电荷传感器

概念：当受到机械力（压电效应）或温度变化（热电效应）的刺激时，电荷传感器在其表面产生符号相反的相等电荷。

等效图：压电、热电传感器可通过以下等效图之一建模：

戴维南等值图：

电动势e＝Q/C0与电容器C0串联。

戴维南.png

诺顿等效图：

电流源i＝dq/dt与电容器C0并联。

Norton.png

操作模式：当使用压电-热电传感器时，测量信号强烈依赖于实验条件。可以测量比例信号或其导数。这些操作模式的极限由仪器链的截止频率给出。

信号调节

直接连接：通过将传感器直接连接到放大器、示波器或DAC（数据采集卡），必须记住，外部阻抗可能会对要测量的信号产生关键影响。为了确定所述影响，相关阻抗（来自传感器、电缆和测量仪器输入）建模如下：

sensor.png直接连接的等效图

传感器直接连接的等效图

对该图的进一步分析显示了高通滤波器的行为，其截止频率由下式给出：

方程高通滤波器.png

当f>>fc时，测量信号与产生的电荷成正比：

当f

Vin f和supp fc的等式。png等式Vin f inf fc.png

电荷传感器

为了大幅限制外部阻抗的影响，建议使用电荷传感器。工作原理基于使用外部电容器C来存储产生的电荷。电荷转换器也可以称为电荷电压转换器。

电荷放大器.png

电荷电压传感器的实际实现

如图所示，我们认为运算放大器是理想的。其输入之间的差分电压为零，因此传感器产生的电流i被驱动至反馈电容器C。为了防止寄生影响导致输出饱和，必须在反馈电容器上添加并联电阻器R。

这种电路具有高通滤波器特性，其截止频率由下式给出：

方程式fc电荷传感器.png

当f>>fc时，测得的信号与产生的电荷成正比：当f

由施加的电场引起的变形可由简单公式定义：

Si＝d3i.E

哪里：

Si=Δxi/xi=ΔL/L表示样品在xi方向上的应变（相对变形）

d3i是压电应变常数（在与施加电场垂直的方向上）

变形方案.png

具有以下特性的元件示例：

长度：l=1厘米

宽度：w=2mm

厚度：t=9µm

施加电压：V=200 V→ E（电场）=V/t

（d31，d32，d33）=（11，10，-30）pC.N-1

压电应变常数d由下式给出：

d=应变发展/应用场=S/E

例如，应变生成.png

传感器：数量级，电压产生

由施加的力引起的电场输出（E）可由以下公式定义：

E=gijσi

哪里：

σi是施加的机械应力（N.m-2）

gij是压电电压常数（Vm.Nm-2）

g=产生/施加的电场机械应力=E/σ

其中g＝d/ε＝d/ωrε0

Sensor scheme.png

具有以下特性的元件示例：

长度：l=2厘米

宽度：w=2厘米

厚度：t=100µm

压缩0.1巴→ σ=-10000 N.m-2

（g31，g32，g33）=（216，19，-339）*10-3-Vm.Nm-2

E=V0/t=g33.σ3

V0=g33.σ3.t=339 mV

  报错 笔记