用电路噪声测量玻尔兹曼常量和电子电荷

设计并搭建热噪声和散粒噪声测试电路系统,利用锁相放大器,从极强的背景噪声中提取微弱待测电信号,输入参考信号实现频谱搬移测量法,测定了玻尔兹曼常量k和电子电荷e.该实验能够加深学生对电路噪声特性的理解,掌握锁相放大器技术和微弱信号测量方法.     

电阻热噪声测量玻尔兹曼常量的教学探索

玻尔兹曼常量是连接微观热运动与宏观物理现象和规律的重要物理量，基于电阻热噪声的玻尔兹曼常量测量实验可应用于大学物理实验教学.本文利用锁相放大器OE1022,设计了电磁屏蔽更好的样品盒，可以在室温至液氮温度间测量热噪声，托展了宽频谱段的测量，展现电阻热噪声的特性，并计算出玻尔兹曼常量.对2个年级采用不同的实验方案进行教学，为有限课时内多人参与的实验室环境下测量玻尔兹曼常量提供教学参考.     

锁相放大器在介电测量中的应用

锁相放大器具有灵敏度高、抗干扰性强的优点,已成为微弱信号检测的有力工具.它不仅同一般交流电压表一样可以测量信号电压的振幅,而且可以测量信号电压相对于参考电压的相位.也就是说,锁相放大器可以测量矢量电压.我们将锁相放大器的这一特点用于测定介质样品的复阻抗,进而确定样品的损耗、等效电阻、等效电容和介电常数. 与电桥相比,用锁相放大器测量样品的复阻抗有如下优点:1.抗干扰能力强,异于信号频率的杂散信号不容易干扰被测系统;2.大多数电桥只有一个或两个固定的测量频率,而锁相放大器一般都可以在较宽的频率范围内应用.例如,我们用…     

利用锁定放大器测量低电阻和高电阻

利用锁定放大器能够测量湮没在噪声中的信号的特点,采用低频交流伏安法,在0.5Vrms和0.5mArms条件下,实现了对几十mΩ级低电阻和数百MΩ级高电阻的测量,测量误差在1%左右。     

不同温度下电阻热噪声测量方案与电磁屏蔽的改进

电阻热噪声测量需要隔离环境噪声对测量的干扰。通过远程控制扫频噪声测量发现教学实验室即使在无人时仍有明显特征的环境噪声；另一方面，位于电阻旁边的热电偶即使在非测量状态下也会引入噪声。为此，高屏蔽能力的变温样品盒成为变温测量电阻热噪声的关键。本文研制一款用于实验教学的样品盒，测温热电偶设置在样品盒外，但与电阻保持良好热接触；进一步结合锁相放大器A-B共模输入和输入带宽修正，获得较好的实验效果。     

在小型制冷机中测量薄片交流磁化率以决定超导转变温度的装置

本文介绍了一种利用电磁感应原理和超导磁效应,在小型制冷机中测量超导体转变温度的装置.本装置包括密闭的真空室、压缩制冷机、真空泵、真空计、锁相放大器、温控仪、计算机、线圈绕组.其中,线圈绕组置于真空室内,由初级线圈和次级线圈组成,初级线圈和次级线圈分别绕制在两个线圈骨架上;被测超导薄片材料放置于初级线圈和次级线圈之间;压缩制冷机用来为超导材料制冷;真空泵用来对真空室抽真空;温控仪用来测量和控制真空室内的温度;锁相放大器为初级线圈提供交流电压信号,并测量次级线圈的电信号以得到交流磁化率值;计算机记录温控仪测得的温度数据和锁相放大器测得的次级线圈的电压信号,并显示锁相放大器测得的次级线圈的电压信号随温度变化的曲线.实验证明该装置可以通过测量超导体交流磁化率的变化测得超导转变温度,具有自动化测量及测试成本低等特点.     

面向脉冲量子级联激光器气体检测的锁相放大器

为了在基于脉冲式中红外量子级联激光器的气体检测系统中,精确提取窄脉冲传感信号的幅度,设计并实现了一种微秒级窄脉冲锁相放大器.根据微秒级窄脉冲的特点,窄脉冲信号经过窄带通滤波电路,得到基频正弦波信号,再经过主放大、移相、相敏检波电路,得到与脉冲幅值有关的直流信号.利用信号发生器产生的幅度、频率、相位可调的窄脉冲待测信号,对锁相放大器进行功能验证实验.结果表明,锁相放大器输出直流信号与输入信号的幅度呈良好的线性关系,线性拟合度约为98.043%;信号幅值的相对测量误差不超过3%;在1 h的测试时间内,信号波动范围在1‰以内.利用配备的不同浓度的一氧化碳样品及研制的锁相放大器,开展了一氧化碳气体检测实验.在0~180 ppm范围内,随着一氧化碳浓度的增加,锁相放大器的输出电压值与一氧化碳浓度呈现良好的e指数关系.根据A11an方差预测的系统检测下限为0.4123ppm.与商用锁相放大器相比,该放大器具有体积小、成本低、易于集成等特点,在基于脉冲式中红外量子级联激光器的气体检测中具有较好的应用前景.     

