1-锁相放大器的应用

DigitalLock-InAmplifiersOE102X系列数字锁相放大器1锁相放大器的应用锁相放大器（LIA）是微弱信号检测的重要手段，已经被广泛应用于物理、化学、生物医学、天文、通信、电子技术等领域的研究工作中。1.广阔的微小信号测量领域锁相放大器的应用大致分为以下领域：1)测量噪声中的微弱信号：红外分光光度计，2次量子光分光分析，光声光谱仪，超导材料的评价，金属材料的张力试验，放大器的CMRR或IMRR测量。2)测量被测定体传输函数的微小变化：俄歇电子能谱，金属探测器，涡流探伤器。3)被测定体的矢量分析：RLC测量仪，电解-阻抗，电子束测量。由于大多是组装在测量仪器内部，会感觉看不到锁相放大器的身影。其中组装到仪器中的PSD——相位检波器，它是锁相放大器的心脏。相位检波器因应用领域不同有时也叫做相敏检波。在以上三类特性应用的基础上，还在不断开拓更新的应用领域。以下对各种测量方法进行简要的说明。详细内容请参看参考文献。2.在红外分光光度计中的应用物质的分子是由原子构成的，它们的化学键不断地在伸缩振荡。当具有一定振动数的光照射到这些分子上时，如果光的振动数与其中某些分子的化学键具有相同的振动数，那么分子具有吸收这种光，使其不能透过的性质。如果改变光的波长进行扫描，某些光就会被吸收，于是就能够得到物质特有的频谱。这种频谱叫做光吸收谱。如同人类的指纹一样，不同的物质其吸收谱也各不相同。通过测定未知物质的吸收谱，就能够确定这种物质的组成和分子结构。红外分光光度计就是基于这个原理进行测量的。使用波长为2.5-25um的红外线，可以对固体、液体、气体等任一种状态的物质进行分析。图1是应用双光束法的红外分光光度计的框图。光源发出的光经半透明反射镜被分为试样光束和基准光束。试样光束通过被测定试样；基准光束经波长特性均一的光衰减器被衰减为强度与试样光束相同的光。两个光束被截光器分别以不同的频率截断。然后这两束不同频率的光再次经半透明反射镜混合，通过分光器。红外光源截光器试样光衰减器传感器分光器锁相放大器比较器锁相放大器记录仪控制器试样光束基准光束试样光束+基准光束半透明反射镜反射镜反射镜半透明反射镜图1.红外分光光度计的框图DigitalLock-InAmplifiersOE102X系列数字锁相放大器2分光器相当于电路中能够由外部控制中心频率的BPF（高通滤波器），由控制器发出指令对通过的波长进行扫描。来自分光器的光经传感器变换为电信号，试样光束与基准光束经过以各自的截断频率为参考频率的两个锁相放大器进行分析，再由比较器计算两个光束的比值。然后，在控制器的指令下将试样的光吸收谱记录在记录仪上。红外分光光度计是一种应用范围非常广的分析仪器，广泛应用于物理化学、医药学、生物学、公害检测等领域。3.在2次量子光分光分析中的应用前面讲到当光照射到物质上时，由于构成物质的分子或原子不的种类不同，会吸收特定波长的光。这时，物质由于吸收了光子的能量，可以辐射出其能量比它弱的光（更长波长的光），这叫做冷光现象。这种光叫做荧光或磷光，通过测定这种辐射光的频谱也可以对物质进行测定。这就是2次量子光分光分析，其光源可以使用紫外线或短波长可见光。这种方法比红外分光光度计的灵敏度高，能够定量分析的浓度范围宽。但是，由于类似物质的荧光频谱相似，不适于物质的确定。最近有应用到半导体基片的评价上。图2是2次量子光分光分析仪的框图。由于氙灯可以产生出波长范围比较宽的光，频谱均一性好且光通量也大，是光分析中经常使用的光源。截光器氙灯等试样锁相放大器控制器记录仪测量光照射到试样上后所发出的辐射光分光器传感器图2.2次量子光分光分析法（光-冷光）光源发出的光通过截光器照射到试样上。检出试样发生的荧光，用分光器和锁相放大器测量并记录其光谱。4.在光声光谱仪中的应用在光声光谱仪（PhotoAcousticSpectroscopy，PAS）是一种机理与2次量子光分光分析仪相似的分析仪器。