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标题：基于可配置高精度多参数信号测量的摩擦纳米发电机表征方法及电路框架研究

一、作者信息与发表情况
本研究由重庆大学光电技术与系统教育部重点实验室及光电工程学院的Xingxu Jiang、Meng Chen、Wenqiu Liu、Kecen Li、Shiwei Xu和Hua Yu*（通讯作者）团队共同完成，发表于期刊*Nano Energy*第141卷（2025年），文章编号111107。

二、学术背景与研究动机
摩擦纳米发电机（Triboelectric Nanogenerator, TENG）是一种新兴的自供电传感技术，因其低成本、结构灵活性和高适应性在可穿戴设备、环境监测等领域展现出巨大潜力。然而，TENG的高输出阻抗、高电压输出及弱电流/电荷特性使其广泛传感应用面临挑战。传统的测量仪器（如Keithley 6514静电计）存在寄生电容匹配问题，导致电压测量误差高达48.2%，且带宽受限，无法满足TENG多参数（电压、电流、电荷）高精度表征需求。

本研究目标为开发一种可配置的高精度多参数信号测量方法及全差分放大电路框架，以解决TENG信号测量的阻抗匹配、宽带宽和高动态范围问题，推动TENG传感技术的标准化应用。

三、研究流程与方法
1. 理论分析与等效模型建立
- 基于TENG本征方程（V-Q-X），建立了单端与差分输出的等效电路模型（图2a-b），推导了输出阻抗公式（Zcs=1/(sCs)）。分析了电阻/电容负载对输出电压/电流的分压效应（公式2-5），指出传统静电计的寄生电容（Cp≈300 pF）会与TENG固有电容（Cs≈100 pF~1 nF）形成分压，导致误差。

1. 电路框架设计

   • 提出统一的全差分单电源电路框架（图3a），通过配置Z1-Z3网络实现电压、电流、电荷测量模式的灵活切换。
     
   • 电压测量电路（图3b）：采用电容耦合仪表放大器，通过两级设计（衰减级+幅值调整级）降低负载电容影响。关键参数：耦合电容C1=10 pF（输入阻抗1/(sC1)），高截至频率0.08 Hz（C2=10 nF, R1=200 MΩ），误差低至3%。
     
   • 电流测量电路（图3c）：基于I/V转换原理，带宽1.17 kHz（C2=6.8 nF, R1=20 kΩ），支持μA级弱电流测量。
     
   • 电荷测量电路（图3d）：Q/V转换设计，高截至频率0.0072 Hz（C2=220 nF, R1=100 MΩ），误差%。
     

2. 实验验证

   • 对象：接触-分离模式TENG（CS-TENG）和旋转模式TENG（R-TENG）。
     
   • 对比仪器：Keithley 6514静电计。
     
   • 测试参数：频率1 Hz、10 Hz、100 Hz（CS-TENG）及800 rpm、1200 rpm（R-TENG）下的电压、电流、电荷信号。
     
   • 实验流程：
     
     • 使用信号发生器串联330 pF电容模拟TENG，验证电压测量误差（图4f）。
       
     • 测量CS-TENG输出波形（图4g-h, 图5a-e），统计峰值数据（表2-4）。
       
     • 调整R-TENG电路参数（R1=2 kΩ, RF=10 kΩ），对比高转速下的信号差异（图6, 表5）。
       

四、主要研究结果
1. 电压测量：
- 所提电路将电压测量误差从48.2%降至3%（图4f）。CS-TENG在1 Hz时输出185.6 V（峰值），较静电计（44.3 V）提高4.19倍（表2）。
- R-TENG在800 rpm下测量电压289 V，静电计仅133 V（表5），误差主要源于静电计寄生电容分压。

1. 电流测量：

   • 在1 Hz时电流误差仅-0.22%，但静电计在100 Hz时误差达73.6%（表3）。通过数字滤波后，误差稳定在5%以内（图5c）。
     

2. 电荷测量：

   • CS-TENG电荷测量误差5%-6%（表4），R-TENG误差<2.4%（表5），验证了电路的高精度。
     

五、结论与价值
本研究提出的电路框架通过全差分架构和可配置设计，实现了TENG电压、电流、电荷信号的高精度（误差≤6%）、宽带宽（0.0072 Hz~1.17 kHz）和宽动态范围（μA至kV级）测量。其科学价值在于：
1. 解决了高阻抗匹配难题，为TENG性能标准化表征提供技术支撑。
2. 单电源设计简化电路，增强电磁干扰抑制能力（信噪比提升）。
应用价值体现在推动TENG在可穿戴设备、人机交互等领域的规模化应用。

六、研究亮点
1. 创新方法：首次提出统一电路框架实现多参数测量，电容耦合设计降低负载效应。
2. 性能突破：电压误差降低45.2%，电荷测量精度达94%。
3. 工程意义：便携式设计适配实际应用场景，填补高频TENG信号测量空白。

七、其他贡献
- 开源电路参数（表1）及数据（需申请），促进领域内技术复现。
- 通过等效模型（图2e-f）量化负载效应，为后续研究提供理论工具。