。从数据来看，取最大值作为标准旋光管测量重复性引入的不确定度u1，u1=0.0006∘，反映了测量过程中由于随机因素导致的重复性误差。

  (二)均匀性引入的不确定度

  根据均匀性检验结果，F>1，取最大值并由公式u2=nS12−S22计算得到标准旋光管均匀性引入的不确定度u2，经计算u2=0.0007∘，体现了标准旋光管在不同位置旋光度的一致性对测量结果的影响。

  (三)稳定性引入的不确定度

  依据稳定性检验结果，取最大值计算得到标准旋光管稳定性引入的不确定度u3，即u3=s(β1)X=1.3A~—10−4A~—12=0.0016∘，表明了标准旋光管随时间变化对测量结果产生的不确定影响。

  (四)温度测量误差引入的不确定度

  温度测量系统不确定度优于 0.08℃，可认为在此范围内服从均匀分布。在 589.440 0 nm 测定波长下，旋光度为α的标准旋光管每变化 1℃，其旋光度变化率为 0.000 144α。当标准旋光管旋光度∣α∣a^‰¤35∘时，取α=35∘，计算得u4=0.0003∘;当标准旋光管旋光度∣α∣>35∘时，取α=72.5∘，u4=0.0005∘，说明温度因素对标准旋光管测量结果的影响程度与旋光度大小相关。

  (五)定值装置引入的不确定度

  根据计量标准考核证书，标准旋光管定值装置的旋光度不确定度为U=0.002∘(k=3)，由此得到由定制装置引入的不确定度u5=0.002/3=0.0007∘，反映了定值装置本身的精度对标准旋光管定值结果的影响。

  (六)合成标准不确定度

  以上各项不确定度分量互不相关，标准旋光管旋光度的合成标准不确定度uc按式uc=u12+u22+u32+u42+u52计算。当标准旋光管旋光度∣α∣a^‰¤35∘时，uc=0.0020∘，扩展不确定度U=kuc=2A~—0.0020∘=0.004∘;当标准旋光管旋光度∣α∣>35∘时，uc=0.0021∘，扩展不确定度U=kuc=2A~—0.0021∘=0.005∘。通过综合评定各项不确定度，全面评估了标准旋光管测量结果的可靠性。

  六、总结

  2025年自动旋光仪行业政策为其发展指明了方向，而标准旋光管作为自动旋光仪校准的关键器具，其研制具有重要意义。通过精心选择单轴石英晶体作为基片材料，依据科学的设计原理进行基片设计，并采用退火、切割、研磨、抛光、镀膜等精细的制备工艺，成功研制出标准旋光管。经过严格的均匀性、稳定性检验和准确的定值，以及全面的不确定度评定，该标准旋光管具有稳定的旋光度 / 糖度量值。在589.440 0 nm 测定波长下，其定值结果准确，扩展不确定度符合要求，所有标准旋光管标准值与名义值之差不超过 ±1º(±3ºZ)，方向误差范围均不超过 ±0.003º。该标准旋光管量值均匀、稳定，便于携带，可依据相关检定规程进行周期检定并反复使用。向地方各级计量技术机构、质监部门和相关企业单位提供成套8种不同名义值的标准旋光管，能够满足各类自动旋光仪 / 旋光糖量计的检定与校准需求，确保量值测量的准确和统一，在自动旋光仪行业中具有广泛的应用前景以及良好的社会效益，有力推动了自动旋光仪在各行业的精准应用和发展。