PAS是改变光的波长照射试样，用拾音器——声传感器收集试样发出的声音，记录下与光波长相应发生的音量的频谱进行分析。从原理上考虑，PAS是一种将物质吸收光能后所产生的热能以声音形态捕捉的分光法。图3是PAS装置的框图。光源经常使用氙灯或CO2激光器等。传感器除使用钛酸锆酸盐[Pb(Zr·Ti)O3，通常叫做PZT]之外，也可使用驻极体电容拾音器。当试样是固体或液体时，由于与空气的声音阻抗不同，在固体或液体中发生的声波大部分在界面上被反射，会发出声音传播不到空气中的情况。为了有效地捕捉所发生的声波，必须注意试样与传感器之间不能介入声音阻抗不同的物质（空气之类）。DigitalLock-InAmplifiersOE102X系列数字锁相放大器3截光器氙灯等试样锁相放大器控制器记录仪分光器PZT图3.光声光谱仪测量装置的框图5.在超导材料评价中的应用目前有许多以超导为目标的研究正在进行。一般来说，超导实验需要将试样置于极低温下进行。这时一边测量试样的电阻一边确认试样是否达到超导状态。但是测量电阻时的电流会使试样产生焦耳热，这会影响温度控制的准确性。因此，测量电流必须非常微小。由于试样本身的电阻值很低，产生的电压很微弱，也给检测带来困难。超导状态下，有极微弱的交流电流流过试样。可以利用锁相放大器检测试样发生的微弱交流电压，进行试样的电阻测量。由于信号是交流的，所以可以避免热电动势的影响，进行低电阻测量时减小测量误差。超导材料的一个重要应用结构形武是约瑟夫森(Josephson)结。约瑟夫森结是由挟着氧化膜的蒸铝钢带构成，当冷却到1K以下时，就能得到如图4所示的电流-电压特性。VII1FI2F（a）约瑟夫森器件的I/V特性（b）1F模式）（1阶微分电阻）（c）2F模式（二阶微分电阻）图4.约瑟夫森器件的I/V特性在具有非线性试样的场合，如图5所示将一定的交流电流叠加在直流电流上,然后一边改变直流电流一边用锁相放大器的1F模式测量所发生的交流电压，就能够测定电阻值（1阶微分特性）。如果用2F模式测量，就能够以高灵敏度测量电阻值的变极点（2阶微分特性）。将两个约瑟夫森结并联，构成如图6所示的传感器，当通过孔中的磁力线发生改变时，可以得到如图7所示的变化的电流-电压特性。应用这种特性可以做成灵敏度非常高的磁敏传感器。它叫做超导量子干涉器件(SuperconductingQUantumInterferenceDevice，SQUID)，可用于检测人脑发生的磁场或地磁的起伏等。DigitalLock-InAmplifiersOE102X系列数字锁相放大器4锁相放大器1F或者2F模式IACIDC参考信号直流信号上叠加交流电流，一边扫描直流电流一边用锁相放大器测量超导材料上产生的交流电压图5.测量超导材料的微分电阻IVIV约瑟夫森结图6.SQUID传感器的结构IVIc随磁通量变化Ic3Ic1Ic2图7.磁通通过SQUID传感器时的特性超导中一个有名的效应是迈斯纳(Meissner)效应（完全抗磁性）。在这种效应的状态下，磁力线不能穿过处于超导状态的试样，而会从超导体内排除。用相互感应法能够确认这种状态。相互感应法如图8所示，是由两组初级线圈和次级线圈构成，绕线的方向各自相反。在没有放置试样的状态下，次级一侧信号的大小相同，相位相反，相互抵消而不出现信号。锁相放大器参考信号超导材料图8.超导材料磁化率的测定方法（确认迈斯纳效应）DigitalLock-InAmplifiersOE102X系列数字锁相放大器5如果这时在一组线圈中放置试样，则两组线圈磁通的平衡被打破，次级一侧出现信号。然后，如果试样进入超导状态，次级一侧的信号将再次抵消变为0，这样就可以确认迈斯纳效应。这时使用锁相放大器就能够捕捉到更微小的变化。6.在金属材料张力试验中的应用评价金属材料强度时要进行张力试验。为了检测金属微小的裂缝或形状的变化，可以测量试样的交流电阻（叫做AC电位法）。但是由于是金属，电阻值很低，产生的电压也极微弱，所以需要使用锁相放大器。图9是测量的框图。