基于数字锁相放大器的电阻噪声特性研究

基于SR830型锁相放大器,设计了以LabVIEW软件实时通信测量的电阻噪声特性研究实验,验证了热噪声与闪烁噪声的主要特征,评估了实验系统的本底噪声,并从信噪比特点分析了适合测定散弹噪声的实验条件,提供了降低电阻噪声的方法.结合RC低通滤波原理对1～4阶低通滤波器的滤波带宽、带边斜率和阶跃响应等特性做了分析,讨论了2种调节动态储备的方法.通过电阻噪声实验探究了时间常量、陡降和动态储备对测量噪声的影响,提供了优化测量参量的思路.     

基于数字锁相放大技术的强噪声背景下检测微弱信号教学实验

介绍了锁相放大技术在噪声背景下检测微弱交流信号的原理,研制出结合锁相放大器使用的微弱信号检测教学设备及其实验系统.利用OE1022型锁相放大器进行噪声中微弱交流信号测量实验,验证该系统功能.实验结果表明:使用该实验系统可以准确检测淹没在有效值比自身高104的白噪声中的微伏级交流信号.     

微弱信号检测讲座第七讲 信号平均

本讲座的第三讲介绍了锁相放大器利用相关检测原理实现对周期信号振幅的检测.然而,在实际的信号检测中,往往还希望从噪声中恢复信号的波形.它通常是一个很复杂的宽带函数.这时,利用锁相放大器已不再有效,需要借助其它微弱信号检测方法和仪器来恢复原始信号波形.假如被噪声混杂而变得模糊的信号是在已知时刻重复出现的,则可利用信号平均技术使它清晰地复现.BOXCAR平均器、数字多点平均器和数字BOXCAR平均器就是在此基础上发展起来的三种弱信号检测仪器. 一、恢复噪声中的信号波形 利用锁相放大器进行测量时,信噪比的改善等于输入噪声带…     

超导体电输运及交流磁化率双模式测量系统研制

介绍了一种基于小型制冷机的超导转变温度电输运和交流磁化率双模式单腔测量装置。该装置包括电输运法测量和交流磁化率法测量两部分,分别实现对高温超导薄膜样品的超导转变温度的测量。电输运法测量部分利用四点法测量原理对超导薄膜的电阻进行测量,获取电阻随温度变化的曲线;同时利用电流换向法消除热电势带来的测量误差,以进一步提高测量的精度。交流磁化率法测量部分利用的是电磁感应原理和超导磁效应。该部分包含有初级线圈和次级线圈,超导样品放置于两线圈之间。初级线圈用于产生交变激励磁场,次级线圈的输出信号反应了超导样品磁化率的变化,其输出信号由锁相放大器获取。测量过程中使用计算机自动记录测量数据。     

单光子计数─—弱光信号检测的有力手段

通常,在一些基本的科学研究领域,特别是在某些前沿学科,诸如分子生物学、高分辨率光谱学、表面物理学、非线性光学、束箔光谱学的研究等方面,都会遇到极微弱的光信息的检测问题.这里,光流强度通常比光电倍增管本身的热噪声水平(10-14瓦特)还要弱,以致于一般的直流检测方法已很难从这种噪声水平下检测出信号.因而常将弱光进行交流调制,利用锁相放大器来提取信息.这种方法是靠压缩系统信息带宽的方法来滤去噪声的.但是当噪声与信号有同样的频谱,或者信号是宽频谱时,锁相放大器便无能为力了.另外,由于模拟积分电路漂移的存在,积分时间往往只能…     

准连续激光调制吸收光谱的解调方法研究

针对准连续激光调制吸收光谱谐波信号的解调,设计了一种专用的准连续软件锁相放大器,对采集的数据做有效性判断、 无效数据滤除、 数字相敏检测、 数字滤波等处理,实现了准连续激光调制吸收光谱的谐波信号解调。 构建气体检测实验系统,对准连续软件锁相放大器和商品化的高性能锁相放大器进行了对比实验,结果表明,使用准连续软件锁相放大器的Allan方差比后者小1个数量级、 检测限低2倍。 并能够解决小占空比时的信号失锁问题,具有小的信号波形失真。     

锁相放大器的研究进展

锁相放大器可同时在时间与幅度两个维度实现高精度信号测量,是精密系统测控的关键部件.本文以锁相放大器的概念、技术与应用的概貌作为导引,先以模拟、数字以及虚拟锁相放大器的主要关系与区分方法说明锁相放大器的发展演变,继而按照锁相环的阶与型从数学角度对锁相放大器进行分类.随后介绍锁相放大器的幅度、频率与相位噪声等主要性能的测试流程与计量标定进展,讨论相位噪声、时域抖动、阿伦方差等关键指标之间的换算关系以及和幅度噪声之间的耦合关联.最后,列举锁相放大器在光谱增强、阻抗分析、磁性测量、显微成像、空间探测领域的应用形式与效果,通过一些新型应用展望它通过智能计算、精准物联等途径从科学仪器走向工业甚至民品的前景.     

