光科07020 于海民 1302070208
摘要 1962年，美国EG&G PARC（SIGNAL RECOVERY公司的前身）的第一台锁相放大器的发明，使微弱信号检测技术得到标志性的突破，极大地推动了基础科学和工程技术的发展。目前，微弱信号检测技术和仪器的不断进步，锁相放大器已经在科学研究、医疗卫生、国防科技、精细加工检测等领域均有着非常广泛的应用，服务于物理、化工、生物、电子等诸多学科(如电、光、磁、声、热、超导、振动等测量；各种谱仪、温度传感测量、谐波探测等应用；以及霍尔效应、电阻检测、激光检测等) 。 关键字 锁相放大器 信噪比 微弱信号 检测
一、基本结构
二、锁相放大器的原理
乙基氯化物
锁相放大器(Lock-in Amplifier 简称LIA)是以相关检测技术为基础，利用互相关的原理设计的一种同步相干检测仪。它是一种对检测信号和参考信号进行相关运算的电子设备，利用参考信号频率与输入信号频率相关，与噪声频率不相关，从而从噪声中提取有用信号。它不同于一般的带通放大器，它所输出的信号并不是输入信号的简单放大，而是把交流分量放大并变成相应的直流信号输出。使用锁相放大器是从强噪声中提取弱信号的重要手段。可理解为:把待测信号中与参考信号同步的信号放大并检测出来。一般锁相放大器的组成分为三部分:信号通道、参考通道和相关器（相敏检波器）。其核心部分是相敏检波器（phase-sensitive detector 简称PSD），它实际上是一个乘法器。输入信号和参考信号分别加在相敏检波器的两个输入端。锁相放大器的结构框图如下： 锁相放大器的最基本原理是相关接收原理，在相关接收中，可以把两个信号的函数f1(t)和f2 (t)的相关函数表示为：
其中f2 (t)为参考信号，为测量信号，S（t）为需要检测出来的信号，f2（t）与S(t)频率相同。下面详细讨论这一原理是怎么具体应用在锁相放大器的设计上，锁相放大器又是如何通过直接计算相关函数来实现从噪声中检测淹没信号的。
三、锁相放大器的各种应用
1、有锁相放大器组成的各种检测器件
A）光学斩波器
B）源补偿测量系统
C）双光束检测系统
D）浊度仪 Turbidimeter
2、锁相放大器在温度传感器校准系统中的应用
在瞬态温度测量中,温度随时间迅速变化,由于测温传感器感温件的热惯性和有限热传导,测出的温度与实际温度存在差别,这种差别即为动态响应误差。为了尽量减少这类系统误差,需对测温传感器进行动、静态校准[ 。校准装置由于存在电源噪声、辐射噪声、震动噪声及回馈控制噪声等的影响,低温下系统的微弱信号将被噪声淹没,无法分辨有效的信号,使系统无法在低温范围对温度传感器校准 。在系统中加入锁相放大器,利用噪声与参考信号不相关,而湮没于噪声当中的微弱信号与参考信号有着极高的相关性的特点,从而改善了系统的信噪比,拓宽了校准系统的温度下限。
在该系统中。由于红外探测器的频率响应特性优于温度传感器,因此可以红外探测器所得曲线作为真值来校准温度传感器的频率响应并获取系统误差的修正值，但红外探测器易受杂散光、环境辐射、内部噪声等影响,尤其是低温时热辐射信号微弱,信噪比较低,信号将淹没在噪声中,这就限制了校准系统在低温时的应用。应用了锁相放大器的温度传感器校准系统,锁
相放大器的参考信号由激光器的控制脉冲信号提供,它与红外探测器应探测的热辐射信号同频率。红外探测器探测到的信号和噪声经锁相放大器选频放大后,轮椅电机噪声得到抑制,信号被放大。
