什么是扫频法和扫场法？如果你对这个不了解，来看看！
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什么是扫频法和扫场法1
1.影响红外光谱吸收强度的两个主要因素是振动能级的跃迁几率、振动能级跃迁时，偶极矩的变化。拉曼散射线包括stokes线和anti-stokes线，其中stokes线的强度比较大。
2.X射线连续谱图形变化规律中，当管压增高。连续谱各波长的相对强度相应增高，且连续谱峰值所对应的波长都向短波方向移动。随管电流.管电压的改变，特征X射线谱的谱线只改变强度而特征X射线的波长取决于阳极靶的元素的原子能级结构，每个特征谱线都对应一个特定的波长。
3.在选择滤波片时，目的是入射X射线单色化，所选择的滤波片的吸收限入
应满足处于入射X射线 λ Kα 与λ Kβ 之间，在选择阳极靶材时，其目的是使靶材产生特征X射线，不激发样品的荧光辐射，降低背光，图像清晰，所选择靶的Ka波长满足远大于或远短于样品的吸收限。
4.透射电镜的主要特点是可以进行组织形貌与晶体结构的同位分析，既可以进行成像操作又可以进行衍射 操作。
5.金属薄膜样品的制备过程主要包括：线切割，机械研磨预减薄，电解抛光减薄、双喷电解减薄。
6..当X射线将某物质原子的K层电子打出去后，L层电子回迁K层，多余能量将另一个L层电子打出核外，这整个过程将产生光电子和俄歇电子。
7.结构因子表征了晶胞内原子的种类,原子的个数、原子的位置对衍射强度的影响 。
8.在甲基自由基中，三个质子与未成对电子等同的相互作用，其ESR谱由4重峰组成，相对强度比1:3:3:1.
9.影响红外吸收峰谱带位移的内部因素有空间效应、振动耦合、费米共振、氢键效应四种.
10.在程序控温条件下，示差扫描量热分析（DSC）是测定补偿功率与环境温度的关系，而差热分析（DTA）是测定物质和参比物的温度差 与环境温度的关系，因而DSC能用于定量热分析上。
11.最基本的X射线衍射实验方法有三种：劳厄发、转晶法、粉末法。
12.粉末法测衍射线强度时，影响X射线衍射强度的因子有结构因子、角因子、多重性因子、温度因子、吸收因子。
13.宏观应力是多个晶粒范围内存在的保持平衡的应力，它能引起衍射线位移；微观应力是少数晶粒或若干原子范围内存在保持平衡的应力，它能引起衍射线位移或者强度变化。
14. 电子与物质相互作用，可产生二次电子，背散射电子，俄歇电子，特征X射线等用于观测样品形貌或成分的主要信号。
15.通过调整中间镜的透镜电流，使中间镜的物平面与物镜的背焦面重合，可在荧光屏上得到衍射花样; 若使中间镜的物平面与物镜的像平面重合则得到显微像。
16.透射电镜的分辨率主要与物镜的分辨率有关，扫描电镜的分辨率主要与电子束的直径 有关.
17.使用60.0MHZ NMR仪时，TMS的共振峰与化合物的某质子共振峰之间的频率差为120HZ。如果使用100.0MHZ 的NMR仪，它们之间的频率差将200HZ
18.分子产生红外振动吸收时其偶极矩必须有变化；而分子振动产生Raman光谱是必须有极化率变化.
19.NMR谱图反映的信息有化学位移、偶合常数、吸收峰面积。
20.造成IR光谱实际观察到的峰数目减少的原因有存在没有偶极矩变化的振动模式、存在能量简并态的振动模式、仪器的分辨率分辨不出的振动模式。
21.热分析方法中高的升温速率将导致吸放热峰的峰顶温度升高。
22.常用的三种热分析方法差热分析法(DTA)、差示扫描量热法(DSC)、.热重法(TG 或 TGA) ，其中能进行定量分析的是差示扫描量热法(DSC)。
23.红外光谱的特征频率是指有机官能团在IR谱中产生特征吸收峰的频率，红外光谱分析的三个要素是谱峰的位置、谱带的形状、谱带的强度。
24.扫描电镜是由真空系统，电子束系统，成像系统部分组成。
25.X射线产生的基本条件包括：产生自由电子的电子源、设置自由电子撞击靶、用以电子加速、的高压、高真空环境。
26.X射线衍射的本质是由大量的原子参与的一种散射现象，产生衍射现象的必要条件是有一个可以干涉的波（X射线）和一组周期排列的散射中心（晶体中的原子）。
27.在X射线衍射分析中，滤片玻璃选择的目的是使入射X射线单色化，所选择的滤波片的吸收限λK
。阳极靶材的选择目的是避免产生荧光辐射干扰分析，所选择的靶材的Kα波长应满足λKα稍大于λK且尽量靠近λK。
28.二次电子的主要特点是对样品的表面形貌敏感，空间分辨率高，信号收集率高，背散射电子的主要特点是对于样品物质的原子序数敏感，分辨率及信号收集率低。
29.在电子偏转时，上偏转线圈使电子束顺时针偏转θ角，下偏转线圈使电子束逆时钟偏转θ+β角，则电子束相对于原来的方向倾斜了逆时钟β角，而入射点的位置不变。
30.常用的IR光谱分析波数范围是，产生IR光谱的必要条件是辐射能满足物质振动跃迁所需的能量，辐射与物质间有相互偶合作用，产生偶极矩变化，分子振动的两种主要形式是伸缩振动，变形振动。
31.核磁共振波谱（NMR）的分析对象是具有磁矩的原子核，电磁顺磁共振波谱（SER）的分析对象是具有未成对电子的物质。
32.X射线照射到物质上与物质相互作用，从能量转换的角度可归结为三个能量转换过程：光-动（散射能量），动-内（吸收能量），光-电（透过物质传播的能量）。
33.电子探针的基本工作方式有点分析，线分析，面分析。
34.红外光谱产生的基本条件红外光的频率与分子中某基团振动频率一致、分子振动引起瞬间偶极矩变化。
35.X射线在晶体中产生衍射的充分必要条件是：满足布拉格方程和结构因子FHKL≠0.
