Fundamentals of Piezoelectric Sensorics pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:Springer Verlag

作者:Tichy, Jan/ Erhart, Jiri/ Kittinger, Erwin

出品人:

页数:200

译者:

出版时间:

价格:996.00 元

装帧:HRD

isbn号码:9783540439660

丛书系列:

图书标签:

• Piezoelectric Sensors
• Sensor Technology
• Acoustic Sensors
• Vibration Measurement
• Materials Science
• Electronics
• Instrumentation
• Signal Processing
• Physics
• Engineering

压电传感技术基础 (Fundamentals of Piezoelectric Sensorics) 一、 概述 本书深入探讨了压电效应的基本原理、压电材料的特性、各类压电传感器的设计、制造、性能评估及其在现代工程和科学研究中的广泛应用。它旨在为电子工程、材料科学、机械工程以及相关领域的学生、研究人员和工程师提供一个全面且深入的知识框架，从理论基础到实际应用，系统地阐述压电传感技术的核心要素。 二、 理论基础：压电效应的物理机制 本章聚焦于压电现象的物理学根源。详细介绍了正压电效应（机械应力转化为电荷）和逆压电效应（电场作用下材料发生形变）的微观机制。内容涵盖了晶体结构对称性与压电性的关系，特别是极性晶体（如石英、锆钛酸钡PZT）的晶格振动模式和偶极矩的形成。 随后，本书引入了描述压电现象的本构方程（包括应力-电位移、应变-电场关系），重点分析了介电常数、压电应变常数 ($d_{ij}$)、压电应力常数 ($g_{ij}$) 和机电耦合系数 ($k$) 等关键参数的物理意义和测量方法。通过详细的数学推导，读者将理解这些参数如何决定传感器的灵敏度和工作效率。此外，还讨论了温度依赖性，包括居里温度对压电材料性能的影响。 三、 压电材料的分类与特性 压电材料是传感器的核心。本部分系统性地分类和比较了主要的压电材料家族。 1. 天然压电晶体： 重点分析了石英（Quartz）作为高精度、高稳定性的频率控制和压力传感元件的优势与局限性。讨论了其晶体切割方式（如 AT 切、SC 切）如何影响其温度特性和振动模式。 2. 人造压电陶瓷： 深入研究了锆钛酸钡 (PZT) 及其改性材料。详细介绍了固溶体理论，解释了如何通过改变 PbO, $ ext{TiO}_2$, $ ext{ZrO}_2$ 的比例来调控材料的铁电性能、压电响应和最大工作温度。讨论了陶瓷的极化工艺（电场驱动的畴壁重排）及其对最终传感器性能的关键作用。 3. 聚合物压电材料： 介绍了聚偏氟乙烯 (PVDF) 及其共聚物。分析了其柔韧性、低密度和高频率响应特性，并比较了其与陶瓷材料在机械刚度、温度稳定性和输出电荷量上的差异。 此外，还探讨了新型压电材料（如单晶材料 PMN-PT）的研究进展及其潜在应用。 四、 压电传感器的基本结构与工作原理 本章将理论转化为实际器件。详细剖析了基于不同工作原理的压电传感器类型： 1. 压电加速度计 (Accelerometers)： 讲解了剪切型、压缩型和弯曲型加速度计的结构设计。重点分析了质量-弹簧-阻尼系统与压电元件的耦合方式，如何将惯性力转化为可测量的电荷信号。讨论了低频响应的限制和噪声抑制技术。 2. 压电压力/力传感器 (Pressure/Force Sensors)： 比较了薄膜式、膜片式和块状压电元件在测量静态和动态压力时的适用性。讨论了如何通过电极设计和预加载来优化传感器的线性度和抗蠕变性。 3. 声波传感器与超声换能器 (Acoustic & Ultrasonic Transducers)： 阐述了压电材料如何作为高效的能量转换器，用于发射和接收高频声波。分析了阻抗匹配设计在提高换能效率中的重要性。 4. 振动与应变传感器： 探讨了将压电材料直接集成到结构中进行健康监测 (SHM) 的方法，以及如何通过优化电极布局实现对局部应变的敏感测量。 五、 信号调理与数据采集 压电元件通常产生高阻抗、低电荷量输出，因此信号处理至关重要。本部分详细介绍了以下关键电路技术： 1. 电荷放大器 (Charge Amplifiers)： 详细推导了电荷放大器的增益公式，并分析了反馈电容和输入阻抗对系统噪声和带宽的影响。 2. 电压放大与阻抗转换： 比较了电荷模式（高频响应好）和电压模式（易于测量）的优劣，并介绍了缓冲器和电压跟随器的应用。 3. 噪声分析与补偿： 讨论了热噪声、散弹噪声以及电缆的寄生电容如何影响信噪比。介绍了低噪声设计和电荷恢复技术。 4. 动态范围与线性化： 探讨了在有限电压输出范围内，如何通过优化传感器极化和信号处理来扩展传感器的有效测量范围。 六、 性能评估与可靠性 对压电传感器的全面理解必须包含其性能指标的量化。本章介绍了工业和国际标准中定义的关键性能参数： 灵敏度 (Sensitivity)： 单位输入量（力、压力、加速度）产生的输出电荷或电压。 频率响应 (Frequency Response)： 测量传感器在不同频率下的响应平坦度和带宽。 非线性度 (Non-linearity)： 衡量输出与输入之间的偏离程度。 滞后和蠕变 (Hysteresis and Creep)： 评估材料在加载和卸载过程中以及长时间稳定状态下的特性。 温度漂移： 评估环境温度变化对零点和灵敏度的影响。 此外，还讨论了传感器封装技术（如应变隔离、防水密封）对长期可靠性的影响。 七、 前沿应用与展望 本书最后展望了压电传感技术在多个新兴领域的应用： 1. 能量收集 (Energy Harvesting)： 探讨如何利用压电材料从环境中的振动、冲击或人体重力中捕获能量，为无线传感器供电。 2. 生物医学工程： 应用于微创诊断、血液流动监测和生物信号捕获。 3. 智能材料与结构健康监测 (SHM)： 集成到复合材料结构中，实时监测损伤发展和内部应力分布。 4. 高精度计量： 在计量学中作为标准传感器，用于校准其他测量设备。 通过对这些领域的深入探讨，本书旨在激励读者将所学的理论知识应用于解决复杂的、跨学科的工程挑战中。

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