面内位移测量的激光多普勒信号研究

在利用激光多普勒效应进行远距离处固体面内位移测量时，散射光的多普勒信号强度、信噪比及信号质量是位移测量的极重要参量，它们直接影响位移测量的距离和精度。为此研究了激光多普勒差动方法、锁相放大、数字滤波等技术，设计出能获得最好结果的差动光路以及高灵敏度、高Q值的锁相放大器和能重构丢失信号的同态滤波系统等，实现了50m处固体面内位移测量，其最大相对误差可以达到1.5％。     

红外气体检测中谐波信号正交锁相放大器设计与实现

基于可调谐激光光谱吸收法的红外气体检测,为了从差分信号中有效提取出一次和二次谐波信号,研发了一种谐波信号正交锁相放大器.采用正交锁相放大及谐波检测原理,利用Simulink软件平台构建了模拟实验系统,对其功能做了仿真和验证.采用数字信号处理器作为核心控制器,设计并制作出了谐波信号锁相放大器的系统实物,它主要由90°移相器、两路模拟乘法器、两路低通滤波器、差分信号放大器、模数转换器等构成.实验中,首先利用幅度可调的标准正弦信号作为待测信号,对锁相放大器的输出信号幅度与标准正弦信号的幅度做实验测量与对比,二者线性拟合优度高达0.999 94,最大误差小于4%,具有良好线性度;其次,将模拟吸收产生的差分信号作为待测信号,利用基频方波和二倍频方波分别作为参考信号,提取谐波信号,因二次谐波信号微弱易受噪音干扰,其误差在5%以内,一次谐波最大误差小于3.5%.系统具有良好的稳定性和性价比,在红外气体检测中具有较好的应用前景.     

双向反射率测量中锁相放大器的设计

均匀材料表面除镜反射方向的其他散射方向光辐射强度都较微弱.采用信号参量估计中行的最大似然估计,应用相关检测技术,利用被测信号与背景噪声不相关特性,设计了适于微弱光电信号检测的装置--锁相放大器.对金刚砂反射天顶角-55°～55°范围测量的实验结果与双向反射率(BRDF)模型比较显示,在可见光0.632 8 μm波段,误差为3.43%;近红外1.34 μm波段,误差只有0.01%.该锁相放大器适用于材料表面双向反射率的测量.     

LC谐振参量的直观测量方法

LC回路是磁共振实验的关键信号检测单元,理解LC电路的幅频和相频特性是掌握核磁共振实验技术原理的重要环节.借助数字存储示波器实时测量信号参量功能,实验方案1提供了简易直观的谐振参量测量方法;利用双通道锁相放大器及其参考同步功能,实验方案2进一步展示了直观测量的教学可操作性.采用不同的幅值表示方法和相位差测量方法,既突出不同技术手段的原理共性,又体现近代物理实验课程承上启下的桥梁作用.     

薄膜电导测量仪的设计

针对目前化学镀实验中需要测量化学镀层的导电特性与镀层厚度 ,设计了一款高精度的薄膜电导测量仪。测量仪使用四针法测量电阻 ,能自动检测探头是否接触良好 ,包括一个精密多档恒流源和一个多档微信号放大器 ,操作简单方便 ,可准确地测量 10 μΩ～ 1Ω范围内的薄膜电阻。实验应用效果良好。     

电介质的热噪声

电阻的热噪声超源于在一定温度下的导体中所存在的电涨落现象.Johnson首先观察到这一现象并对电解液和金属电阻作了精确的实验测量[1],Nyquist首先推导出与实验值符合得很好的热噪声公式:[2]上式亦称Nyquist公式或Johnson公式.其中in为电阻R中流过的热噪声电流频谱密度,en为电阻R两端呈现的热噪声电压频谱密度,k为Boltzmann常数,T为电阻R所处温度. Nyquist公式是很据实验结果假设电阻和噪声均不随频率而变(即所谓“白噪声”)的条件下得出的.电介质的电阻(阻抗实部)均随频率而变.显然,Nyquist公式是否适用,有待于作严格的论证.本文给出…