【難質問】圧電素子の時間分解能について

質問

衝撃波管実験に圧電素子とチャージアンプを利用しているのですが、

・チャージアンプの測定時間分解能に与える影響

圧電素子は原理的には、結晶の圧電効果から生まれる電気信号なので、時間分解能は高いように思えるのですが、「チャージアンプ」を入れることで、どれだけ時間分解能が鈍るのか？
つまり積分回路的な効果、時間積分されればそれだけ、時間分解能が下がるように思えます。
いわゆる圧電素子の固有振動数は、素子の構成部品に依存するはずですから、
トータルでどれだけの時間分解能になるのかが気になります。

つまり、「ピーク圧力＝衝撃波先頭圧力」としてよいのか？

この問いに関わってくるのですが、どなたか電気回路・もしくはこの類の測定に詳しい方がいらっしゃればご教授お願いできませんでしょうか。よろしくお願いします。

回答No.1

rabbit_cat · ベストアンサー

「時間分解能」というのは曖昧な言い方ですが、
・高周波特性（カットオフ周波数）：　どれくらいの周波数の圧力変化まで信号として取り出せるか
・時間遅れ：　圧力が変化してから、信号に変化するまでの時間遅れ
のどちらの意味でしょうか？

＞「ピーク圧力＝衝撃波先頭圧力」としてよいのか？
かどうかを気にしているということは、インパルス入力等の非常に高い周波数成分を持っている入力信号がどれだけ正確に、出力信号に表れるかを考えている、ということで、主に、高周波特性についてですかね。
とりあえず、そうしておきます。

＞チャージアンプの測定時間分解能に与える影響
まず、チャージアンプが内部で電流を時間積分していること自体は、高周波特性には全く影響しません。
チャージアンプというのは、電荷を測るものなわけですが、通常、電荷をいったん電流として流して（i=dQ/dtなので、ここで微分している）、測定した電流を時間積分して電荷に戻しています。（Q=∫idt）
というわけで、チャージアンプ内で時間積分するのは、元の信号（電荷Ｑ）を（測定の都合上）いったん微分したものを元に戻すためなんで、理想的には、元の信号（電荷Ｑ）が完全に再現される（全く影響を与えない）はずです。

チャージアンプの高周波特性を決めるのは、主にチャージアンプ内の電流測定回路の高周波特性です。もちろん、その後の積分回路の高周波特性が、電流測定回路の高周波特性よりも大幅に悪ければ、積分回路の高周波特性が、チャージアンプ全体の高周波特性を決めることになりますが、通常、あまり考えられないと思います。
とりあえず、お使いのチャージアンプの周波数応答特性（横軸：周波数、縦軸：ゲイン）を調べてください。

＞圧電素子は原理的には、結晶の圧電効果から生まれる電気信号なので、時間分解能は高いように思えるのですが
圧電素子自体にも高周波特性があります。圧力素子のカットオフ周波数（これより高いの周波数の圧力変化は、そもそも圧力素子の表面電荷の変化として見えてこない）は、単純には、圧力素子の音速で決まります。
こちらも、圧電素子の仕様を確認してください。

おそらく、物理的に決まる、圧電素子のカットオフ周波数のほうが、チャージアンプのカットオフ周波数より低い（より問題になる）と思います。

お礼

御回答ありがとうございます。
なるほど、回路のカットオフ周波数を調べればそのまま計測限界になりますね。ありがとうございます。

回答No.2

tadys

アナログ回路には時間分解能といった考えは有りません。
あるのは、周波数特性です。
大振幅の場合はスルーレートも問題にする必要が有ります。
高速の積分器では出力の電流供給能力も問題になります。

今では、チャージアンプに使用できるような高速のオペアンプの入手が容易になっていますから、よほど特殊な条件でなければチャージアンプの設計に問題は無いでしょう。
チャージアンプの設計にノーハウが必要な事は言うまでも有りませんが。

チャージアンプの使用が気になるようであれば、チャージアンプを使わずに高速のデジタルオシロスコープで直接に観測すればいいのです。
時間分解能はオシロスコープの性能で決まります。
オシロスコープで記録したデータをパソコンで積分すればチャージアンプと同じ結果が得られます。

お礼

御回答有難うございます。確かに直接つなぐというのもありですね、発想が浮かびませんでした。ありがとうございます。