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電荷傳感器
概念：當(dāng)受到機(jī)械力（壓電效應(yīng)）或溫度變化（熱電效應(yīng)）的刺激時(shí)，電荷傳感器在其表面產(chǎn)生符號(hào)相反的相等電荷。
等效圖：壓電、熱電傳感器可通過以下等效圖之一建模：
戴維南等值圖：
電動(dòng)勢(shì)e＝Q/C0與電容器C0串聯(lián)。
戴維南.png
諾頓等效圖：
電流源i＝dq/dt與電容器C0并聯(lián)。
Norton.png
操作模式：當(dāng)使用壓電-熱電傳感器時(shí)，測(cè)量信號(hào)強(qiáng)烈依賴于實(shí)驗(yàn)條件。可以測(cè)量比例信號(hào)或其導(dǎo)數(shù)。這些操作模式的極限由儀器鏈的截止頻率給出。
信號(hào)調(diào)節(jié)
直接連接：通過將傳感器直接連接到放大器、示波器或DAC（數(shù)據(jù)采集卡），必須記住，外部阻抗可能會(huì)對(duì)要測(cè)量的信號(hào)產(chǎn)生關(guān)鍵影響。為了確定所述影響，相關(guān)阻抗（來自傳感器、電纜和測(cè)量?jī)x器輸入）建模如下：
sensor.png直接連接的等效圖
傳感器直接連接的等效圖
對(duì)該圖的進(jìn)一步分析顯示了高通濾波器的行為，其截止頻率由下式給出：
方程高通濾波器.png
當(dāng)f>>fc時(shí)，測(cè)量信號(hào)與產(chǎn)生的電荷成正比：
當(dāng)f
Vin f和supp fc的等式。png等式Vin f inf fc.png
電荷傳感器
為了大幅限制外部阻抗的影響，建議使用電荷傳感器。工作原理基于使用外部電容器C來存儲(chǔ)產(chǎn)生的電荷。電荷轉(zhuǎn)換器也可以稱為電荷電壓轉(zhuǎn)換器。
電荷放大器.png
電荷電壓傳感器的實(shí)際實(shí)現(xiàn)
如圖所示，我們認(rèn)為運(yùn)算放大器是理想的。其輸入之間的差分電壓為零，因此傳感器產(chǎn)生的電流i被驅(qū)動(dòng)至反饋電容器C。為了防止寄生影響導(dǎo)致輸出飽和，必須在反饋電容器上添加并聯(lián)電阻器R。
這種電路具有高通濾波器特性，其截止頻率由下式給出：
方程式fc電荷傳感器.png
當(dāng)f>>fc時(shí)，測(cè)得的信號(hào)與產(chǎn)生的電荷成正比：當(dāng)f
由施加的電場(chǎng)引起的變形可由簡(jiǎn)單公式定義：
Si＝d3i.E
哪里：
Si=Δxi/xi=ΔL/L表示樣品在xi方向上的應(yīng)變（相對(duì)變形）
d3i是壓電應(yīng)變常數(shù)（在與施加電場(chǎng)垂直的方向上）
變形方案.png
具有以下特性的元件示例：
長(zhǎng)度：l=1厘米
寬度：w=2mm
厚度：t=9µm
施加電壓：V=200 V→ E（電場(chǎng)）=V/t
（d31，d32，d33）=（11，10，-30）pC.N-1
壓電應(yīng)變常數(shù)d由下式給出：
d=應(yīng)變發(fā)展/應(yīng)用場(chǎng)=S/E
例如，應(yīng)變生成.png
傳感器：數(shù)量級(jí)，電壓產(chǎn)生
由施加的力引起的電場(chǎng)輸出（E）可由以下公式定義：
E=gijσi
哪里：
σi是施加的機(jī)械應(yīng)力（N.m-2）
gij是壓電電壓常數(shù)（Vm.Nm-2）
g=產(chǎn)生/施加的電場(chǎng)機(jī)械應(yīng)力=E/σ
其中g(shù)＝d/ε＝d/ωrε0
Sensor scheme.png
具有以下特性的元件示例：
長(zhǎng)度：l=2厘米
寬度：w=2厘米
厚度：t=100µm
壓縮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
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