通过实验波形,氧化锆全瓷可以发现红外探测器输出信号得到了明显的改善。校准系统温度下限的拓展，系统信噪比的提高，在温度校准系统中,采用高功率脉冲可调的CO2 激光器为阶跃温度发生装置,对温度传感器进行加热提供一个温度激励信号来校准温度传感器。加入SR830 双相锁相放大器以后,拓宽了温度传感器校准的温度范围,能够在低至室温范围内对温度传感器校准;锁相放大器优良的选频放大作用极大地提高了系统的信噪比。
3、数字锁相放大器进行谐波探测
对可调谐激光采用波长调制并对吸收信号进行高次谐波处理是近年来发展起来的一种新型的激光光谱分析法, 已经被广泛应用于环境检测、大气科学、痕量分析、光谱测量等领域[ 1, 2, 3 ]。我们通过对外腔式二极管激光施加低频电压控制其反馈镜的压电陶瓷, 实现输出光连续调谐的低频波长调制气浮刮渣机, 测量Cs 原子D2线(未饱和) 的调制吸收光谱, 通过计算机控制数字锁相放大器(美SR 830) 进行数据采集,获得了信号的高次谐波(4f、6f、6f÷ f 为调制频率) 光谱, 发现由锁相放大器获得的高次谐波较常见的二次谐波2f 探测具有更高的信噪比
激光在调制的同时慢扫通过样品后探测到的二次、四次、六次及八次谐波信号，在去掉样品后得到的二次、四次、六次及八次谐波信号,实验测得当m = 2. 1时, 2f 探测的信噪比SNR = 80; 当m = 3. 6 时, 4f 探测的SNR = 300; 在m = 5. 2时, 6f 探测的SNR = 460; 同时m = 5. 2时, 探测8f 的SNR = 987 (更大的调制深度受到激光器调谐范围的限制)。可见在高灵敏探测过程中利用锁相放大器进行的高次谐波探测比二次谐波可获得更高的信噪比。高次谐波探测可获得1. 5油田加药装置×10- 6的最小探测吸收率。
用于微弱信号测量的锁相放大器是基于相关检测技术的相敏检波装置。相关检测技术是利用信号周期性和噪声随机性的特点, 通过自相关或互相关运算, 达到去除噪声的一种技术。
数字锁相放大器由于其体积小、使用方便、微机的可控制以及其可靠性与稳定性等特点, 在光
谱学和环境学的微弱信号的探测与采集中有着广泛的应用前景。利用Harvey2M yat t 外腔式二极管激光的新型分析技术 - 低频波长调制和谐波探测法, 对Cs 原子D2线(未饱和) 进行了测量, 通过数字锁相放大器很容易获得信号的高次谐波探测方式下的高灵敏度吸收光谱。这种低频电压调制的方法较高频波长调制的优点是不需要快速的光电探测器; 另外调制压电电压较常见的电流调制引起的输出光能量起伏小1～ 2个数量级, 背景噪声较小。通过锁相放大器(SR830 DSP) 的使用, 使探测高次谐波更为方便, 探测灵敏度也得到了进一步提高。
国内外的科研人员通过大量的实验发现，蓄电池的内阻与容量有着密切的关系，根据蓄电池内阻的大小可以电池的性能。用内阻检测法判定蓄电池性能，实现维护密封铅酸蓄电池的在线维护，是目前人参认的蓄电池维护的最佳方案之一。
蓄电池的内阻一般都很小，满容量时，内阻一般为几毫欧，甚至零点几毫欧（一般400Ah
的2V蓄电池内阻大约为0.5毫欧左右），因此内阻法在实现时有较大的技术难度。另外，充电机会产生很大的干扰，环境的噪声也是不可忽视的，再加上内阻否则微弱，所以如何有效地抑制干扰也就成了内阻测量的关键技术。
在研究中发现，采用锁相放大技术可以有效地抑制干扰和，并使得内阻的测量变得非常简单且测量速度快、成本低廉。