36.德拜法衍射花样的测量主要是测量衍射线条的相对位置和相对强度，然后在计算出
37.银的X射线光电子能谱的存在Ag 4s峰、Ag 3p峰、Ag 3s峰、Ag 3d峰四个特征峰，其中强度最大的峰是Ag 3d峰
38.原子力显微镜中利用斥力与吸引力的方式发展出三种接触模式、非接触模式和轻敲模式操作模式。
39.XPS光电子能谱图中通常会出现X射线卫星峰、能量损失峰、自旋轨道分裂峰、俄歇电子峰和振离和振激峰等5种伴峰。
40.俄歇电子能谱谱线KL1L2,K表示空穴所在壳层L1表示填充空穴电子所在壳层L2_表示俄歇电子所在壳层
41.X射线衍射仪由X射线发生器、X射线测角仪、辐射探测器和辐射探测电路4个基本部分组成，现代X射线衍射仪还配有控制操作和运行软件的计算机系统。
42.球差即球面像差，是由于电磁透镜的近轴区域磁场与远轴区域磁场对电子的折射能力不符合预定的规律造成的；像散是由透镜磁场的非旋转对称引起的；色差是由于入射电子的波长或能量不同或变化所造成的。
43.透射电镜主要由电子光学系统、供电控制系统、真空系统三部分组成。
44.利用电磁线圈激磁的电磁透镜，通过调节激磁电流可以很方便地调节磁场强度，从而调节焦距。
45.原子力显微镜（AFM）与扫描隧道显微镜（STM）最大的差别在于并非利用电子隧道效应，而是检测原子之间的相互作用力 等来呈现样品的表面特性。
46.核磁共振的化学位移是由于核外电子的屏蔽效应而造成的,化学位移值是以标准物质（TMS）为相对标准得到的。
47.化合物A的分子式为，在它的NMR图谱中，在δ=2.0ppm处有一个二重峰（3H）；δ=5.15ppm处有一个四重峰（1H）；δ=7.35ppm处有一个多重峰（5H），其不饱和度为4 ，结构式为
分子中有4种振动方式，在IR中却只有2条谱带，其原因是存在没有偶极距变化的振动模式。
49.原子发射光谱的光源主要有直流电弧、交流电弧、高频电感耦合等离子体，其作用是为试样的气化原子化和激发提供能源。
50.电子自旋振动的研究对象是顺磁性物质，产生的条件是恒定磁场中电子吸收满足其能级跃迁的微薄能量。
51.热分析法是热分析在规定的气氛中测量样品的性质随时间或温度的变化，并且样品的温度是程序控制的一类技术，其中进行定量量热分析的是DSC。
干涉面与干涉指数: 把（hkl）晶面的n级反射看成为与（hkl）晶面平行、面间距为(nh,nk,nl) 的晶面的一级反射。面间距为dHKL的晶面并不一定是晶体中的原子面，而是为了简化布拉格方程所引入的反射面，我们把这样的反射面称为干涉面。干涉面的面指数称为干涉指数。
内标法: 内标法是一种间接或相对的校准方法。在分析测定样品中某组分含量时，加入一种内标物质以校谁和消除出于操作条件的波动而对分析结果产生的影响，以提高分析结果的准确度。
外标法: 外标法不是把标准物质加入到被测样品中，而是在与被测样品相同的色谱条件下单独测定，把得到的色谱峰面积与被测组分的色谱峰面积进行比较求得被测组分的含量。外标物与被测组分同为一种物质但要求它有一定的纯度，分析时外标物的浓度应与被测物浓度相接近，以利于定量分析的准确性。
二次电子:当入射电子与原子核外电子发生交互作用时，会使原子失掉电子而变成离子，这个脱离原子的电子称为二次电子
俄歇电子：在原子壳层中产生电子空穴后，处于高能级的电子可以跃迁到这一层，同时释放能量（释放的能量刚好是这两个能级之差）.当释放的能量传递到另一层的一个电子，这个电子就可以脱离原子发射，被称为俄歇电子
化学等价：具有相同位移值得核称为化学位移核，具有相同的化学环境。
磁等价：具有相同位移值，并且对组外的其它核的偶合常数也相同。磁等价的核不产生裂分。
系统消光：因原子在晶体中位置不同或原子种类不同而引起的某些方向上的衍射线消失的现象。
结构消光:在点阵消光的基础上，因结构基元内原子位置不同而进一步产生的附加消光现象，称为结构消光。
结构因子：定量表征原子排布以及原子种类对衍射强度影响规律的参数，即晶体结构对衍射强度的影响因子。
衍射花样指数化:确定衍射花样中各线条(弧对)相应晶面(即产生该衍射线条的晶面)的干涉指数，并以之标识衍射线条，又称衍射花样指数化(或指标化)。
质厚衬度效应：由于样品不同微区间存在质量或厚度的差异而引起的相应区域透射电子强度的改变，从而在图像上形成亮暗不同的区域，这样现象称为质厚衬度效应。
衍射效应：入射电子束通常是波长恒定的单色平面波，照射到晶体样品上时会与晶体物质发生弹性相干散射，使之在一些特定的方向由于位向相同而加强，但在其他方向却减弱，这种现象称为衍射。
衍射衬度：样品相邻区域位向或结构不同导致衍射束强度的差异而造成图亮度的差别。
原子序数衬度：利用样品微区原子序数或化学成分变化敏感的物理信号作为调剂信号得到的、表示微区化学成分差别的像衬度。
表面形貌衬度：试样表面微区形貌差别实际上就是各微区表面相对于入射束的倾角不同，因此电子束在试样上扫描时任何二点 的形貌差别，表现为信号强度的差别，从而在图像中形成显示形貌的衬度。
瑞利散射（弹性散射）：入射线光子与分子发生弹性碰撞作用，仅光子运动方向改变而没有能量变化的散射。散射光与入射光频率相同 。
拉曼散射（非弹性散射）：入射线(单色光)光子与分子发生非弹性碰撞作用，在光子运动方向改变的同时有能量增加或损失的散射。散射光与入射光频率不同。
斯托克斯线 ：光子将部分能量给样品分子，散射光的能量减少，在低频处测得的散射光线。
反斯托克斯线：光子从样品中获得能量，散射光的能量增大，在高频处测得的散射光线。
明场像：电子束穿越薄晶，满足布拉格条件发生散射，利用衬度光栏仅让透射束通过成像。
暗场像：电子束穿越薄晶，满足布拉格条件发生衍射，利用衬度光栏仅让衍射束通过成像。
吸收限：X射线照射固体物质产生光子效应时能量阀值对应的波长称为物质的吸收限。
红外活性与非红外活性:只有发生偶极矩变化的分子振动，才能引起可观测到的红外吸收光谱带，称这种分子振动为红外活性的，反之则称为非红外活性的。
拉曼活性：发生极化率变化的分子振动，具有生物活性。
自旋－晶格弛豫：晶格泛指环境，即高能态自旋核把能量传给周围环境（同类分子、溶剂小分子、固体晶格等）转变为热运动而本身回到低能态维持Boltzmann分布。
自旋－自旋驰豫：高能态核把能量传给同类低能态的自旋核，本身回到低能态，维持统计分布。高、低能态自旋核总数不变。
饱和现象：NMR信号是依靠稍多的低能级原子核产生的。低能级的核在强磁场作用下吸收能量可跃迁到高能级，使低能级的核数目的减少，最终使高、低能级的核数目相同，体系无能量变化，吸收信号消失，导致饱和现象的发生。弛豫过程就是高能态的核以非辐射的形式放出能量回到低能态重建Boltzmann分布的过程。
xps光电子：x射线与样品相互作用时，x射线被样品吸收使原子内层电子脱离成为自由电子。
振动偶合：当两个振动频率相同或相近的基团相邻并由同一原子相连时，两个振动相互作用（微扰）产生共振，谱带一分为二（高频和低频）。
费米共振：红外测定中，当一振动的倍频或组频与另一振动的基频接近时，由于发生相互作用而产生很强的吸收峰或发生裂分，这种现象称为Fermi共振
宏观应力：物体在较大范围或许许多多晶粒范围内存在并保持平衡的应力。
微观应力：第二类应力是在一个或少数晶粒范围内存在并保持平衡的应力，第三类应力是在若干个原子范围内存在并保持平衡的内应力。第二类应力和第三类应力和称微观应力
谱线自吸：发射光谱中，谱线的辐射可以想象它是从弧焰中心轴辐射出来的，它将穿过整个弧层，然后向四周空间发射。弧焰具有一顶的厚度，其中心的温度最高，边缘处温度较低。边缘部分的蒸汽原子，一般比中心原子处于较低的能级，因而当辐射通过这段路程时，将为其自身的原子所吸收，而使谱线中心减弱，这种现象称为谱线的自吸。
谱线自蚀：当原子密度增大到一定程度时，自吸现象严重，谱线的峰值强度完全被吸收，这种现象称为谱线的自蚀
差热分析：把试样和参比物置于相等的加热条件下，测定两者的温度差对温度或时间作图的方法。
化学位移是由核外电子的屏蔽效应引起的。在1H核磁共振谱中，每一种化学环境不同的质子都可观察到不同的信号，而表示不同质子的信号差别的物理量称为化学位移。
振动的基频： 0→1振动能级的跃迁 v 0→1
振动的倍频： 0 → 2、3、4….振动能级的跃迁
拉曼位移：Raman散射光与入射光频率差。其大小应与分子跃迁的能级差一样。
退偏比：入射激光方向垂直和平行散射光强度两者之比为去偏振度也叫退偏比。
激发电压：产生特征X射线需要的最低电压。
K系辐射的激发限：产生K系辐射的最小管电压叫K系辐射激发限.
