磁致伸缩生物传感器系统理论和技术

人工智能时代的到来，激发了传感器更为广泛的应用，本书以实用的角度对磁致伸缩传感器进行了系统且全面的介绍，可帮助读者迅速了解磁致伸缩传感器技术内涵、基本原理，并给出了其设计实践，为相关研究人员提供了十分有益的参考！ 

《磁致伸缩生物传感器系统理论和技术》共5章，第1章为绪论，主要介绍了研究背景、常规检测技术及生物传感技术原理和优缺点;第2章为磁致伸缩生物传感器换能材料磁性物理基础，介绍了与磁致伸缩生物传感器换能材料相关的磁学基础理论，包括磁学物理量、物质的磁性、磁畴结构、磁化及磁性能等;第3章为磁介质中的电磁场，介绍了与磁致伸缩生物传感器驱动力相关的电磁场基础理论，包括麦克斯韦方程、时谐电磁场在空间的传播、平面波在介质中的传播、波动方程、涡流损耗等;第4章为磁致伸缩弹性体振动，介绍了与磁致伸缩生物传感器系统紧密相关的振动基础理论，包括单自由度振动、多自由度振动、连续弹性体无阻尼受迫振动、阻尼受迫振动、模态分析等;第5章为磁致伸缩生物传感器系统设计和检测技术，介绍了磁致伸缩生物传感器的制备与检测技术、灵敏度影响因素、系统优化设计理论、当前的不足及未来的发展趋势。

张克维， 2010年12月获美国奥本大学材料科学系博士学位， 2011年1月至2012年1月任美国橡树岭国家实验室博士后。现任太原科技大学材料科学与工程学院副院长，副教授，硕士生导师，2015年度山西省高等学校青年学术带头人，2016年度山西省高等学校“131”领军人才，2018年度山西省“三晋英才”支持计划青年人才，主要从事纳米材料、磁功能材料制备、表征及其在生物传感器和驱动器应用领域的研究。
2014年至2016年成功主持国家青年科学基金项目《无线无源微型生物导弹技术研究》，揭示了磁致伸缩弹性体在交变磁场中发生“蛇移”现象的物理原因和动力学本质，为高频电磁场控制微型生物导弹运动创建了新技术、填补新理论。
近年来，主持1项国家自然科学基金项目，6项省部级科研项目及2项山西省人才支持计划项目。发表学术论文35篇，其中以首作者/通讯作者发表SCI论文16篇， 出版英文专著1部，授权发明专利11件，担任《Journal of Sensors》的客座编辑及《Sensors and Actuators A: Physical》、《Smart Materials and Structures》等多个SCI源期刊特邀审稿人。

