夹心式压电换能器及其应用 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:科学

作者:张云电

出品人:

页数:282

译者:

出版时间:2006-12

价格:45.00元

装帧:

isbn号码:9787030131973

丛书系列:

图书标签:

• 压电换能器
• 夹心结构
• 压电材料
• 传感器
• 超声波
• 能量收集
• 结构健康监测
• 声学
• 材料科学
• 电子工程

《微结构材料的力电耦合效应与智能传感》 简介 本书深入探讨了以压电材料为核心的微结构功能材料在力电耦合作用下的复杂行为、精密控制以及在先进传感技术中的关键应用。全书紧密围绕材料的微观结构如何影响宏观的机电性能展开，旨在为从事材料科学、微纳机电系统（MEMS）设计、精密仪器制造和智能传感技术研究的工程师、科研人员及高级学生提供一套全面且深入的理论框架与实践指导。 本书内容涵盖了从材料本构理论到复杂器件集成设计的全链条知识体系，重点突出了材料的非线性响应、多场耦合现象以及如何通过结构设计优化性能的工程化思路。 --- 第一部分：基础理论与本构关系 本部分奠定了理解微结构压电效应所需的基础理论，并详细阐述了描述其耦合行为的数学模型。 第一章：压电材料的晶体学与本构方程 本章首先回顾了压电效应的物理起源，重点分析了具有非中心对称结构的晶体群的电学特性。详细介绍了在静电场和应力场作用下的线性本构方程，包括应力-应变-电位移矢量之间的张量关系。 晶体对称性与压电张量： 分析了不同晶系（如六方、四方）的压电系数矩阵表示，特别是对于陶瓷（如PZT）和单晶材料（如PMN-PT）的差异化讨论。 逆压电效应与正压电效应： 通过详细的数学推导，明确了两种效应的统一性，并引入了机电耦合系数 ($k$) 的物理意义及其对能量转换效率的影响评估方法。 温度对性能的影响： 探讨了居里点、热膨胀系数与压电性能随温度变化的非线性关系，为高温或环境敏感型器件的设计提供理论依据。 第二章：微纳尺度下的材料非均匀性与界面效应 随着器件尺寸的减小，材料内部的晶界、缺陷以及多层结构界面对整体性能的贡献日益显著。本章着重于处理这些非均匀性带来的挑战。 多晶体与晶界效应： 针对压电陶瓷，分析了晶界处的电畴钉扎（Domain Pinning）现象及其对介电常数和机电耦合系数的抑制作用。提出了利用优化烧结工艺来降低晶界阻抗的方法。 梯度功能材料（Functionally Graded Materials, FGM）： 引入了材料参数（如压电常数 $d_{ij}$）随空间位置连续变化的梯度结构设计思想。详细分析了FGM在梯度应力场下如何实现更高的应变输出或更宽泛的工作频率范围。 电极与基底的耦合分析： 研究了电极材料的导电性、热膨胀系数与压电层之间的热机械应力耦合，这对薄膜器件的长期可靠性至关重要。 --- 第二部分：微结构设计与机电耦合建模 本部分聚焦于如何将理论模型应用于实际的微结构设计，特别是如何利用几何形状和驱动方式来增强或调控压电响应。 第三章：梁、板结构的静力与动力学分析 这是理解压电执行器和传感器工作原理的核心章节。本章采用经典的梁和板理论（如欧拉-伯努利梁理论和克希霍夫板理论）为基础，引入了压电效应项。 