电子顺磁共振波谱：简称顺磁共振谱。属共振波谱的一种，可以借其对自由基浓度进行检
相干散射：散射波的波长和频率与入射波完全相同，新的散射波之间将可以发生相互干涉非相干散射：散射位相与入射波位相之间不存在固定关系，故这种散射是不相干的，称之为非相干散射。
2. 请说明什么是相干散射，什么是非相干散射，以及它们对衍射图样的作用。
答：相干散射入射波与散射波发生干涉，有利于产生衍射图样，
非相干散射不能参与衍射，也无法避免产生，从而使衍射图像背底变黑，给衍射工作带来不利影响。
3. 说明布拉格定律的物理意义。
答： 如果的两波的波程差是波长的整数倍时，那么其散射波位相完全相同，相互加强。满足此式方向上的所有晶面上的所有原子散射波位相完全相同，其振幅互相加强。这样，在与入射线成的方向上就会出现衍射线。
5. 请比较衍射仪法与德拜法的特点。
答：德拜法的优点：1所需样品极少 2.样品所有衍射线条，出很小一部分外，几乎能全部同时记录在一张底片上 3.通过调整样品的吸收系数，保持相当高的测量精度
衍射仪法的优点： 1）简便快速：衍射仪法都采用自动记录，不需底片安装、冲洗、晾干等手续。2）分辨能力强：测角仪圆半径一般为185mm远大于德拜相机的半径（57.3/2mm），因而衍射法的分辨能力比照相法强得多。3）直接获得强度数据：不仅可以得出相对强度，还可测定绝对强度。 4）低角度区的2θ测量范围大 5）样品用量大6）设备较复杂，成本高。
6. 简述物相分析的目的、方法分类与各方法具体步骤
答：目的：定性分析：确定物相 定量分析：确定物相的含量
方法方类：①物理方法，如磁选分析法、比重法、X射线结构分析法、红外光谱法、光声光谱法;②化学方法，选择不同溶剂使各种相达到选择性分离的目的，再用化学或物理方法确定其组成或结构。由于自然界矿物的成分极为复杂，因此在用溶剂处理的过程中，某些物理、化学性质的改变（如晶体的破裂、结晶水和挥发物的损失、价态的变化、结构的变异，以及部分溶解、氧化、还原）都会影响分析结果的可靠性。
7. 简述x光方法测应力的特点并说明能够用x光方法测定构件的宏观残余应力的原理。
答：X射线法测定应力的特点：
1、它是一种无损的应力测试方法。它丈量的仅仅是弹性应变而不包含塑性应变（由于工件塑性变形时晶面间距并不改变，不会引起衍射线的位移）。
2、被测面直径可以小到1—2mm。因此可以用于研究一点的应力和梯度变化较大的应力分布。
3.由于穿透能力的限制，一般只能测深度在10um左右的应力，所以只是表面应力。
4.对于能给出清楚衍射峰的材料，例如退火后细晶粒材料，本方法可达10MPa的精度，但对于淬火硬化或冷加工材料，其丈量误差将增大很多倍。
X射线应力测定方法的基本原理:利用X射线穿透晶粒时产生的衍射现象，在弹性应变作用下，引起晶格间距变化，使衍射条纹产生位移，根据位移的变化即可计算出应力来。
1. 简要说明XPS光电子能谱分析的工作原理及其应用。
答：X射线光电子能谱的理论基础是光电效应。当X射线光子照射样品，光子的能量大于原子中的电子结合能和样品的功函数时，则吸收了光子的电子可以脱离样品表面进入真空中，且具有一定的能量。其能量关系为，其中hv为入射光子的能量；Eb、Ek为光电子的结合能和动能。不同元素不同价态具有不同的动能，用能量分析器测出Ek，就可分析材料的表面组成。
应用：①元素的定性定量分析②有机物和高聚物研究中的化学结构分析③固体化合物表面分析
2. 电子束入射固体样品表面会激发哪些信号? 它们有哪些特点和用途?
1)背散射电子:能量高；来自样品表面几百nm深度范围；其产额随原子序数增大而增多.用作形貌分析、成分分析以及结构分析。
2)二次电子:能量较低；来自表层5—10nm深度范围；对样品表面化状态十分敏感。不能进行成分分析.主要用于分析样品表面形貌。
3)吸收电子:其衬度恰好和SE或BE信号调制图像衬度相反;与背散射电子的衬度互补。吸收电子能产生原子序数衬度，即可用来进行定性的微区成分分析.
4)透射电子：透射电子信号由微区的厚度、成分和晶体结构决定.可进行微区成分分析。
5)特征X射线: 用特征值进行成分分析，来自样品较深的区域 。
6)俄歇电子:各元素的俄歇电子能量值很低；来自样品表面1—2nm范围。它适合做表面分析。
请给出单晶多晶非晶衍射花样的特点。
答：单晶 具有大量衍射斑点，直接反映晶体的倒易阵点配置
多晶 环花样：一系列同心的圆环
非晶 衍射花样为一对称球形
设薄膜有A、B 两晶粒，B晶粒内的某(hkl)晶面严格满足Bragg 条件，A 晶粒内所有晶面与Bragg 角相差较大，不能产生衍射，画图说明衍衬成像原理，并说明什么是明场像和暗场像。
明场像：电子束穿越薄晶，满足布拉格条件产生散射，利用衬度光栏仅让透射束通过成像。 暗场像：电子束穿越薄晶，满足布拉格条件产生散射，利用衬度光栏仅让衍射束通过成像。
4. 什么是波谱仪和能谱仪？说明其工作的两种基本方式，并比较波谱仪和能谱仪的优缺点
答：波谱仪：用来检测X射线的特征波长的仪器
能谱仪：用来检测X射线的特征能量的仪器
优点:1）能谱仪探测X射线的效率高。
2）在同一时间对分析点内所有元素X射线光子的能量进行测定和计数，在几分钟内可得到定性分析结果，而波谱仪只能逐个测量每种元素特征波长。
3）结构简单，稳定性和重现性都很好
4）不必聚焦，对样品表面无特殊要求，适于粗糙表面分析。
2）能谱仪只能分析原子序数大于11的元素；而波谱仪可测定原子序数从4到92间的所有元素。
3）能谱仪的Si(Li)探头必须保持在低温态，因此必须时时用液氮冷却。
比较核磁共振与电子顺磁共振波谱分析原理的异同点。
答：核磁共振：有磁性的原子核处于外磁场中接受一定频率的电磁波辐射时，当辐射的能量恰好等于自旋核两种不同取向的能量差时，处于低能态的自旋核吸收电磁辐射能跃迁到高能态的现象。
电子顺磁共振波谱：具有未成对电子的物质由于电子自旋磁矩，轨道磁矩小，拥有顺磁性，电子自旋磁矩在与外磁场的相互作用下能级发生分裂的现象。
区别：研究对象 具有磁矩的原子核，具有未成对电子的物质；
仪器结构 恒定频率，扫场法 恒定磁场，扫频法
共振频率 射频波段 微波波段
请简述透射电镜与扫描电镜进行形貌成像时的差别。
答：透射电镜不仅能在物镜后焦平面上获得衍射花样，而且能在像平面上获得组织形貌像的方法。衍射像主要取决于入射电子束与样品内各晶面相对取向不同所导致的衍射强度差异。如果只让透射束通过物镜光阑成像，那么就会由于样品中各晶面或强衍射或弱衍射或不衍射，导致透射束相应强度的变化，从而在荧光屏上形成衬度。
扫描电镜的像衬度主要是利用样品表面微观特征的差异，在电子束作用下产生不同强度的物理信号，导致阴极射线管荧光屏上不同的区域不同的亮度差异，从而获得具有一定衬度的图像。
X射线定量分析外标法的定义；若不知道各种组成相的质量吸收系数，简述利用定标曲线测定特测相含量的步骤。
答：外标法是将所需物相的纯物质另外单独标定，然后与多项混合物中待测相的相应衍射线强度相比而进行的。
