数字锁相测量系统设计及其在脉冲强磁场弱信号检测中的应用

摘要

对凝聚态和材料物理的研究而言，脉冲强磁场极端实验环境是非常重要并且有效的研究手段之一，具有如极低温和超高压类似的作用。近年来强磁场由于其在科研以及工程方面的突出作用而受到人们的越来越多的关注。在强磁场下进行的常规测量主要包括了磁化测量与电输运测量，其中电输运测量通常使用的直流测量方法精度有限，且容易受到各种条件的制约而导致测量精度和信噪比很低，而交流测量方法采用的锁相处理对于噪音和干扰有着很好的消除作用。基于武汉国家脉冲强磁场实验室的装置，本论文进行了数字锁相法的研究，并应用于脉冲强磁场电输运测量系统以及部分光学实验中，取得了很好的实验结果，该数字锁相测量技术已在实验中广泛使用。论文主要研究内容如下：
　　一、简要介绍了脉冲强磁场科学实验平台在半导体、凝聚态、超导体以及拓扑绝缘体等领域科学研究中起到的作用。简单介绍了脉冲强磁场下电输运测量的现状，数字锁相测量技术的发展过程，以及脉冲强磁场下应用锁相法的必要性。
　　二、设计了脉冲强磁场下交流锁相电输运测量系统，利用虚拟仪器技术比较了在同等条件下直流测量法与交流锁相法的优劣，仿真结果表明，交流法有着更高的精度，对外界噪音和干扰的去除效果更好。同时，通过对传统锁相技术的改进，设计出的双锁相法，使得我们能够得到样品阻抗性质，这是直流法所无法得到的。
　　三、利用LabVIEW编程语言设计了一套仿真程序，对实验中出现的各种情形进行仿真，确定了各种测量参数的优化值，实验证实优化后的实验系统能够获得更高精度的数据。运用到材料电输运参数的测量中，取得了非常好的实验结果。
　　四、通过与光学实验组合作搭建了光克尔与Z-scan实验平台，锁相法在其中的光克尔实验中起到了非常关键的作用。同时还进行了光克尔中锁相部件的数字化尝试，其结果表明数字锁相在一定程度上可以代替锁相放大器，在光克尔实验中起到节约成本的作用。为光学实验在未来即将投入实验的高稳态平顶脉冲强磁场中的应用打下了坚实的基础。

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1 绪论

1.1 脉冲强磁场技术

1.2 脉冲强磁场在材料科学中的应用

1.3 脉冲强磁场下测量方法和现状

1.4 锁相测量技术的应用与发展

1.5 数字锁相在国外强磁场实验室的应用

小结

2 基于脉冲强磁场的数字锁相测量系统

2.1 脉冲强磁场实验环境的构成

2.2 脉冲强磁场下的电输运测量

2.3 锁相的基本原理

2.4 锁相放大器的基本工作原理

2.5 虚拟锁相放大器

2.6 脉冲磁场下的测量法比较

2.7 双锁相法的原理

2.8 Los Alamos的锁相技术

小结

3 数字锁相法的优化仿真研究

3.1 锁相仿真模型的构建

3.2 数据处理中低通滤波器的选择

3.3 磁场感应的影响

3.4 噪音信号的影响

3.5 信号频率的影响

3.6 信号测量时滤波器的影响

3.7 系统优化成果

小结

4 锁相法在光学实验系统中的应用

4.1 光学实验在长脉冲平顶磁场中实现的可行性

4.2 光克尔技术

4.3 锁相放大器在光克尔中的应用

4.4 光克尔的数字锁相

4.5 Z-scan测量系统

4.6 光学实验系统成果

小结

5 全文总结与工作展望

致谢

参考文献

附录 博士期间发表文章清单