[发明专利]用于精确相移测量的系统和方法

说明书

技术领域

本发明总体上涉及精确测量，并且更具体地测量周期性地激励的物理系统中的相移的精确测量。

背景技术

在周期性地激励的物理系统中常常存在对相移的精确测量的需要。对这样的测量很感兴趣，因为激励和响应之间的相移常常为测量物理系统的某种属性（例如其谐振频率或阻尼常数）提供了一种敏感的方法，所述属性又随着在环境中要被监控的量（例如温度或化学成分）而变化。

例如，物理系统可以是由两个相对的高反射率反射镜形成的光学谐振腔。激励可以是照射反射镜之一的已调制的非相干光源的强度；响应可以是漏到腔之外的已调制的光的强度。在这种情况下，激励的调制和响应的调制之间的相移随着谐振腔内的光子寿命而变化。也就是说，它随着阻尼常数而变化，该阻尼常数又随着因为填充腔的气体中的光学吸收化学物种的存在而引起的光损耗而变化。这样的技术可以被用来感测各种各样的化合物的存在。例如，如果光具有440nm光谱范围中的波长，则可以以这种方式感测到二氧化氮的光学吸收。

在另一例子中，物理系统可以是压电石英晶体谐振器。激励可以是施加的电压；响应可以是结果产生的电流。在这种情况下，电流和电压之间的相移随着谐振频率的改变而变化，谐振频率又响应于诸如温度或沉积在表面上的质量之类的因子而变化。

在许多实际情形中，高激励频率和低响应强度的组合使得直接测量响应和激励之间的相移不可行。在这些情况下，通常采用外差检测来允许完成较低频率处的测量。

然而，通常在可以执行实际的相移测量之前需要响应的一定放大。该放大产生问题，因为其通常引起必须与由待研究物理系统产生的相移区分开的附加相移。

因此，存在对精确测量周期性地激励的物理系统中的相移的改进技术的需要，该技术不会受到那些缺点的影响。

发明内容

在一个实施例中，外差相移测量系统包括频率发生器，该频率发生器产生：激励信号，与激励信号相干的本地振荡器信号，以及处于激励信号和本地振荡器信号的差频下的参考信号，所述参考信号与激励信号和本地振荡器信号相干。激励信号被施加于物理系统以产生响应信号，该响应信号又通过混合器与本地振荡器信号混合以产生输出信号。例如放大器的滤波器选择输出信号的差频分量。在例如计算元件的控制下，频率发生器改变激励信号和/或本地振荡器信号的频率，以使得差频分量的幅度是恒定的，但是差频分量的符号从正变为负。在该差频分量的两个符号中的每一个处，测量输出信号的差频分量相对于参考信号的相移。从在正的符号处测量的相移减去在负的符号处测量的相移，并且然后将差分成两半以产生相移结果。以这种方式，可以基本上独立于由外差相移测量系统中的其他部件（例如由混合器的下游的电路部件）引起的任何相移而测量由物理系统引起的相移。

附图说明

下面的描述参考附图，在附图中：

图1是示例外差相移测量系统的示意图；

图2是示出适合于在图1的相移测量系统中使用的解调器元件的第一示例实施方式的示意图；

图3是示出适合于在图1的相移测量系统中使用的解调器元件的第二示例实施方式的示意图；

图4是用于图3的示例解调器元件的示例时序图；

图5A是在使用图1的外差相移测量系统的示例外差相移测量中涉及的代表性波形的描述；

图5B是精确外差相移测量的示例步骤序列；

图6是示出结合图3的解调元件使用的第一示例频率发生器的示意图；

图7是示出使用针对结合图2的解调元件使用的本地振荡器信号的线性调频转发器频率偏移发生器的第二示例频率发生器的示意图；以及

图8是示出使用针对结合图3的解调元件的频率偏移生成的锁相回路的第三示例频率发生器的示意图。

具体实施方式