若不知道各种组成相的质量吸收系数，可以先把纯相样品的某根衍射强度测量出来，再配置几种具有不同相含量的样品，然后在实验条件完全相同的条件下分别测出相含量已知的样品中同一根衍射线条的强度，以描绘标定曲线。在标定曲线中根据和的比值很容易地可以确认相的含量。
1.矢量，，构成简单正交系。证明晶面族的面间距为
解：由题意可知该简单正交系的物理学原胞的基矢为：
由此可求得其倒格子基矢为：
根据倒格子矢量的性质有：
简述X射线照射粉末多晶样品时，衍射花样（图谱）的成像原理
答：粉末法的样品是由数目极多的微小晶粒组成，这些晶粒的取向完全是无规则的。用倒易点描述粉末分布，可以建立一倒易球，那些处在倒易球与反射球相交割的圆环上的倒易点所对应的晶面能参加衍射。这个圆环称为衍射环。对于某一组平行晶面来说，所有可能的衍射线都在以反射球球心为顶点的，2为半顶角的圆锥面上，此圆锥称为衍射锥。
TiO2有金红石和锐钛矿两种晶型，用溶胶-凝胶法制备TiO2纳米晶，经600℃煅烧后得到白色粉体。现要分析粉体的物相和粒度大小，请说明用什么分析方法？并简要说明分析过程。
答：物相分析：1.用X射线衍射进行物相分析（5分）
2.用电子衍射进行物相分析
粒度分析：1.电镜（透射、扫描）（5分）
某化合物分子式C8H7N，且NMR谱图中只有两组质子峰。
试解释NMR中饱和与弛豫现象产生的原因
答：NMR信号是依靠稍多的低能级原子核产生的。低能级的核在强磁场作用下吸收能量可跃迁到高能级，使低能级的核数目的减少，最终使高、低能级的核数目相同，体系无能量变化，吸收信号消失，导致饱和现象的发生。
弛豫过程就是高能态的核以非辐射的形式放出能量回到低能态重建Boltzmann分布的过程。
1、热重分析、差热分析、差示扫描量热法的基本原理。
答：①差热分析:是在程序控温条件下，测量试样与参比的基准物质之间的温度差与环境温度的函数关系。当试样发生任何物理或化学变化时，所释放或吸收的热量使试样温度高于或低于参比物的温度，从而相应地在差热曲线上可得到放热或吸热峰。
数学表达式为： T ＝Ts－Tr＝（T或t）其中： Ts ，Tr分别代表试样及参比物温度；T是程序温度；t是时间。
②热重法:是在程序控温下，测量物质的质量与温度或时间的关系的方法，通常是测量试样的质量变化与温度的关系。 许多物质在加热过程中常伴随质量的变化，这种变化过程有助于研究晶体性质的变化，如熔化、蒸发、升华和吸附等物质的物理现象；也有助于研究物质的脱水、解离、氧化、还原等化学现象。热重分析通常可分为两类：动态(升温)和静态(恒温)。
③示差扫描量热法:补偿回路总电流I保持不变，样品池下的加热灯丝电流为IS，参比池下的加热灯丝电流为 IR，并有 I＝IS+IR而试样与参比物下面的补偿加热丝电阻RS和RR相等，补偿功率的大小只与补偿回路的电流有关。样品无热效应，DT＝0， IS＝IR；样品吸热时， IS>IR；
样品放热时，IS<IR。补偿电路的目的是使试样和参比物间的温度差DT＝0，让试样和参比物的温度始终相等。由温差热电偶输出一个温差信号，经放大后输出功率差，而正比于补偿回路总电流I。记录随T或时间变化得到DSC曲线。
2、为什么DSC比DTA更方便用于定量的热分析？
答：DTA:试样在产生热效应时，升温速率是非线性的，从而使校正系数K值变化，难以进行定量；由于DSC对试样产生的热效应能及时得到应有的补偿，使得试样与参比物之间无温差、无热交换，试样升温速度始终跟随炉温线性升温，保证了校正系数Ｋ值恒定。测量灵敏度和精度大有提高。 本质上DSC与DTA的原理相同。但性能优于DTA，测定热量比DTA准确，而且分辨率和重现性也比DTA好
3、简述热分析法参比物的选择原则，升温速度对三种热分析方法的影响。
答：参比物的选择原则:①在所使用的温度范围内是热惰性的。②参比物与试样比热容及热传导率相同或相近。
DTA 升温速率常常影响差热峰的形状，位置和相邻峰的分辨率。
升温速率越大，峰形越尖，峰高也增加，峰顶温度也越高。
升温速率过小则差热峰变圆变低，有时甚至显示不出来。
由于升温速率增大，热惯性也越大，峰顶温度也越高。
DSC 没有明显的影响
TG 升温速率越大温度滞后越严重，开始分解温度Ti及终止分解温度Tf都越高。温度区间也越宽。
4、结合所学专业知识，简述热分析在材料研究中的作用。
答：①测定高聚合物的玻璃化转变温度Tg
②研究高聚合物在空气和惰性气体中的受热情况
③结晶聚合物的结晶度测定
④研究聚合物体系的相容性
⑤高聚物单体含量对Tg 的影响
⑥通过熔点进行高分子材料的鉴别（DSC）
⑦反应动力学研究和热力学研究
1.简述红外光谱图解释的基本步骤？
答：1.鉴定已知化合物；观察官能团区；判断官能团，确定化合物的类型；观察指纹区；进一步确定基团的结合方式；对照标准图谱验证；2.未知物机构的测定基本步骤；充分收集运用于样品有关的资料和数据(样品的来源.外观.纯度.样品的元素分析结果，确定实验式和分子式；样品的物理性能；分子量。沸点.熔点.折光率等）确定未知物的不饱和度；根据元素分析结果得到未知的分子量与化学式计算未知物的不饱和度；谱图分析（确定分子所含基团和键的类型；推定分子结构；分子式；分子结构的验证）
2.简述NMR中的化学位移和偶合常数的基本概念，外磁场大小改变对两者的影响如何？如何区分化学位移形成的峰和自旋裂分峰？
答；人们把分子内或分子间的同类核，因化学环境相异而引起的共振频率不同地现象称为化学迁移。自旋偶合产生共振峰的分裂后，两裂分峰之间的距离称为偶合常数用J表示。J的大小表明自旋核之间偶合程度的强弱。自旋偶合等间距裂分峰之间的距离称为偶合常数。
影响；外磁场越大，核外电子云密度越大，屏蔽效应越强，要发生共振吸收就势必增加外加磁场强度，共振信号将移向高场区；反之共振信号将移向低场区。与化学位移不同，偶合常数与外磁场无关，受化学环境影响也很小。
如何区分化学位移形成的峰和自旋裂分峰？ 两者共振频率不同；微波段和发射波段
3.简述热阴极场发射电子枪的特点？
答；在真空中通电加热后使从阴极发射的电子获得较高的动能形成定向高速电子流，是扫描电镜获得高分辨率高质量图像较为理想的电子源。
4.选区电子衍射的原理及基本操作步骤？
答:1.选区电子衍射的原理:选区电子衍射借助设置在物镜像平面的选区光栏，可以对产生衍射的样品区域进行选择，并对选区范围的大小加以限制，从而实现形貌观察和电子衍射的微观对应,选区光栏用于挡住光栏孔以外的电子束，只允许光栏孔以内视场所对应的样品微区的成像电子束通过。使得在荧光屏上观察到的电子衍射花样，它仅来自于选区范围内晶体的贡献。实际上，选区形貌观察和电子衍射花样不能完全对应，也就是说选区衍射存在一定误差，所选区域以外样品晶体对衍射花样也有贡献。
2.选区衍射操作步骤：①插入选区光阑，套住欲分析的物相，调整中间镜电流使选区光阑边缘清晰，此时选区光阑平面与中间镜物平面重合；②调整物镜电流，使选区内物像清晰，此时样品的一次像正好落在选区光阑平面上，即物镜像平面，中间镜物面，光阑面三面重合；
