-锁相放大器的应用

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1、 Digital Lock-In Amplifiers OE102X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，

2、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

3、。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

4、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 Digital Lock-In Amplifiers OE102X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

5、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

6、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（ Photo Acoustic Spectroscopy， PAS）是一种机理与 2 次量子光分光分析仪相似的分析仪

7、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(ZrTi)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）。 Digital

8、 Lock-In Amplifiers OE102X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

9、，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 1 K 以下时，就能得到如 图 4所示的电流 -电压特性。 VII1 FI2 F（ 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

10、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 (Superconducting QUantum Interference Device， SQUID)，可用于检测人脑发生的 磁场或地磁的起伏等。 Digital Lock-In Amplifiers OE102X系列 数字锁相放大 器 4 锁 相 放 大 器1 F 或 者 2 F 模 式

11、I A CI D C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 I VIV约 瑟 夫 森 结图 6. SQUID 传感器的结构 IVI c 随 磁 通 量 变 化I c 3I c 1 I c 2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

12、 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） Digital Lock-In Amplifiers OE102X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

13、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。 V sV R0 度1 8 0 度锁 相 放 大 器差 动 输 入 （ A - B ）ABR E F1 : 1 0 - 1 : 1 0 0 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 V s 的 振 幅 和 相 位

14、 ， 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 ( Auger Electron Spectroscopy ,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

15、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

16、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 Digital Lock-In Amplifiers OE102X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 (Vacuum Ultraviolet Photoelectron Spectroscopy,UPS) X 射线光电子能谱分析法 (X-rav Photoelectron Spectroscopy,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