内阻测量是一个比较复杂的过程，目前主要有两种方法，即直流放电法和交流注入法。交流注入法相对直流放电法有很多优点，如体积小、成本低、对电池无损害、可在线测量、可进行频繁的测量等。由于交流法具有种种优点，所以越来越受到业界的推崇。
这里要用了交流注入法进行蓄电池内阻的测量，运用锁相放大技术很好地抑制了充电机的干扰和环境噪声。
交流注入法测量电池内阻的原理框图如图2所示。由于在变电站和通信中使用的免维护铅酸蓄电池的内阻都很小，一零点几个毫欧至几个毫欧，所以电池内阻测量导线的阻抗是不可忽略的，应采用四线法进行测量，即将注入电流回路与信号测量回路分开。
图中，低频交流信号发生器为一个频率为5Hz的交流恒流电池源，用于给电池注入交流信号。电阻Rr为取样电阻，用于产生同步参考信号。
锁相放大及滤波电路是内阻测量的核心部分，用于分离电池内阻上固有的容性成分，并对微弱的内阻测量信号进行锁相放大及滤波处理。
测量内阻一般是先通过测量电压计算出内阻抗，再测量相移，然后再计算出内阻抗中纯阻性部分（即常说的电池内阻）。这种方法电路设计比较复杂，并且精度也很难做得很高。在设计中，采用了锁相放大法进行内阻的测量，可直接计算出内阻，既简化了设计，又有效地抑制了干扰和，大大提高了测量精度。
利用调制解调芯片AD630对电池内阻的测量信号进行锁相放大处理，不仅很好地抑制了干扰和噪声，而且还简化了内阻的测量，无需分别计算内阻抗和相移角，可直接测出内阻。电池内阻的准确测量为电池的正常工作提供了可靠的保障，对提高直流系统的安全运行、供电系统的可靠性和自动化程度有着十分重要的意义。该装置已经在很多变电站、电厂和通信中有了广泛的应用，运行情况良好。
5、基于Labview的锁相放大器的应用
A）声音定位系统
如下图所示，测量仪是由三个位于等腰直角三角形的声音接受器组成，测量范围为以OA为Y轴，OB为X轴的直角坐标系的第一象限区域（三角形的右上方）。设S点为声源，由于声源到三个接收器的距离不同，其发出的声波到达三个接收器的时间不同，所测得的相位差也不同，据此计算出声源的位置。如果使声源S发出的声音为一已知固定频率，便可利用锁相放大器有效克服噪声，检测到三个信号，并较为精确地求出其两两之间的相位差。
B）PN结电容的测量
infocenterPN结外加电压时，势垒区的空间电荷数量将随外加电压变化，这种由势垒区的点和变化引起的电容是势垒电容CT。PN结的电容是随外加电压的变化而变化的，利用这一特性可制作一只变容二极管，在二极管上面加大小可调的反向直流偏压V0，同时加正弦震荡的交流电压，并使其与一个大电容共同分担这个交流电压。将分压V输入锁相放大器，可测得这一微小信号的振幅等信息。改变直流电压值，可得到V- V0曲线。再利用已知电容替换PN结，保持V不变的情况下可对曲线进行定标，从而得到不同电压下的势垒电容CT。
C） 光速测量
以CG-Ⅱ型光速测量仪为例，利用光拍频法测量光速。仪器用一个超高频功率信号源产生频率为F的信号输入声光移频器，在声光介质中产生驻波声场。激光通过介质光栅发生衍射，其零级衍射光中含有拍频为Δf=2F的成分。利用半反射镜将这束光分为近程和远程两路，并利用斩波器使每一时刻只有一路中有光经过。传播一段距离后让两束光光路重合，利用光电二极管收集其光强信号，可利用锁相放大器测量此信号。调节两束光的光程差，当光程差等于一个拍频波长时，两正弦波的相位差为2π，可由锁相放大器测得。而c=Δf×Λ=2F×Λ，由此可得到光速。