压电驱动梁的弯曲模型： 详细推导了在不同极化方向（横向、纵向）激励下梁的挠度方程。重点分析了双层压电梁（如PZT/粘合剂）的非对称弯曲行为，并给出了最优驱动电压与弯曲幅度的关系。 模态分析与谐振特性： 利用有限元方法（FEM）的理论基础，对悬臂梁和固定梁结构进行了模态分析。计算了基频、高阶模态的频率和振型，并讨论了如何在结构上通过增加或移除质量块来精确调控工作频率。 压电厚度振动模式： 针对薄膜或块状器件，分析了厚度伸缩振动模式，这是高频超声换能器的基础。 第四章：先进几何结构的优化设计 本章超越了简单的矩形结构，探讨了更复杂的几何形状在提高性能方面的优势。 环形和嵌套结构： 分析了圆环形压电环的径向和厚度振动模式，这在水声换能器和圆柱形驱动器中至关重要。介绍了如何通过嵌套环设计实现宽带响应。 蜂窝和晶格结构（Lattice Structures）： 引入了将压电材料集成到周期性微结构中的概念，以实现“有效材料”的设计。研究了这些结构在实现各向异性、负泊松比材料特性时的潜力，以及它们在超轻型高灵敏度传感器中的应用前景。 柔性基底上的压电薄膜： 探讨了将压电薄膜沉积在聚合物（如Kapton）基底上的应力分布问题。分析了弯曲和拉伸载荷对薄膜内电畴取向的影响，以及如何设计锚定结构以防止薄膜开裂。 --- 第三部分：应用技术与系统集成 本部分将理论和结构设计转化为实际的高性能传感与驱动系统。 第五章：高精度位移与力传感器的实现 本章侧重于如何将压电效应转化为可量化的电信号，并解决噪声和漂移问题。 电荷模式与应变模式传感器： 详细区分了基于电荷采集（高频响应）和基于电荷放大（低频/静态测量）两种传感模式的优缺点。讨论了如何通过优化电路设计来克服电荷模式传感器的漏电和噪声干扰。 非线性补偿与温度漂移抑制： 针对压电材料的迟滞非线性问题，介绍了基于Preisach模型或神经网络的反馈补偿方法。分析了热机械耦合导致的零点漂移，并提出了通过差分结构或内置温度补偿元件来稳定输出的技术。 声学耦合与超声换能器设计： 深入分析了压电材料与介质（空气、液体）之间的声阻抗匹配问题。介绍了使用声学透镜、阻抗层匹配技术来优化超声波在水下或生物组织中的传播效率。 第六章：微型驱动器与振动控制系统 本章关注压电材料作为执行器在精密定位、主动噪声控制中的应用。 纳米级定位与扫描系统： 介绍了基于压电堆栈（Stack Actuators）的超精密定位平台的设计原理，包括位移放大机构（如杠杆式或步进式）的结构选择。讨论了如何利用PZT的快速响应特性实现高频扫描。 主动减振与噪声消除： 探讨了利用逆压电效应激励结构产生反相振动来抵消外部干扰的原理。重点分析了在轨道交通或航空航天结构中，如何根据实时振动数据设计最优的激励点和激励信号。 高频电源接口与驱动电路： 压电驱动器通常需要高电压、低电流的特定波形输入。本章详细介绍了高频开关电源、倍压电路的设计要点，以及如何避免驱动电路中的高频噪声耦合回敏感的传感回路。 --- 结语 本书的最终目标是提供一个将材料科学、结构工程与电子工程有效结合的平台，指导读者从微观的电畴行为出发，设计出具有卓越性能的机电耦合系统。全书强调了从原理到工程实践的转化过程，鼓励读者利用先进的计算工具和实验验证手段，解决当前复杂多变的工程挑战。