③抽出物镜光阑，减弱中间镜电流，使中间镜物平面移到物镜背焦面，荧光屏上可观察到放大的电子衍射花样；④用中间镜旋钮调节中间镜电流，使中心斑最小最圆，其余斑点明锐，此时中间镜物面与物镜背焦面相重合；⑤减弱第二聚光镜电流，使投影到样品上的入射束散焦（近似平行束），摄影（30s左右）。
5.倒易点阵的概念及性质？
答：倒易点阵是由被称为倒易点或倒易点的点所构成的一种点阵，它也是描述晶体结构的一种几何方法，它和空间点阵具有倒易关系。倒易点阵中的一倒易点对应着空间中一族晶面相等的点格平面。设原空间点阵的一组基矢为a.b.c，若用下式定义另一组基矢
则由新的一组基矢a*.b*.c*所表示的点阵与原空间点阵有互为倒易的关系，称它是原空间点阵的倒易点阵。a*=b×c/V ,b*=c×a/V,c*=a×b/V
性质；1.倒易向量Hhkl的方向是正点阵（hkl）面网的法线方向； 2.倒易向量Hhkl的长度是正点阵面网间距dhkl的倒数Hhkl =1/ dhkl
1、比较红外与拉曼光谱分析的特点。举例说明什么样的分子的振动具有红外或拉曼活性？
2）IR提供的信息量大且具有特征性，被誉为“分子指纹”，是结构分析的常用有力手段。
3）样品用量少，可回收，属非破坏性分析；分析速度快
4）与质谱、核磁共振等仪器比较，IR谱仪构造较简单，配套性附属仪器少，价格也较低，更易普及。
拉曼光谱法（相对红外光谱法）的优点
1)一些在红外光谱中为弱吸收或强度变化的谱带，在拉曼光谱中可能为强谱带，从而有利于这些基团的检出
2)环状化合物对称伸缩振动具有很强的拉曼谱线。
3)拉曼光谱低波数方向的测定范围宽，有利于提供重原子的振动信息；而低波数范围内红外光谱测定有困难。
4)与C-H和N-H谱带比较，O-H拉曼谱带较弱，因此拉曼光谱便于测定生物样品，成为水溶液的生物制品的理想检测工具；而水对红外光谱造成严重干扰。
5)固态样品可直接测定，无需制样；红外光谱则用KBr 压片。 红外光谱则不能用玻璃容器。
对称性分子的非对称性振动，有偶极矩变化的振动跃迁，有红外活性。
非对称分子：有偶极矩，红外活性。
没有偶极矩变化、但是有极化度变化的振动跃迁，有拉曼活性。
无对称中心分子（如SO2），三种振动既是红外活性振动，又是拉曼活性振动。
ⅰ永久偶极矩；极性基团；
ⅱ瞬间偶极矩；非对称分子；
非极性基团，对称分子；
2、红外谱图解析的有哪三要素？红外图解析解析的方法有哪些？化合物结构测定基本步骤有哪些？
答：三要素：谱峰的位置、带的形状、谱带的强度。
红外图解析解析的方法:直接查对谱图法、否定法、肯定法、肯定法与否定法相结合
基本步骤：1）鉴定已知化合物：
观察官能区：判断官能团，确定化合物的类型。
观察指纹区：进一步确定基团的结合方式。
2）未知物结构的测定基本步骤
充分收集与运用与样品有关的资料与数据
谱图解析:确定分子所含基团或键的类型； 推定分子结构：分子式；分子结构的验证。
3、何为有机基团的IR特征吸收峰？影响红外吸收峰发生移动的影响有哪些？
通常把这种能代表某基团存在并有较高强度的吸收峰，称为该基团的特征吸收峰.
答：影响红外吸收峰发生移动的影响有哪些
1)内部因素 : 电子效应、诱导效应、中介效应、共轭效应、氢键效应、振动耦合、费米共振、空间效应。
2)外部因素: 物质状态及制样方法、溶剂效应。
4、红外光谱的吸收峰强度和峰的位置的影响因素有哪些？聚合物与一般有机化合物的红外吸收图谱解析有何异同？
答：红外光谱的吸收峰强度的影响因素
1）振动能级的跃迁几率
2）振动能级跃迁时，偶极矩的变化
吸收峰强度： 反对称伸缩振动 > 对称伸缩振动 > 变形振动
1)内部因素 : 电子效应、诱导效应、中介效应、共轭效应、氢键效应、振动耦合、费米共振、空间效应。
2)外部因素: 物质状态及制样方法、溶剂效应。
1）高聚物是由重复单元组成的，各重复单元的简正振动频率相近，以致在光谱上只能看到一个吸收峰。
2）高聚物的选择定则严格，唯有少数才有红外或拉曼活性。
X射线通过物质时都产生哪些现象?
x-射线的散射:相干散射和非相干散射
x-射线的衰减：光电效应(荧光X射线)和俄歇效应和反冲电子、光电子
x-射线的吸收：热能和透过
有一种未知多晶材料，请用所学的材料近现代分析测试技术（X射线衍射技术，扫描电镜和透射电镜分析技术），提出材料组成,组织结构分析的可行方案；并简述采用X射线衍射技术对样品进行定性相分析的原理及步骤。
答：测材料组成：若不知道各种相的质量吸收系数，可以先把纯α相样品的某根衍射线强度（1α）O测量出来，再配置几种具有不同α相含量的样品，然后在实验条件完全相同的条件下分别测出α相含量已知的样品中同一根衍射线条的强度lα，以描绘标定曲线。在标定曲线中根据lα和（lα）O的比值很容易地可以确认a相的含量。
组织结构分析：扫描电镜的像衬度主要是利用样品表面微观特征（如形貌、原子序数或化学成分、晶体结构或位向等）的差异，在电子束作用下产生不同强度的物理信号；导致阴极射线管荧光屏上不同的区域不同的亮度差异，从而获得具有一定衬度的图像。
原理：在一定波长的X射线照射下，每种晶体物质都能给出自己特有的衍射花样（衍射线的位置和强度）。每一种物质和它的衍射花样都是一一对应的，不可能有两种物质给出完全相同的衍射花样。通常用d（晶面间距d表征衍射位置）和l（衍射线相对强度）的数据组代表衍射花样。也就是说，用d—l数据组作为定性相分析的基本判据。
步骤：用X射线衍射仪测得衍射花样；计算出晶面间距d和衍射线相对强度l；将由试样测得的d—l数据组与已知结构物质的标准d—l数据组进行对比，从而鉴定出试样中存在的物相。
什么是扫频法和扫场法2
模态计算对于认识结构振动特性至关重要，通过模态计算可以得到模态的固有频率，振型，参与系数和有效质量等参数，模态计算的这些参数我们应该很熟悉，但是如果正确合理的使用这些结果指导工程计算，是我们今天讨论的话题，本次通过一个悬臂梁响应的分析模块选择（静力学or动力学），来展示模态计算的固有频率的工程应用方法。
如图为一个悬臂梁模型，模型左端固定约束，右端承受幅值为500N，激励频率为2Hz沿Y方向的正弦激励，材料为结构钢，现求解其稳定状态时的最大变形，根据描述，可知其激励载荷为表达式：
2、基于瞬态动力学求解
根据问题描述，求解该问题可以使用瞬态动力学模块进行求解，计算的终止时间取2倍的激励载荷周期，本实例中频率为2Hz，因此计算终止时间为2*1/2=1s,计算的悬臂梁最大变形如图2所示，图3还给出了悬臂梁最大变形与时间关系。
图2 悬臂梁最大变形云图
图3 悬臂梁最大变形与时间关系
由图3可知，0-0.25s内，悬臂梁的响应不稳定，原因是初始载荷冲击造成的，其计算结果不予考虑，所以最大值取值的时间点取0.375s，该时刻由图3可知，响应已经稳定。
