利用锁相原理同时进行标定和测量的装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种利用锁相原理同时进行标定和测量的方法及装置，通过利用锁相原理在同一组数据上同时进行标定和测量，不需要特别分配用于标定的时间。该方法彻底解决了需要在短暂的时间窗口中分配标定时间的弊端。该方法特别适用于测量窗口短暂且随机，测量条件随时间不断变化的应用领域。

A device and method for simultaneous calibration and measurement based on phase locked principle

【技术实现步骤摘要】
利用锁相原理同时进行标定和测量的装置及方法
本专利技术涉及信号测量
，更具体地说，涉及一种利用锁相原理同时进行标定和测量的装置及方法。
技术介绍
对信号和待测物体进行测量是工程、工业实践和科学研究中的重要环节。针对不同目标和应用场景，需要提出相应的测量技术。例如，在光镊实验中，利用一束被小球散射的探测激光将小球的位移转化成光电信号进行测量。当待测物体或信号无法直接进行测量时，可采用间接测量方法，将待测物体或信号转换成另一种易于测量的物理量，如电压等，然后将测量得到的数据通过已知的函数关系转换成实验需要的测量值。为了实现间接测量，需要预先确定待测物体或信号与实际测量的物理量之间的函数关系，这一过程称之为标定。在常规的标定过程中，首先需要在待测物体上引入一个或一组已知的变化，再利用仪器记录所选择物理量随待测物体产生的变化，从而建立起待测物体和仪器记录下来物理量之间的函数关系。这种方法需要在实际测量之前通过实验获得标定函数，因此，标定和测量必须分别进行。但，在一些应用场合下，如在生物活体中进行测量时，可供测量的时间窗口非常短暂且无法预测时间窗口出现的时机。例如，光镊在动物血管内捕获细胞或微米小球，由于血管中大量快速流动细胞的干扰，无法预知细胞或微米小球被光镊捕获以及从光镊中脱离的准确时间。由于生物样品和环境之间的异质性，实践中还需要对每一个被捕获的细胞或者微米小球进行标定。因此，这类应用场景下的定量测量需要一种在短暂且随机出现的测量窗口中同时完成标定和测量的方法。在用于光镊中小球位置探测的后焦面探测光路中，光电探测器对探测激光的入射角度不敏感，但对激光焦点和小球的相对位置很敏感。因此，采用偏转探测激光角度，精确改变探测激光焦点相对小球的距离的同时测量光电信号，就能够标定小球的位移与光电探测器电压之间的关系。这一技术虽然实现了在活体动物体内随时对光镊进行标定，但标定和测量在时间上仍然是分离的，并没有解决如何在随机发生的事件中对标定和测量时间进行合理分配的问题。还有研究者利用图像追踪的方法在活体斑马鱼中定位血细胞，并结合光镊测量斑马鱼血管中的流动。该方法采用预先标定的成像系统放大倍率作为标定信息，因此避免了需要在短暂的时间窗口内完成标定和测量的问题。但是，该技术方案采用了昂贵的高速图像采集系统，实验中的时间分辨率仍然相对探测激光方法有明显的降低，不能充分满足在活体中进行测量的需要。
技术实现思路
有鉴于此，为解决上述问题，本专利技术提供一种利用锁相原理同时进行标定和测量的装置及方法，技术方案如下：一种利用锁相原理同时进行标定和测量的方法，所述方法包括：通过将已知波形的调制波信号叠加到待测量对象上进行测量；将测量结果与一列和所述调制波信号具有相同频率的锁相信号相乘，并在测量时间段内进行积分；依据所述积分结果，获得所述测量信号和所述待测量对象的转换系数；依据所述转换系数和所述调制波信号，获取所述测量结果中被所述调制波信号影响的第一测量结果；将所述测量结果减去所述第一测量结果，获得没有所述调制波信号影响的第二测量结果；依据所述第二测量结果和所述转换系数，获得所述待测量对象的目标测量结果。优选的，在上述方法中，所述依据所述积分结果，获得测量信号和所述待测量对象的转换系数，包括：将所述积分结果除以∫L2·dt·A，获得所述测量信号和所述待测量对象的转换系数k；其中，L表示所述锁相信号；A表示所述调制波信号W与所述锁相信号L的振幅比值。优选的，在上述方法中，所述依据所述转换系数和所述调制波信号，获取所述测量结果中被所述调制波信号影响的第一测量结果，包括：将所述转换系数k和所述调制波信号W进行相乘，得到所述第一测量结果M＝k·W。优选的，在上述方法中，所述依据所述第二测量结果和所述转换系数，获得所述待测量对象的目标测量结果，包括：将所述第二测量结果S*除以所述转换系数k，获得所述待测量对象的目标测量结果T＝S*/k。一种利用锁相原理同时进行标定和测量的装置，所述装置包括：光镊激光源、探测激光源、分束镜、显微镜、含有待测量对象的样品平台以及光电探测器；其中，所述光镊激光源用于出射光镊激光，通过对所述光镊激光的光路进行调整，以使所述光镊激光入射至所述分束镜；所述探测激光源用于出射探测激光，通过对所述探测激光的光路进行调整，以使所述探测激光入射至所述分束镜；所述分束镜用于将所述光镊激光和所述探测激光合成一束激光，通过对其光路进行调整入射至所述显微镜的物镜；其中，所述光镊激光在所述物镜的会聚作用下，在所述样品平台上形成光镊；所述探测激光通过控制其偏转方向，被所述待测量对象散射后作为探测光被所述光电探测器接收。优选的，在上述装置中，所述装置还包括：第一反射镜、第一偏振分光棱镜、第一压电转镜、第二偏振分光棱镜、第一扩束器和第二反射镜；所述光镊激光依次通过所述第一反射镜、所述第一偏振分光棱镜、所述第一压电转镜、所述第二偏振分光棱镜、所述第一扩束器和所述第二反射镜入射至所述分束镜。优选的，在上述装置中，所述装置还包括：第二扩束器、反射镜和第二压电转镜；所述探测激光依次通过所述第二扩束器、所述反射镜和所述第二压电转镜入射至所述分束镜；所述第二压电转镜用于控制所述探测激光的偏转方向。优选的，在上述装置中，所述装置还包括：第一透镜、反射镜和第二透镜；其中，通过所述分束镜的激光，依次通过所述第一透镜、所述反射镜和所述第二透镜入射至所述显微镜的物镜中。优选的，在上述装置中，将锁相原理用于活体动物内的测量与标定。优选的，在上述装置中，利用光镊后焦面探测原理，通过扫描探测激光引入调制信号。相较于现有技术，本专利技术实现的有益效果为：本专利技术提供的一种利用锁相原理同时进行标定和测量的方法，通过利用锁相原理在同一组数据上同时进行标定和测量，不需要特别分配用于标定的时间。该方法彻底解决了需要在短暂的时间窗口中分配标定时间的弊端。该方法特别适用于测量窗口短暂且随机，测量条件随时间不断变化的应用领域。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。图1为本专利技术实施例提供的一种利用锁相原理同时进行标定和测量的方法的流程示意图；图2为本专利技术实施例提供的一种利用锁相原理同时进行标定和测量的装置的结构示意图；图3为本专利技术实施例提供的一种光镊激光、探测激光和待测量小球的相对位置关系示意图；图4为本专利技术实施例提供的通过光电探测器得到的电压信号波形图；图5为本专利技术实施例提供的通过锁相方法计算出D2所导致的电压变化波形图本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种利用锁相原理同时进行标定和测量的方法，其特征在于，所述方法包括：/n通过将已知波形的调制波信号叠加到待测量对象上进行测量；/n将测量结果与一列和所述调制波信号具有相同频率的锁相信号相乘，并在测量时间段内进行积分；/n依据所述积分结果，获得所述测量信号和所述待测量对象的转换系数；/n依据所述转换系数和所述调制波信号，获取所述测量结果中被所述调制波信号影响的第一测量结果；/n将所述测量结果减去所述第一测量结果，获得没有所述调制波信号影响的第二测量结果；/n依据所述第二测量结果和所述转换系数，获得所述待测量对象的目标测量结果。/n