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这本书的语言风格可以说是极其严谨且克制的，几乎没有任何口语化的表达，全篇充斥着精确的物理术语和数学符号，对于初学者来说，这既是优点也是一个巨大的门槛。我尝试让一位刚接触电磁学的朋友阅读其中关于压电效应本构方程的部分，他很快就表示难以跟上。这表明，作者在撰写时，默认读者已经具备了坚实的固体物理学和线性代数基础。虽然对于资深工程师而言，这种高度凝练的表达方式是高效的，但如果能为关键概念增设一些通俗易懂的类比或背景介绍，将会极大地拓宽读者的受众面。例如，在介绍晶体学取向对换能器性能影响时，如果能用一个简单的宏观模型来辅助理解微观机制，想必会更具启发性。目前的叙述方式，更像是一部高水平的博士教材或研究员手册，而非面向广泛工程技术人员的参考书。

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这本书的装帧设计颇具匠心，封面采用了一种低饱和度的灰蓝色调，中央是一幅抽象的、像是声波纹路一样的图案，给人一种既专业又略带艺术感的初步印象。内页的纸张质地摸起来很舒服，不是那种廉价的、反光的纸张，而是偏向于哑光，这对于长时间阅读技术类书籍来说，极大地减轻了视觉疲劳。装订方式看起来也十分牢固，即使是经常翻阅和查阅公式的读者，也不必担心书本会轻易散页。尤其值得称赞的是，排版布局非常考究。大量的图表和公式被清晰地隔离在文本区域之外，使用了清晰的边框和不同的字体粗细来区分，这使得复杂的数学推导过程能够被一眼识别，而不是淹没在密集的文字段落中。初次翻阅时，我立刻注意到章节标题的层级划分非常明确，即便不看目录，也能快速定位到自己感兴趣的特定应用场景的介绍部分。整体而言，从实体感受上讲，这绝对是一本愿意让人长期放在手边、时常翻阅的工具书级别读物。

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在查阅过程中，我发现全书的参考文献列表异常详尽且具有年代跨度，从经典的、奠基性的论文到近两年的顶级会议摘要都有收录。这使得这本书不仅是一个知识的载体，更像是一个精心策划的、指向更深层研究领域的导航地图。尤其是在处理新兴的“柔性电子皮肤传感”这一前沿领域时，作者并没有含糊带过，而是清晰地指出了当前材料科学在柔韧性与压电效率之间的固有矛盾，并引用了多篇关于新型聚合物复合材料的最新研究。这种对“已知”与“未知”边界的清晰界定，让读者能准确把握当前技术发展所处的阶段，避免在已解决的问题上浪费时间，而是将精力集中在真正需要突破的瓶颈上。总体来看，这是一部具备极强文献检索价值的专业参考工具书。

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我花了整整一个下午的时间，试图从中梳理出关于“超声波无损检测技术在复合材料疲劳损伤评估中的最新进展”这一主题下的具体案例分析。坦白说，这本书的理论深度是毋庸置疑的，它几乎覆盖了从基本原理到前沿模型的完整光谱。然而，在实际应用案例的详述上，我个人认为还有提升空间。例如，在介绍到某一特定高频换能器优化设计时，书中给出了非常详尽的有限元分析（FEA）结果图，数据图表非常完备，但对于将这些优化成果应用到实际的工业生产线中，面对环境噪声、温度漂移等“真实世界”的干扰因素时，系统的鲁棒性是如何保证的，这部分笔墨相对较少，显得有些理论化和理想化。我期待能看到更多关于“如何将实验室成果转化为车间可用的标准操作程序（SOP）”的讨论，或许加入一些实际案例的工程限制性分析，会让这本书的实用价值更上一层楼。

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我特别关注了书中关于“高精度时间同步与信号采集系统设计”那一章的内容。这一部分的结构安排非常合理，从时钟源的选择，到A/D转换器的关键参数考量，再到滤波器的设计原则，逻辑链条完整且清晰。作者对系统延迟误差的分析达到了令人赞叹的细致程度，甚至考虑到了不同汇流排架构对实时数据吞吐量的影响。最让我印象深刻的是，他不仅仅是罗列了各种方案的优缺点，而是通过一个虚构的、但逻辑上自洽的“目标精度曲线图”，反向推导出在特定带宽要求下，必须采用哪种时钟精度和采样率组合。这种从需求反推架构的设计思维，对于指导我们构建自己的精密测量系统提供了绝佳的范本。可以说，这一章单独拎出来，就值回了购书的成本，它体现了作者深厚的系统工程背景。

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