静力学求解，忽略时间，直接施加约束和端部500N载荷，计算结果如图4所示。
图4 静力学计算得到悬臂梁最大变形云图
对比图2和图4可知，瞬态计算的稳定的最大变形响应与静力学的最大变形计算结果比值为0...0009，二者基本一致，说明对于本计算实例，瞬态效应可以忽略，基于静力学就可以得到较为准确的计算结果。如图5和图6给出了瞬态计算与静力学计算的消耗时间，由图可知，静力学计算所需要的时间要不瞬态大幅度减少（该测试单元数量完全一样）。
图5 瞬态计算的消耗时间
图6 静力学计算的消耗时间
那么现在就有这样一个问题，是所有的瞬态激励问题都可以转换为静力学计算吗？答案显而易见是否的。那在什么条件下，瞬态激励问题可以转换为静力学计算呢？回答这个问题的关键就是模态分析。
如图7给出了悬臂梁一阶模态振型云图，由图可知一阶固有频率为61.2Hz。计算实例的激励频率为2Hz，比值为2/61.2*100%=3.26%。
图7 悬臂梁一阶模态振型云图
如果增加激励频率，那么其响应会有怎么变化呢？通过计算可以发现一个非常有趣的现象，就是激励幅值不变，只修改激励频率，对输出也有影响，而影响程度与激励频率和第一阶固有频率的比值有关。
5、激励频率与响应关系（谐响应计算）
如图8和图9所示，激励频率在0-15Hz时，其最大响应不超过0.0196m，与静力学的最大变形比值为1.06，即误差不超过6%，基本满足工程要求，则可以进一步给出以下一个结论，即激励载荷的频率小于计算模型第一阶固有频率15/61=25%时，可以忽略惯性载荷，采用静力学计算进行近似计算！
图8 激励频率与稳态最大响应关系曲线
图9 激励频率与稳态最大响对应数据表
结构振动、冲击计算是一个系统，ANSYS Workbench提供完备的解决方案如图10给出了结构振动计算中不同分析类型的之间联系。
图10 结构振动计算不同分析类型的关系
由关系图可知模态计算对于结构振动计算非常关键，上述实例展示了模态计算对于选择计算模块的重要理论支撑作用，此外模态计算还可以为瞬态计算的积分步长，谐响应计算的激励频率范围选择提供理论支撑。
对于以上内容，推荐大家关注7月22日-24日，我在仿真秀平台举办的暑期进修班《结构振动、冲击和疲劳的有限元计算方法高级培训》，欢迎大家带着自己的个性化问题来与我一起交流。
欢迎大家与张老师一同研习结构振动问题的工程解决方法并可以进行面-面的交流，您还可以带着自己工作的问题来，通过与张老师交流给大家提出相关的技术解决方法，期待大家的加入！以下是培训大纲内容
结构振动、冲击和疲劳的有限元计算方法高级培训
——仿真秀张老师原创课程
1、结构振动、冲击问题概述：结构振动与静力学差异、结构动力学控制方程、基本概念和术语、结构动力学不同分析类型的关系；实例-悬臂梁的阶跃载荷冲击响应；
2、模态计算：模态计算工程应用领域、模态计算理论、模态计算的阻尼、模态的求解方法、纯模态计算中接触设置、参与系数和有效质量、 模态计算的合理约束、循环对称模态、基于线性摄动的非线性模态计算（预应力模态）、湿模态、模态计算结果类型与评价方法。实例：① 单自由度弹簧振子模态计算，② 模拟自由模态试验的有限元计算方法，③
循环对称模态计算，④ 含橡胶支撑的装配体非线性模态计算，⑤ 湿模态计算，⑥ 转子的临界转速计算，⑦ 制动器尖叫的复模态计算
3、谐响应计算：谐响应分析工程应用领域、谐响应分析理论、完全法谐响应计算、模态叠加法谐响应计算、预应力的谐响应计算、谐响应计算支持的接触、谐响应计算的载荷、谐响应分析中的阻尼、谐响应基础激励的施加方法、谐响应结果类型与评价方法、实例：①单自由度弹簧振子的谐响应计算、② 含虑橡胶弹性支撑的结构的谐响应激励计算、③
转子的不平衡响应激励计算
4、结构冲击计算方法：柔性动力学的工程应用领域、柔性动力学的理论基础、完全法的柔性动力学、模态叠加法的柔性动力学、柔性动力学的阻尼、初始条件、积分步长、实例：产品跌落碰撞冲击计算
5、机构运动计算：运动副类型、运动副定义方法、基于刚度定义运动副、运动副载荷、实例-连杆机构的刚-柔耦合计算
6、刚体动力学计算：刚体动力学计算工程应用领域、定义刚体连接、刚体载荷的导出、柔性体的应力计算方法、实例-摆动机构碰撞的刚体动力学计算与载荷导入
7、结构隔振计算：隔振计算理论模型、定频激励隔振计算方法、变频激励隔振计算方法、实例：单自由度主动隔振计算
8、响应谱计算：响应谱的工程应用领域、响应谱的理论、响应谱的阻尼、时域载荷到响应谱的转换方法、响应谱计算模态合并方法选择准则、响应谱计算的刚体和质量损失修正、响应谱计算结果类型与评价方法、实例：① 时域载荷转换成响应谱的方法、② 基于响应谱的结构抗震有限元计算方法
9、随机振动计算：随机振动的工程应用领域、随机振动的理论、随机振动的阻尼、时域载荷到PSD的转换方法、PSD曲线拟合、PSD分析设置、随机振动疲劳、实例：产品的随机振动分析及疲劳计算
10、振动试验的有限元模拟方法：常见振动试验类型、正弦扫频试验模拟方法、随机振动试验模拟方法、冲击试验模拟方法
11、结构动力学优化方法：优化概述、优化三要素、直接优化法、基于响应面的优化法、基于拓扑优化的固有频率优化、实例-结构的固有频率优化计算
如何报名：感兴趣的朋友可以添加小助手微信（fangzhenxiu888），提前报名登记不仅可以获得门票折扣（最低八折，详细见今日第二篇推文），可获得仿真秀平台480元优惠券，在仿真秀官网和APP买课可以直接抵用(买课可开具发票)。
作者：张老师，仿真秀专栏作者，拥有 15 年的结构，传热，流体，多物理场耦合和疲劳软件工程应用经验；出版有限元著作 5 部，有限元专业培训学员多达 5000 余人。
声明：原创文章，首发仿真秀官网，部分图片源自网络，如有不当请联系我们，欢迎分享，禁止私自转载，转载请联系我们。
什么是扫频法和扫场法3
若干电气元件相互连接形成的系统叫做网络。“网络”可以作为电路的代名词，“网络分析”就是电路分析，只是平常很少这样说，由此增添了几分神秘色彩。到了射频通信领域，可以把任何具有一个以上端口的电路单元称为网络，并且常常把这种网络视为“黑箱”，并不去关心电路单元内部是怎么回事，而是给端口加上适当的激励信号，测试电路的反应，从而表征这个网络的特点。射频通信领域常说的“网络分析”，就是这种以端口为界，描绘射频电路性能的工作。
为了进一步了解网络分析给我们带来的便利，有必要先了解网络分析的语言——散射参数。图（1）是一个Π型衰减器，图（2）是它的电路图，如何最简单明确的描述它的性能呢？熟悉传统电路分析的人不难想到，可以先把右边的端口开路，然后用万用表测试左边的电阻；再把左边开路，测试右边的电阻。给左边通上适当的电流，然后用电压表测试右边的电压，然后反过来再测试一次。根据这些数据依次得到四个参数：开路输入电阻、开路输出电阻，开路正向传输电阻、开路反向传输电阻。当看到这一堆似曾相识参数之后，您一定会问：这东西与衰减器有啥关系，大家喜闻乐见的衰减量是多少？