【技术特征摘要】
1.一种利用锁相原理同时进行标定和测量的方法，其特征在于，所述方法包括：
通过将已知波形的调制波信号叠加到待测量对象上进行测量；
将测量结果与一列和所述调制波信号具有相同频率的锁相信号相乘，并在测量时间段内进行积分；
依据所述积分结果，获得所述测量信号和所述待测量对象的转换系数；
依据所述转换系数和所述调制波信号，获取所述测量结果中被所述调制波信号影响的第一测量结果；
将所述测量结果减去所述第一测量结果，获得没有所述调制波信号影响的第二测量结果；
依据所述第二测量结果和所述转换系数，获得所述待测量对象的目标测量结果。


2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述依据所述积分结果，获得测量信号和所述待测量对象的转换系数，包括：
将所述积分结果除以∫L2·dt·A，获得所述测量信号和所述待测量对象的转换系数k；
其中，L表示所述锁相信号；
A表示所述调制波信号W与所述锁相信号L的振幅比值。


3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述依据所述转换系数和所述调制波信号，获取所述测量结果中被所述调制波信号影响的第一测量结果，包括：
将所述转换系数k和所述调制波信号W进行相乘，得到所述第一测量结果M＝k·W。


4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述依据所述第二测量结果和所述转换系数，获得所述待测量对象的目标测量结果，包括：
将所述第二测量结果S*除以所述转换系数k，获得所述待测量对象的目标测量结果T＝S*/k。


5.一种利用锁相原理同时进行标定和测量的装置，其特征在于，所述装置包括：
光镊激光源、探测激光源、分束镜、显微镜、含有待测量对象的样品平台以及光电探测器...

【专利技术属性】
技术研发人员：王浩威，李银妹，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：安徽;34