第1章 绪论 1
1.1 压电效应简介 1
1.2 基于晶体变形效应研究简介 9
1.2.1 压电弯曲效应研究 9
1.2.2 压电扭转效应研究 11
第2章 压电效应晶体物理学基础 15
2.1 晶体结构与对称性 15
2.1.1 晶体及其点阵结构 15
2.1.2 晶体对称性及对称元素 18
2.1.3 晶体的分类 20
2.2 晶体宏观物理性质与晶体对称性 22
2.2.1 晶体的宏观物理性质 22
2.2.2 用张量描述宏观物理性质 22
2.2.3 晶体对称性对晶体宏观物理性质的影响 24
2.3 传感器与执行器的物质效应模型 25
2.3.1 6种能量间的物质效应模型 25
2.3.2 3种能量间的物质效应G.Heckmann模型 31
第3章 压电效应力学基础 36
3.1 各向异性弹性力学基本方程 36
3.1.1 应力状态理论 36
3.1.2 应变状态理论 38
3.1.3 本构关系 40
3.1.4 静力学唯一性定理（Kirchhoff-Neumann唯一性定理） 42
3.2 各向异性弹性力学平面问题基本方程 43
3.2.1 平面应变问题 43
3.2.2 平面应力问题 46
3.3 各向异性弹性体的空间扭转问题 47
3.3.1 各向异性弹性体空间扭转问题基本方程 48
3.3.2 各向异性弹性体空间扭转问题的边界条件 51
3.3.3 各向异性弹性体空间扭转问题的解法 53
第4章 压电效应电学基础 56
4.1 自由空间的电磁场定律 56
4.1.1 自由空间的积分电磁场定律 56
4.1.2 自由空间的微分电磁场定律 57
4.1.3 场定律整体含义 58
4.1.4 电磁场边界条件 59
4.2 静电场标量位 59
4.2.1 静电场标量位的引入 60
4.2.2 静电场标量位的微分方程 60
4.3 有物质存在时的宏观场定律 60
4.3.1 极化强度的概念 61
4.3.2 极化电荷密度 61
4.4 各向异性介质宏观场定律 63
4.4.1 各向异性介质的一般特性 63
4.4.2 各向异性介质麦克斯韦方程组 64
4.4.3 各向异性介质标势满足的方程 64
4.4.4 各向异性介质标势所满足的边界条件 65
第5章 石英晶片拉压效应研究 67
5.1 石英压电效应基础知识 67
5.1.1 压电效应的机理 67
5.1.2 石英晶体的物理与机械性能 69
5.1.3 石英的压电机理 70
5.1.4 基于应力的压电效应及其表达式的建立 73
5.1.5 石英晶体的几何切型 74
5.2 石英晶片拉压效应数值计算 76
5.2.1 拉压应力计算 76
5.2.2 束缚电荷计算 77
5.2.3 束缚电场仿真 78
5.3 拉压效应的实验测定 79
5.3.1 拉压晶组组成 79
5.3.2 实验装置 80
5.3.3 实验结果 81
5.4 典型压电力学量传感器 81
5.4.1 单向压电式石英力传感器 81
5.4.2 压电式压力传感器 82
5.4.3 压电式加速度传感器 82
第6章 石英晶体弯曲效应研究 85
6.1 弯曲效应采用的石英晶柱结构 85
6.2 基本切型的纯弯曲效应的研究 86
6.2.1 弯曲效应应力和束缚电荷计算 86
6.2.2 极化电场模拟 88
6.2.3 弯曲效应实验 90
6.2.4 弯曲效应中晶体切型优化 94
6.3 基本切型的悬臂梁弯曲效应研究 96
6.3.1 弯曲应力计算 97
6.3.2 束缚电荷计算 98
6.3.3 极化电场模拟 99
6.3.4 实验与结果分析 100
6.4 基本切型的简支梁弯曲效应研究 102
6.4.1 弯曲应力计算 102
6.4.2 束缚电荷计算 103
6.4.3 极化电场模拟 104
6.4.4 实验与结果分析 105
