锁相放大器在光谱实验中的一个应用

锁相放大器是检测淹没在噪声中的微弱信号的仪器,在科学研究中有着广泛的应用。因此,培养学生掌握这方面的技术和应用,在物理实验教学中,是一个很有意义的课题。本文介绍锁相放大器在He—Ne激光旁侧光谱的研究中的应用。     

锁相放大器噪声测量原理与教学实验设计

本文采用锁相放大器测量电阻热噪声,获得玻耳兹曼常量,其物理原理较容易被学生理解,其实施则需要高精度测量技术支持和学生对锁相放大器测量原理及其仪器参数含义的清晰理解.针对物理学专业、尤其是精密测量物理专业的特点和需求,本文尝试尽量不涉及电子技术知识,而侧重用数学描述锁相放大器测量噪声的原理,包括电阻热噪声表达式、锁相放大器处理噪声的过程、等效噪声带宽的推导,并基于误差分析优化玻耳兹曼常量测量的教学实验设计,最后简要介绍初步教学实践情况.     

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.     

微波电子自旋共振的微分测量

实验教学仪器性能优化更有利于教与学的课堂交流,但缺乏日常教研讨论可能导致物理实验教学变为实验技能教学.特别对于近代物理实验教学,掌握实验原理有助于理解科研专业设备的工作原理.可以认为,理解基于调制场作用的锁相技术是掌握电子自旋共振吸收微分测量的关键.为此,教学实施中通过实验技术分解,提高物理实验教学的可操作性.在利用原有教学装置主体器件的基础上,采用通用仪器组建微分测量实验.教学实践表明:微分测量实验既帮助学生更好地理解电子自旋共振谱分析的实验原理,又展示了近代物理实验教学的灵活性及其连接物理实验研究的桥梁作用.     

数字正交锁相放大器的研制及其在甲烷检测中的应用

利用可调谐二极管激光吸收光谱技术检测气体浓度时,为了从红外传感信号中提取一次及二次谐波信号来表征气体浓度,研发了一种基于数字信号处理器的数字正交锁相放大器.介绍正交锁相放大原理,设计谐波提取算法,给出数字正交锁相放大器的软硬件实现方案.利用配备的浓度为1%~5%的甲烷样品以及研制的锁相放大器,开展气体实验.实验结果显示,当甲烷浓度为5%时,在二次谐波对应的频率点处,测得的系统信噪比为34dB,表明设计的锁相放大器具有较好的性能;测得的二次与一次谐波信号峰峰值的比值与气体浓度成线性关系;考虑动态配气以及气体沿管道传输的时间,检测系统的响应时间约为96~98s;气体浓度为20 000ppm时,测试浓度波动范围为-92ppm~+118ppm;根据Allan方差预测的系统检测下限为29.52ppm.与模拟锁相放大器以及商用锁相放大器相比,本文研制的数字正交锁相放大器硬件结构简单、体积小、成本低、易于集成,在红外气体检测领域具有很好的应用前景.     

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CIC的数字正交锁相放大器的甲烷检测实验研究

针对甲烷在大气中背景气体成分复杂、检测难度大、稳定性差等问题,本文基于可调谐二极管激光吸收光谱技术和波长调制光谱技术,将积分梳状滤波器与有限脉冲响应滤波器相结合应用于数字正交锁相放大器,开展大气中甲烷气体的痕量检测实验研究.实验表明,与传统的数字正交锁相放大器相比较,改进的数字正交锁相放大器提取的二次谐波信号的信噪比从...     

物理教学演示仪器设计的探索

一、物理教学演示仪器设计的重要意义物理教学演示仪器的设计,具有以下几方面的意义:1.演示实验是课堂讲授中不可缺少的组成部分。物理教学有许多手段,口授、板书、图表、模型、演示……,一些研究表明,从教育心理学角度分析,效果最好的就是演示实验.这一点已为越来越多的教学改革的事实所证     

用锁相放大器测量材料的介电参量

采用I-V法的数字电桥通过测量被测对象的交流电流和电压及两者之间的相位差,根据物理原理可得到描述材料特性的一系列介电参量.在充分理解实验技术原理的基础上,由交流信号源和锁相放大器等通用仪器组合实现数字电桥测量功能,且用数字电桥测量结果检验组合系统的科学性.同时,利用数字电桥不同测量模式的实验结果验证由最基本实验数据经过数理分析所得到介电参量的正确性.组合系统不仅有助于理解阻抗测量分析原理,还可根据需要拓展实验测量功能用于特定条件下材料介电特性研究.     

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.     

传感器系列实验的设计

从实验内容和实验仪器两方面对SET-998型综合传感器实验仪进行改革.设计了应变片电子秤、热敏温度计、气敏传感器、热释电传感器和气压传感器实验.在实验内容方面,学生通过系列实验除了能掌握传感器的基本原理、验证物理效应外,还能了解传感器功能的应用演示实验;在实验仪器方面,将集成化的仪器设备转化为开放式的实验平台,便于学生直接观察实验现象和掌握实验原理.将传感器理论教学和实践应用相结合,更让学生直观深刻地了解传感器的原理、功能与特性,也加强了学生创新和实践能力的培养.通过对传感器实验的有益改革,使其更有效地为实验教学服务.     