张力试验--通过与不加应力时的基准试样进行比较，就可以避免因温度变化等因素引起的误差，检出最初的微小裂缝或形状的变化。VsVR0度180度锁相放大器差动输入（A-B）ABREF1:10-1:100信号变压器恒流输出放大器2相振荡器试验片参考试验片加应力之前调整Vs的振幅和相位，使锁相放大器的指示为0图9.金属材料的张力试验（AC电位法）由于信号的输出阻抗非常低，可以利用变压器升压改善S/N。由于变压器可以将接地环绝缘，因而能够防止参考信号的共模混入。加应力之前需要调整流过基准试样的电流与相位，在调整锁相放大器的输出为0后再开始进行测量。7.俄歇电子能谱分析技术(AugerElectronSpectroscopy,AES)俄歇效应是P．Auger于1925年发现的。当电子束照射到样品上时，样品原子内的电子能级上会产生空位。这种状态是不稳定状态，样品在趋于稳定的过程中会发射出荧光X射线，在1个电子跃迁到空位上的同时另一个电子逸出到自由空间。这个逸出的电子就叫做俄歇电子。俄歇电子运动的能量与照射的电子束的能量无关，它取决于物质的固有能量。因此，测量自材料逸出的俄歇电子的能谱，就可以对材料进行结构分析。俄歇电子能谱仪(AES)的照射源通常采用2k～10keV的电子束，俄歇电子运动能量的测量范围是0～1keV。这个能量范围中除俄歇电子以外还存在有基于2次电子发射的具有相同运动能量的其他多种电子。所以，不仅要测量电子的能量，还必须测量因俄歇电子所引起电子的增减。如果用电现象来表现，就是有两个频率相同的信号，其中一个是一定值，而另一个相位和振幅是变化的。所以，在整体上就是被测定体传输函数微小变化的问题。对于微小的相位变化，可以用高灵敏度的锁DigitalLock-InAmplifiersOE102X系列数字锁相放大器6相放大器(PSD)输出的变化作为测量结果使用。调整参考信号的相位使PSD输出为0后开始进行测量，PSD输出的变化点表示俄歇电子的存在。与AES相似，测量从样品表面发射出电子的方法还有真空紫外光电子能谱分析法(VacuumUltravioletPhotoelectronSpectroscopy,UPS)．X射线光电子能谱分析法(X-ravPhotoelectronSpectroscopy,XPS)等。AES在样品表面元素的定性、定量分析方面特别有效。UPS可以分析样品的能带结构以及吸附原子价电子的状态。XPS能够进行定性、定量分析以及原子、分子结合状态的分析。图10是AES的装置框图。电子束被与锁相放大器参考信号相同的频率调制后照射样品。自样品发射出的俄歇电子经过筒形镜分析器进行过滤。(C)(B)(A)试样E1调制器电子记录仪控制器传感器锁相放大器筒形镜分析器振荡器图10.俄歇电子能谱筒形镜分析器的外圆筒由电源E1加负电位，所以电子前进时受排斥力作用返向中轴。样品发射出电子的运动速度与具有的能量成比例，只有具有某种速度的电子(B)才能够顺利地穿过两个窗口到达传感器。速度高的电子(A)以及速度低的电子(C)只能撞到内圆筒的壁上而不能被传感器收集。所以，这种筒形镜分析器对于不同速度（能量）电子的作用就相当于带通滤波器BPF。通过改变电源E1就可以选择到达传感器的电子的速度，所以相当于电压控制的BPF的作用。用锁相放大器分析来自传感器的电信号，按控制器的指令记录电子能谱的变化。8.在金属探测器中的应用说到金属探测器，人们立即会想到“探宝”男孩的故事。实际上，不仅有矿藏探测器和地雷探测器，在产业领域也广泛活跃着诸如检查食品、纤维异物等各种探测器。传感器因不同途而形状各异，如图11所示。基本上由初级线圈和次级线圈构成传感器，其配置方法是初级线圈发生的磁力线在通过次级线圈时正好消失。当接近金属体时，磁力线的路径会发生微小的变化，平衡被打破，输出端就会出现信号。但是，实际上这个信号输出的振幅极微弱，几乎很难与没有金属时传感器的泄漏信号区别开。因此，要使用高灵敏度的锁相放大器，调整参考信号的相位使