6.5 基本切型的逆压电弯曲效应研究 107
6.5.1 压电方程 108
6.5.2 自由端致动位移 109
6.6 基于谐振器的双向微动机构的设计 111
6.6.1 石英谐振器弯曲振动模式 111
6.6.2 双向微动机构的设计 113
第7章 圆形石英晶片扭转效应研究 115
7.1 圆形石英晶片扭转效应的数值计算 115
7.1.1 扭转应力计算 116
7.1.2 束缚电荷密度计算 119
7.1.3 扭转极化电场仿真 120
7.1.4 石英晶片扭转效应的实验验证 122
7.1.5 扭转电荷灵敏度分布规律的研究 125
7.2 圆形石英晶片扭转效应的电荷分析法 128
7.2.1 晶片数量选择和扭矩测量晶组组成 128
7.2.2 实验结果与分析 129
7.2.3 实验误差分析 130
7.3 基于扭转效应的扭矩传感器结构设计 130
7.3.1 基于扭转效应的扭矩传感器的石英晶片尺寸计算 131
7.3.2 基于扭转效应的扭矩传感器的晶体盒尺寸计算 132
7.3.3 基于扭转效应的扭矩传感器的预紧力与量程计算 134
7.3.4 新型扭矩传感器的装配 136
7.4 新型扭矩传感器的性能标定 138
7.4.1 基于扭转效应的扭矩传感器的静态标定 138
7.4.2 基于扭转效应的扭矩传感器的动态标定 140
7.4.3 基于扭转效应的扭矩传感器的横向干扰测定 142
7.5 新型扭矩传感器在钻削测量中的应用 142
7.5.1 实验测量系统 142
7.5.2 实验设计 143
7.5.3 实验结果与分析 145
第8章 方形石英晶片扭转效应研究 148
8.1 方形石英晶片扭转效应数值计算 148
8.1.1 扭转应力计算 148
8.1.2 束缚电荷密度计算 153
8.1.3 检测电极布置 155
8.2 三向压电钻削测力仪结构设计 155
8.2.1 石英测量晶组方案选择 156
8.2.2 三向压电钻削测力仪壳体设计 157
8.2.3 三向压电钻削测力仪的横向干扰 158
8.2.4 三向压电钻削测力仪的预紧力与量程计算 160
8.2.5 三向压电钻削测力仪灵敏度的计算 163
8.3 三向压电钻削测力仪的动态特性分析 164
8.3.1 幅值误差与带宽 164
8.3.2 相位误差与带宽 165
8.4 三向压电钻削测力仪的标定 166
8.4.1 三向压电钻削测力仪的静态标定 166
8.4.2 三向压电钻削测力仪的向间干扰 168
8.4.3 三向压电钻削测力仪的动态标定 173
第9章 压电传感器静态和动态标定 175
9.1 压电传感器静态标定 175
9.1.1 静态误差的定义方法 176
9.1.2 采用“逐级加、卸载法”进行静态标定的方法与步骤 178
9.1.3 石英晶体力传感器技术性能指标 179
9.2 多功能压电测力仪静态标定台 180
9.2.1 多功能压电测力仪静态标定台原理与结构 180
9.2.2 滑动螺旋传动设计计算 184
9.2.3 精度与刚度 186
9.3 压电石英测力仪动态响应分析 188
9.3.1 测力仪的频率响应 188
9.3.2 动态误差与工作频带 191
9.4 电荷放大器对石英力传感器动态特性的影响 193
9.4.1 压电石英传感器的等效电路 194
9.4.2 电压放大器对压电传感器的频率响应特性的影响 194
9.4.3 电荷放大器对压电传感器的频率响应特性的影响 197
附录A 199
A.1 张量基本知识 199
A.1.1 张量的认识 199
A.1.2 张量的变换法则 201
A.2 弹性顺度系数的坐标变换 202
A.2.1 应力坐标变换 202
A.2.2 弹性顺度系数的坐标变换 204
A.3 压电系数的坐标变换 205
参考文献 206