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.     

将CUPT题目作为应用目标,纳入科研训练和实验物理技术课程

正1主要内容将CUPT(中国大学生物理学术竞赛)的内容融入到科研训练和实验物理技术这2门课程中,是西安交通大学物理教学实验中心自2012年以来实施的教学新模式.该教学模式把该年度公布的CUPT题目作为科研训练和实验物理技术这2门实践类课程要完成的作业,并且为学生建立了自主创新实验室,学生可以在该实验室完成所选择的题目.在科研训练和实验物理技术课程中主要讲述与科研工作、实验物理相关的科研方法、仪器设计     

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…     

大学物理设计性实验分类

物理实验教学不仅能帮助正确理解物理概念和规律,而且与课堂理论教学相比,在培养和提高学生动手能力、观察能力、理论联系实际能力等方面都更具优势。同时也为学生的研究能力、开拓能力、创新意识等综合科学素质的培养提供了较好途径。因此,实验课程在物理学科教学中具有不可替代的作用。但是在传统实验教学中,学生往往过分依赖教师指导。几乎所有实验都由教师安排内容、准备仪器。教师在学生做实验前先讲解实验的目的、原理、步骤并做演示,学生只要按照现成的步骤进行实验,最后把结果写在统一设计好的记录实验数据的报告纸上即可。这种僵化…     

基于锁相放大器的微扰型共面波导铁磁共振测试参量研究

铁磁共振测试是自旋电子学研究的重要手段，为实现简单高效的FMR测试，基于瑞士苏黎世仪器500k MFLI锁相放大器，搭建了微扰型宽频带共面波导式铁磁共振测试系统，并对坡莫合金等材料进行了测试.为了得到材料的真实性质，对影响实验结果的参量进行优化，在深入讨论了这些参量对实验结果的影响及其物理和数学机制后，得到准确铁磁共振测试结果的实验条件为：电磁铁定点增加模式下，锁相放大器的时间常量为100 ms,滤波阶数在2阶以上，微扰线圈驱动信号振幅为1～2 V,频率为33～200 Hz.     

建立设计性物理实验室为教学改革创新路

设计性物理实验，能使学生在实验方法的考虑，仪器的选配，测量条件的确定等方面受到初步的训练．教学实践证明，学生通过设计性实验，能增强学习的主动性和提高分析问题，解决问题的能力。     

远程控制物理实验教学平台的建设与实践

将远程控制技术应用在物理实验教学中,搭建远程控制物理实验教学平台,有效地实现物理实验科教结合自制仪器软、硬件资源的共享,激发学生对基础物理实验的兴趣,进一步提高基础物理实验课程的教学质量.     

美国本科物理实验课程目标的变化及其特点

从学生能力发展视角对美国物理教师协会(AAPT)1997年和2014年发布的本科物理实验课程建议报告进行分析,概括美国本科物理实验课程目标的变化：从概念学习转变为构建知识,从科学探究转变为科学实践,从建模教学转变为计算物理.在AAPT2014年建议报告的影响下,以能力发展为导向的美国本科物理实验课程目标具有凸显物理实验认识论目标、在科学决策中培养综合能力和科学交流目标内涵多样化的特点.这些变化和特点对我国本科物理实验课程改革在课程目标设置与教学实施方面有重要启示：加强学生实验认识论的培养,重视学生实验核心能力发展,丰富实验科学交流形式.     

医学类专业物理实验教学状况的比较分析

基于2016年、2004年2次调查结果,比较分析了普通高等学校临床医学、麻醉学、医学影像学、口腔医学、预防医学专业的物理实验课教学状况,指出了当前存在的主要问题并给出了解决对策.十余年来,广大医药类专业物理实验课程教师积极建设物理实验教学资源,尝试各种有效的教学方法,利用各种现代化教学手段.大多数学校由于物理实验课学时数的减少,物理实验仍以基础实验为主,但许多学校还是在基础实验与医学的结合、综合性实验、研究性实验等方面做了很多努力.教师对教材的满意度大幅提高,各校的实验经费情况差别非常悬殊的情况没有多少改变.今后可以根据各校的情况,借鉴部分院校成功的经验:少学时院校可以重视实验内容的改革;每个实验课时可以适当延长,拓展实验的深度;条件好的院校可以开展分层次分类的实验教学.在物理实验课教学资源建设方面,各校应积极协同建设好在线开放物理实验课程资源库,弥补实验课时少的不足.教师的教学理念也需要更新,积极参加教学研讨会.各级单位应完善职称评定制度,使教师的教学工作在业绩考评中得到充分体现.