压电传感器与执行器原理及应用

本书首先介绍压电传感器和执行器的基本原理，主要包括物理基础、压电效应原理和压电材料；然后通过将数值模拟与适当的测量相结合来对传感器和执行器材料进行可靠的表征，还提供了一种有效的用于铁电材料大信号行为的唯象建模方法，以方便对压电执行器的操作；此外，压电超声换能器是超声成像和停车传感器等应用中最常用的换能器，在此背景下，详细介绍了一种非反应性测量方法，该方法允许在各种介质中对声场进行表征。

博士，教授，陆军装甲兵学院士官学校基础部教员。从事教学工作三十余年，主要从事机械设计及制造的教学与科研工作，具备扎实的专业理论知识和出众的科研业务能力，特别是在液压、液压传动装置领域有着颇深的造诣，多次获得军队科技进步奖，并发表过多篇与压电传感器相关的文章，对压电传感器和执行器有着深入的研究和丰富的应用经验。

1.介绍 1.1压电传感器和执行器基础 1.2压电与压电始 1.3压电材料的实际应用 1.4章节概述 2，物理基础 2.1电磁学 2.1.1麦克斯韦方 2.1.2静电场 2.1.3电场的界面条件 2.1.4集总参数电路元素 2.2连续介质力学 2.2.1纳维方程 2.2.2机械应变 2.2.3本构方程与材料行为 2.2.4弹性波在固体 2.3声学 2.3.1基本量 2.3.2波浪理论的声音 2.3.3线性声波方程 2.3.4声音的反射和折射 2.3.5声音吸收 引用 3.压电 3.1压电效应原理 3.2热力学考虑 3.3线性压电材料规律 3.4机电耦合的分类。 3.4.1内在影响 3.4.2外在影响 3.4.3压电效应模式 3.5机电耦合因素 3.5.1将机械能转化为电能 3.5.2电能转换为机械能 3.6压电材料 3.6.1单一晶体 3.6.2多晶陶瓷材料 3.6.3聚合物 引用 4.压电传感器和执行器的仿真 4.1有限元法的基本步骤 4.1.1一维问题的有限元法 4.1.2空间离散化和自适应计算 4.1.3拟设函数 4.1.4时间离散化 4.2静电学 4.3机械 4.3.1类型的分析 4.3.2机械系统内的衰减 4.3.3例子 4.4声场 4.4.1开域问题 4.4.2举例 4.5耦合字段 4.5.1压电 4.5.2 机械-声学耦合 引用 5.传感器和执行器材料的表征 5.1表征的标准方法 5.1.1IEEECENELEC压电标准 5.1.2钝化材料的表征方法 5.2逆方法的基本原理 5.2.1逆问题的定义 5.2.2材料表征的逆方法 5.2.3 Tikhonov正则化 5.2.4迭代正则高斯-牛顿法 5.3压电陶瓷材料的逆方法 5.3.1衰减材料参数及建模 5.3.2可行的输入量。 5.3.3测试样品 5.3.4数学程序 5.3.5高效实施 5.3.6选定压电陶瓷材料的结果 5.4被动式材料的逆方法 5.4.1衰减材料模型及建模 5.4.2可行的输入量 5.4.3测试样品 5.4.4高效实施 5.4.5选定材料的参数识别 引用。 6.铁电材料大信号行为的唯象模拟 6.1滞后的数学定义 6.2不同长度尺度的建模方法 6.3现象学建模方法 6.4预滞后算子的建模 6.4.1预滞后模型 6.4.2高效的数值计算 6.5交换操作员的加权程序 6.5.1空间离散化加权分布 6.5.2分析加权分布 6.6广义预滞后模型 6.6.1可逆部分 6.6.2不对称行为 6.6.3机械变形 6.6.4速率依赖性行为 6.6.5单轴机械应力 6.7预建模参数识别 6.7.1模型参数的识别策略 6.7.2压电陶瓷盘的应用 6.8预滞后模型反演 6.8.1反演过程 6.8.2反演过程的表征 6.8.3反演广义预滞后模型。 6.8.4压电陶瓷盘的滞后补偿 引用 7.压电超声换能器 7.1声场计算及电力换能器输出 7.1.1点状靶的衍射 7.1.2空间脉冲响应(SIR) 7.1.3活塞式换能器的SIR 7.1.4球形聚焦换能器的SIR 7.2声场及方向特性 7.2.1活塞式换能器 7.2.2球面聚焦换能器 7.3脉冲回波模式下的空间分辨率 7.3.1换能器激励和产生的输出 7.3.2轴向分辨率 7.3.3横向分辨率 7.4总体结构 7.4.1单元件换能器 7.4.2换能器阵列 7.4.3压电复合换能器 7.5分析建模 7.5.1等效电路 7.5.2计算程序 7.5.3示范结果 7.6压电超声换能器实例 7.6.1机载超声波 7.6.2水下超声 7.6.3医疗诊断 7.7超声波成象 7.7.1 A模式和M模式成像 7.7.2 B模式成像 7.7.3 C模式成像 引用 8.超声换能器产生的声场的表征 8.1常规测量原理 8.1.1水听器 8.1.2麦克风 8.1.3薄膜光学干涉测量 8.1.4纹影光学方法 8.1.5光衍射层析成像 8.1.6比较 8.2光折射断层摄影术的历史 8.3光折射层析成像的基本原理 8.3.1测量原理 8.3.2层析成像 8.3.3测量程序及实现 8.3.4LRT测量的决定性参数 8.3.5测量偏差的来源 8.3.6可测量的声频范围 8.4水中声场 8.4.1活塞式超声波换能器 8.4.2圆柱聚焦超声换能器 8.4.3测量过程的加速 8.4.4水听器干扰声场 8.5空气声场 8.5.1空气中的压电光学系数 8.5.2实验装置 8.5.3活塞式超声波换能器的试验结果 8.6光学透明固体中的机械波 8.6.1各向同性固体中的正应力 8.6.2实验装置 8.6.3不同超声波换能器的检测结果 8.6.4实验结果验证 引用 9.物理量的测量和过程测量技术 9.1力、扭矩、压力及加速度 9.1.1基本面 9.1.2力和力矩 9.1.3压力 9.1.4加速度 9.1.5压电传感器的读出 9.2板厚及声速的测定 9.2.1测量原理 9.2.2平板传输线模型 9.2.3发射机的激励信号 9.2.4脉冲压缩 9.2.5实验 9.3流体流量 9.3.1流体流量测量的基本原理 9.3.2超声波流量计的测量原理 9.3.3超声波换能器的布置 9.3.4频率波数域钳位转接时间超声流量计的建模 9.4用于超声波清洗的空化传感器 9.4.1声空化和超声波清洗的基本原理 9.4.2空化活动的常规测量 9.4.3实现的传感器阵列 9.4.4传感器阵列的特性 9.4.5实验结果 引用 10压电定位系统及电机 10.1压电叠层执行器 10.1.1基本面 10.1.2机械预应力对堆栈性能的影响 10.1.3预应力堆栈的预滞后模型 10.2放大的压电致动器 10.2.1工作原则 10.2.2参数研究的数值模拟 10.2.3实验验证 10.3压电三形态执行器 10.3.1三种形态的预滞后模型 10.3.2基于模型的三形态滞后补偿 10.4压电马达 10.4.1线性压电马达 10.4.2旋转压电马达