这个例子说明，在低频电路上常用的Z参数（开路阻抗参数），用在射频通信领域既不符合习惯，也难以测量。归纳起来，有三个重要原因促使我们选择一种新的参数来描述电路：（1）大多数射频电路不允许端口开路或短路，因为这样做会让电路偏离预定的工作状态；（2）波长很短的时候，即使信号只传播很短距离，也会发生不可忽视的相位移动，使测试计算变得非常困难；（3）需要有一整套方法，能够根据所得到的参数迅速简便的设计电路。基于上述原因，散射参数应运而生。
散射参数（Scattering Parameters）常被简称为S参数。和阻抗参数类似，对于有两个端口的网络（例如衰减器）而言，它也包括四个部分，用Sij表示，其中，i表示待检测端口，j表示激励信号的入射端口：
S11：被测器件（device under testing，简称DUT）的一个端口对信号的反射量，又称回波损耗；
S21：信号通过被测器件时产生的变化（幅度和相位变化，又称插损或增益）；
S12：信号以相反方向通过被测器件时产生的变化；
S22：被测器件的另一个端口对信号的反射量。
当一个端口在测试时没有被用到时，应接上匹配负载，于是电路能够非常接近正常的工作状态。测量散射参数，只需要了解信号流经被测器件时产生的变化，同时又不会对电路的正常工作造成影响，因此更加简单、直接。后面将要介绍的网络分析仪，就是专门测量散射参数的装置。
通过数学计算，散射参数能够被转换为其它类型的参数。
S参数是归一化的相对值
四个S参数都代表出射信号与入射信号的电压比（或功率比，在计算时应统一）。还是用衰减器来举例，图（2）中，入射信号的功率是1W，经过待测器件，输出0.1W，则S21=0.1/1=0.1。换算成分贝值则为-10dB。于是这支衰减器的衰减量是10dB。这一相对值又是频率的函数。随着频率的变化，衰减器的衰减量可能发生波动。把频率作为横坐标，衰减量作为纵坐标，可以得到幅度——频率特性图，简称幅频特性图。
有的时候还需要关心信号通过电路以后相位发生的变化。例如一支天线，给他输入1W∠0°的信号，在天线的端口上测到反射信号功率为入射信号的0.5倍（称为反射系数），但是反射信号与入射信号之间，电压的相位相差了90度，则天线的S11表示为0.707∠90°，表明有-3dB的回波损耗，且相位滞后90度。
了解了散射参数以后再来探讨网络分析的效益就很容易理解。上面举例的衰减器，当对他进行网络分析以后，直接得到了衰减量这个参数，就能直观的了解衰减器接入射频电路以后会产生什么效果。下面天线的例子，进一步说明了这种分析方法的方便之处。
通过网络分析，能够直接测到天线的S11参数，包含一个幅度（或功率）关系和一个相位关系，例如0.5∠90°。图（3）是一个极坐标的S11关系图，它的径向坐标代表幅度关系，绕轴旋转的角度代表相位关系。图（4）是一个直角坐标表示的阻抗图，横坐标代表电阻，纵坐标代表电抗。对图（4）做从直角坐标到极坐标的坐标变换，并让刻度符合单位阻抗（Zn=Z/Z0,Z0=50Ω）与反射系数（Γ）之间的关系式Zn=（1+Γ）/(1-Γ)，可以得到图（5）所示的阻抗圆图。图（3）和图（5）重叠起来，得到史密斯圆图（Smith
Chat，图6）。在这张图上，可以根据S11参数，直接读取天线的输入阻抗。我们的目的是匹配以传输最大的功率，这时有两种方法：（1）传输线末端提供一个与天线输入阻抗共轭的输出阻抗；（2）通过调试和接入匹配元件，让天线的输入阻抗变为纯粹的50欧。对于后一种方法，匹配元件的大小，可以在史密斯图上方便的求解。
不论是反射系数-相位图还是史密斯图，都没有频率坐标。一个频率的S参数，只对应图上的一个点。网络分析仪显示结果的过程，就是扫描若干频率，然后把测得的S参数都画在图上，用平滑的曲线连接起来。
事实上人们发明了一整套使用S参数的办法，能够极大的简化射频电路设计。这方面已经有很多资料，感兴趣的读者可以自行了解。
有了上文的基础，现在我们应该关心一下如何求得S参数。在很久以前，求S参数虽然已经是网络分析中最便捷的手段，但仍是一件非常麻烦的事情。原理上无外乎用信号源给待测器件送入一个稳定的信号，然后用电平表测输出功率，或者用测量线在不同的距离上测试电压，从而计算得到幅度和相位。问题就在于这种测试每次只能针对一个频率，如果要了解不同频率上的变化趋势，就需要进行多次测量，有的时候一测就是几天。
随着自动化技术的发展，计算机控制的网络分析仪问世，这种仪器可以连续不断的对多个频率的S参数进行测量，而且只需要若干秒时间。特别是最近十年，3GHz以下的网络分析仪大幅度降价，在国内还出现了所谓“公版”仪器，各地厂商风起云涌，让这种以前只有大型科研单位才能安置的昂贵设备，一下子普及到几乎所有射频工程师手中，不久的将来，还会普及到爱好者手中。
最简单的网络分析仪——扫频仪
扫频仪是一种S21参数的测试装置，它的框图如图（7）。它由一个频率可变的信号源和一个检波器组成。待测器件接在信号源和检波器之间。测试时，先把检波器直接接在信号源上，让信号源扫过所有需要测试的频率，并把检波器检测到的幅度存储下来。接上待测器件之后，检波器检测到一个新的幅度（功率）值。把新的幅度值与刚才存储的幅度值进行比较，即可得到S21参数。用计算机控制信号源连续的扫描，可以绘制出幅频特性图。
为扫频仪增加反射电桥或定向耦合器，便可用于测量S11参数。S11参数和电压驻波比（VSWR）之间可以直接换算，因此又可以显示驻波比曲线。
扫频仪只能得到幅频特性图，因此是一种标量网络分析仪。
图7的扫频仪只有一个检测通道，这种仪器给出的S参数虽然是相对值，但是测量的却是绝对值。从绝对值到S21参数，靠的是把测试结果与存储的结果进行比较。这种方式无法回避一个问题：随着待测器件的不同，信号源的输出功率可能会发生变化。为了消除这种误差，通常使用两通道的扫频仪（图8），其中一个通道作为“参考通道”。用分路器从信号源上直接取出一部分信号送进参考通道，另一个通道数值和参考通道进行比较，得到S参数。平常看到的标量网络分析仪几乎都是这种多通道的扫频仪。
多通道的标量网络分析仪还可以借助一些巧妙的办法实现矢量分析，例如卡雷尔·霍夫曼的技术。随着矢量分析仪的进步，这种应用已经日趋减少。
扫频仪的检波器具有宽带特性。不论是测试信号，还是信号源的谐波以及外部耦合的各种干扰，都同时被检波。被测器件如果是陷波器，对谐波就不能产生有效的压缩，于是测到的陷波量不能小于谐波的量。如果被测器件是已经安装好的天线，那么天线接收到的空中信号也会进入检波器，这会导致测到的驻波值虚大。此外，检波器的动态范围通常最多达到70dB左右，导致仪器的动态范围较小。
带跟踪源的频谱仪把扫频仪的检波器换成了频谱仪的接收机。频谱接收机只响应中频带宽内的信号，跟踪源的谐波和外部耦合的干扰不对测试结果产生明显影响，因此可以测试陷波型器件。频谱仪具有较低的检波噪声和良好的中频放大器，这种由跟踪源和频谱仪组成的网络分析仪通常能达到100dB以上的动态范围。
