研究为导向之物理实验技术课程设计——以自制学生级锁相放大器教学课程之设计为例

实验物理教学课程的内涵与成效在过去数十年中一直是受到学者们的质疑.而其改进工作亦从无间断,从食谱式的引导,转换成探究式教学;从单调的手工数据量测升级为电脑自动化量测,再再看到许多学者的投入与努力.然而大学实验教学课程在奠定专题生与研究生之动手做的基础能力方面,仍有许多努力空间,笔者在进行物理系高年级之物理实验技术课程中,以锁相放大器为教学标的,透过一系列的课程,从理论、电路实作、应用等方面,让学生能深刻了解此仪器所要解决的物理问题与操作时参数的选用与设定,并自制一个简易型的线性变数差动变压器（LVDT）作为测试锁相放大器应用的仪器.经过完整、有系统的学习后,学生在日后进行研究实验中,面对一台研究级的锁相放大器时,较能得心应手,解决问题.     

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.     

基于ip-iq理论的改进谐波检测方法

有源电力滤波器(APF)是电力系统中实现电能质量管理的关键设备,谐波检测作为APF的关键技术之一,检测的精度和响应速度直接决定了APF的整体性能。介绍了传统的基于瞬时无功功率理论的ip-iq谐波电流检测算法; 针对其检测精度受锁相环输出相位误差影响,以及低通滤波器的存在限制了谐波检测系统的响应速度,提出了应用锁频环技术,产生与电网电压同频的单位正余弦信号的一种改进谐波检测算法; 并提出采用滑动平均滤波器(MAF)代替低通滤波器提高其响应速度以及改善谐波检测精度; 对改进的检测算法进行了理论分析,通过MATLAB进行仿真研究,理论分析和仿真结果都证明了该方法的有效性。     

F-P腔不同扫频段透射谱锁频精度实验

针对窄线宽激光器输出谱线窄,难以被锁定的情况,利用F-P腔特有极窄线宽、高精细度特性对激光器谱线线宽实施压窄及频率锁定。通过设计实验方案并搭建锁频测试平台,利用F-P腔外部光反馈将窄线宽半导体激光器线宽压窄来提高锁频精度。通过监测正弦波调制下F-P腔对于4种不同直流电压下激光PZT扫频段的透射谱线,并对其分别进行解调和锁频精度测试,得到直流高压放大器电压为73 V时对窄线宽激光器进行扫频,激光器反馈锁频精度最高可达1.5 MHz。     

S波段相对论速调管放大器锁相特性

对相对论速调管放大器（RKA）锁相特性进行了粒子模拟与实验研究。在2.5维粒子模拟中,研究了电子束电压波形特征对RKA锁相特性的影响,结果表明:电子束电压波形上冲对RKA锁相特性有正面影响,即能够减小相位差达到锁定状态的时间,幅度为20%的上冲导致大约23的相位差变化;波形顶降则对RKA锁相特性有负面影响,可使相位差过早地偏离稳定值,幅度为5%的顶降大约能引起50的相位差偏离;电压波形的上升时间对RKA相位锁定特性也有影响,但规律不明显。在三维粒子模拟和实验中,研究了导引磁场大小对RKA锁相特性的影响,结果表明,在1.6 T以下,RKA输出微波与种子源微波之间的相位差锁定值总体上随导引磁场的增大而减小,在细节上,呈现阶跃形式,即一定范围内导引磁场大小变化不会导致相位差的改变。实验研究表明,在导引磁场范围为0.6~1.2 T时,RKA锁定相位差随导引磁场的增大而减小,阶跃现象不明显。     

反应扩散系统中波传播的锁频现象

在空间延展系统中,当增强外部光强时,作者观察到波传播的N∶N-1(N≥2)锁频现象.此现象是在光敏BZ反应实验中观察到的.通过构建一个映射函数,发现在波周期和外部光强的关系中存在魔鬼阶梯,并且此阶梯与实验数据相吻合.     

基于红外波段光谱吸收的小型化湿度探测系统

 探测系统的光源选择为垂直腔面发射激光器,选定水汽在1.854 μm的吸收峰。系统自动在直接测量法与谐波测量法之间切换,能够适应高低湿度环境。在低湿度环境检测中,利用二次谐波与一次谐波的比值来定标湿度,有效去除了光源不稳定对测量带来的影响;过采样的A/D转换结合数字锁相放大（DLIA）技术,提高了检测精度。系统通过以太网接口,可以实现远程数据采集。     

超声波的光外差接收

激光接收超声是一种非接触式的超声接收技术，它在超声无损评估及检测领域有重要的应用。本文设计研制了激光外差干涉接收超声的实验系统，该系统由声光调制器产生光频的频移，锁相环进行位相解调。文中重点讨论：（１）在光学部分，外差干涉光路空间准直性对信噪比的影响。（２）在信号处理电路部分，锁相环电路特性分析及其参数确定     

一种基于荧光猝灭原理的光纤氧气传感器

用钌 (Ⅱ ) 邻菲咯啉配合物作为指示剂 ,研制成功一种基于荧光猝灭原理的光纤氧气传感器。采用锁相放大技术 ,实现了对弱荧光信号的检测。该传感器的检测下限为 5× 10 -6,检测精度为 5× 10 -7,响应时间T≤ 10s,并具有较强的抗干扰能力、较好的重复性和稳定性。