如果没有跟踪源，可以使用频谱仪的最大值保持功能，与手动扫描的信号源组成简易网络分析系统。
一些高档的标量网络分析仪也采用类似方案。由于网络分析仪的信号源频率及其谐波是可以预知的，因此这种仪器的“频谱接收机”并不需要太好的带外抑制指标，可以采用比通常的频谱仪简单得多的接收机。
除了一些特殊场合，前面谈到的网络分析仪只能得到幅频特性图及由它衍生而来的驻波曲线图，因此是标量仪器。要想得到被测器件的阻抗参数，必须对输入、输出信号的相位进行比较，因而需要用到矢量网络分析仪（Vector Network
Analyzer，VNA），简称矢网。所有的网络分析仪都由信号源和某种形式的、专门用于检测信号源发出的信号的检测器组成，矢网与标网的主要硬件区别在于检测器。为了在足够的动态范围上进行矢量检测，一般来说需要先对信号进行混频，用中频滤波器精确的选通信号源产生的信号，然后在中频上进行相位比较。这种仪器的原理如图（9）所示。
图9 矢量网络分析仪示意框图
历史上，相位检测多是基于触发器原理。首先对需要比较相位的两路中频信号进行整形，然后送入两个触发器中。当一个触发器被信号的上升沿过零触发的时候，计数器开始数时钟脉冲。当另一个触发器被触发时，停止脉冲计数。这样得到的是两路中频的上升沿的时间差。由于中频频率是已知的，经过简单换算就能得到相位差。假设中频频率是100KHz，为了得到0.1度的相位分辨率，在不采用额外手段的情况下，需要时钟频率高于360MHz。
当前常用的相位检测方法基于同步检波的原理，并且逐渐依靠数字信号处理技术来实现。同其他方法一样，待测件的输出信号和输入信号的一部分（称之为参考输入，在仪器上用R端口表示）首先被同步下变频到比较低的中频频率。如果不设参考通道，则信号源需要同变频本振锁相。经过中频滤波和幅度调理以后，用ADC进行同步采样，得到的数字信号进入大规模FPGA，进行数字变频产生两组I/Q信号，经数字滤波后，将其中一组信号取共轭以后与另一组信号相乘，再采用适当的矢量旋转算法求取相位差。也可以采用其他数学运算求得相位差，这些处理基本上由软件完成，具有很高的灵活性。对数字处理过程进行精心设计，能够以比较高的效率达到0.1度以内的鉴相精度。
仅仅得到相位差和幅度差是不够的——测到的这些数值，并不是待测件上的真实情况。不论是混频、滤波、信号调理，还是电缆、插座、电桥，都会对幅度和相位造成影响，必须把这些影响从测到的原始数据上消去才能得到正确的结果。对于S11测量误差的消除，通常采用开路-短路-负载三步法校准。这种校准要求先将仪器端口开路，存储开路状态下的一组数据，然后再存储短路和接匹配负载时的数据。这些数据作为误差模型的已知量，用于确定任意其他测试时的误差并让结果返璞归真。
采用适当的校准模型，不但能消去仪器内外各种连接线的电长度误差、滤波器和放大器的相移，还能大幅降低对硬件的某些指标的要求，正巧这些指标原本已经很难提高了，电桥的定向性就是一例。
这里举一个理想化的例子，实际情况复杂得多。已知驻波电桥的定向性为0dB，即没有定向性，如何测量一个回波损耗小于30dB，即驻波小于1.1的天线？了解天分仪的读者或许认为有点天方夜谭，但是校准确实能解决这个问题——前提是正向信号的提取点和电桥之间有缓冲。试想如果给仪器接上匹配负载，将此时测到的正向信号和“反向信号”的幅度和相位关系存储下来。然后接上天线，让仪器重新测量，并根据刚才存储的相位幅度关系，推算出本底的“反向信号”，将其从结果中减去，就得到了实际的反向信号。此时您大概在想，如果S21测试的隔离度不好，能否如法炮制？
刚才我们做了一个减法，让定向性无中生有，看起来很好玩，但成本却很高。仪器必须有足够的相位和幅度分辨率，软件才能算出并不太多的一点定向性来。两个正弦信号，如果丝毫不差，它们相减恰好等于零。如果差一点点，相减以后就会留下不少东西。对于矢网而言，0.1dB的幅度分辨率和0.1°的相位分辨率是起码的指标。在这样的分辨率上保持稳定很难，一旦漂移或改变测试条件，校准模型即刻失效，因此要经常校准。
通过上面的叙述，网络分析能做什么，读者可能已经比作者还想得远了。最后再为大家梳理一下，作为文章的结尾。
最简单的网络分析仪——扫频仪，利用少量的附件（例如驻波电桥），已经可以满足通信工程中的大部分验证性用途和少部分调试用途之需，得到的是S11和S21标量数据。例如检验天线、电缆、分路器等射频器件。如果软件支持，还能当信号发生器和场强表使用，虽然不太准确。同时，扫频仪可以调试带通滤波器，寻找线圈和谐振网络的谐振点，对于带阻滤波器、陷波器等，如果不要求很大的陷波比，也可以进行初步的调试。在调试大陷波比的陷波器（例如双工器）时，可通过串联低通或带通滤波器来增大观察范围。当然，扫频仪是一种简单的标量仪器，无法直接读出阻抗，也就不能直观的找出匹配参数。基于宽带检波的特性，也不主张用它调试放大器和其它有源电路。
天线分析仪属于单端口网络分析仪。虽然很多东西都叫天线分析仪，但是性质却相差甚远。如果把电桥内置在扫频仪中，就成为最简单的天线分析仪，能够测试天线的驻波曲线。不论是扫频仪还是这种简单天分，用于有强烈外部干扰的场合都可能使测试结果虚大。
介于扫频仪和矢量天线分析仪之间，还有一种“半矢量天分”，它具有某种形式的测试相位或阻抗的能力，但是并不提供校准功能。用它测一支100Ω纯电阻的天线，如果连接了相当于八分之一波长的电缆，就会被测成40-j30Ω。做这种测试时必须进行人工修正，否则具有迷惑性。合理利用这种天分，可以对天线、放大器的输入阻抗进行调试，可以测得天线、线圈的谐振点。如果软件支持的话，也能当信号源使用。
矢量天分是标准的网络分析仪，可以测得复数的S11参数及由它衍生而来的一系列数据。由于具备完善的校准功能，所能测试的回波损耗范围通常优于50dB，测得的阻抗也是可信的。对一个频带的测试数据进行傅里叶逆变换，可以得到若干时域参数，比如电缆在不同距离上的回损。矢量天分在通信以外的领域也得到了一定程度的应用，例如测试农作物的含水量。
带跟踪源的频谱仪和带跟踪接收机的标量网分具有与扫频仪类似的用途，但是它们都具备优良得多的动态范围和较好的选择性，可以用于强干扰条件下的天线测量和大陷波比的陷波器调试，例如调试双工器。
全功能的双端口或多端口矢网囊括了上述所有用途，具备强大的分析功能。需要提到的是全功能矢网一般标配群延时显示和功率扫描功能。后者可以对器件的非线性特性进行分析。
网络分析仪的种类五花八门，远不止上面几种。它们都具有信号源和若干个幅度或相位幅度检测通道。结合必要的信号分配装置，内置或外置的定向电桥、耦合器构成完整的仪器。网分的用途也不是固定的，懂得它的测量原理之后，可以引申出许多巧妙的用法，把它比作射频领域的万能表毫不为过。网络分析和网络分析仪是设计、调试、改进射频电路的最基本，同时也应该是最常用的手段和工具。掌握网络分析技术之后，射频通信电路的设计制作将更加富有趣味。
来源：科创仪表局 kcma