目 录

前言
第1章 绪论 1
1.1 常见食源性病菌 1
1.2 常规检测技术 3
1.2.1 平板菌落计数法 3
1.2.2 酶联免疫吸附测定法 5
1.2.3 聚合酶链反应 7
1.2.4 荧光免疫分析法 8
1.2.5 放射免疫分析法 9
1.3 生物传感器概述 9
1.3.1 生物传感器系统的组成 9
1.3.2 生物传感器系统的常见种类 11
第2章 磁致伸缩生物传感器换能材料磁性物理基础 18
2.1 原子磁矩 18
2.2 磁化及磁化强度 21
2.3 物质的磁性 22
2.4 磁畴结构 28
2.5 物质的磁化 31
2.6 磁性物质的基本现象 36
第3章 磁致伸缩生物传感器换能材料中的电磁场 40
3.1 麦克斯韦方程 40
3.1.1 全电流定律 41
3.1.2 复矢量形式的麦克斯韦方程 42
3.1.3 限定形式的麦克斯韦方程 43
3.2 电磁波的波动方程 44
3.2.1 无源区电磁波的波动方程 44
3.2.2 有源区电磁波的波动方程 45
3.3 电磁场的达朗贝尔方程 45
3.4 电磁场的边界条件 46
3.5 坡印廷定理和坡印廷矢量 53
3.5.1 坡印廷定理 53
3.5.2 等效复介电常数和复磁导率 55
3.5.3 平均坡印廷矢量和复数形式的坡印廷定理 57
3.6 理想介质中的均匀平面波 60
3.6.1 理想介质中的均匀平面波函数 61
3.6.2 理想介质中的均匀平面波的传播特点 62
3.7 导电媒质中的均匀平面波 66
3.7.1 导电媒介中的均匀平面波函数 66
3.7.2 弱导电媒介中的均匀平面波函数 69
3.7.3 良导体中的均匀平面波函数 70
3.7.4 色散媒质中电磁波的群速 73
3.8 磁化铁氧体中的均匀平面波 74
3.8.1 磁化铁氧体中的张量磁导率 75
3.8.2 磁化铁氧体中的均匀平面波 78
3.9 平面波的极化特性 79
3.10 均匀平面电磁波在边界上的反射及透射 82
3.10.1 均匀平面电磁波向平面分界面的垂直入射 82
3.10.2 均匀平面电磁波向多层边界面的垂直入射 87
3.11 双材料磁致伸缩换能器的涡流计算 89
3.11.1 双材料内部磁场强度分布 90
3.11.2 换能器复合材料内部磁场强度和涡流分布 94
3.12 常见电磁场传播方程的求解 100
3.12.1 直角坐标系的分离变量法 100
3.12.2 极坐标系下的分离变量法 103
3.12.3 球坐标系下的分离变量法 106
第4章 磁致伸缩弹性体振动 112
4.1 有阻尼单自由度系统的自由振动 112
4.1.1 过阻尼状态（ζ >1） 113
4.1.2 欠阻尼状态（ζ <1） 114
4.1.3 临界阻尼状态（ζ =1） 116
4.2 简谐激励下有阻尼单自由度系统的受迫振动 116
4.2.1 简谐激励下受迫振动的解 116
4.2.2 简谐激励下稳态振动响应的特点 119
4.3 任意周期激励下有阻尼单自由度系统的受迫振动 126
4.3.1 周期激励下的受迫振动 126
4.3.2 非周期激励下的受迫振动 127
4.3.3 积分变换法求解非周期激励下的受迫振动 131
4.4 简谐激励下有阻尼多自由度系统的受迫振动 135
4.4.1 二自由度系统的受迫振动 136
4.4.2 三自由度系统的受迫振动 137
4.5 拉格朗日方程 139
4.6 模态叠加法对运动解耦 143
4.7 简谐激励下连续系统的受迫振动 148
4.7.1 磁致伸缩弹性杆的纵向自由振动 148
4.7.2 磁致伸缩弹性杆的纵向受迫振动 154
4.7.3 磁致伸缩弹性梁的自由弯曲振动 157
4.7.4 磁致伸缩弹性梁的横向受迫振动 161
4.7.5 悬臂梁无阻尼强迫振动的稳态响应 161
4.7.6 微悬臂梁传感器的应用 163
第5章 磁致伸缩生物传感器系统设计和检测技术 164
5.1 磁致伸缩生物传感器系统的功能模块 164
5.1.1 磁致伸缩生物传感器系统的组成 164
5.1.2 磁致伸缩生物传感器信号激励检测设备及其原理 166
5.2 频域技术检测 167
5.3 时域技术检测 172
5.4 磁致伸缩生物传感器的制备 175
5.4.1 磁致伸缩换能器的制备 175
5.4.2 生物探针的固定 176
5.4.3 病菌检测实验装置 177
5.5 MSP生物传感器对病菌的检测 178
5.5.1 沙门氏菌的检测 178
5.5.2 大肠杆菌的检测 181
5.5.3 金黄色葡萄球菌的检测 181
5.5.4 阻断剂对磁致伸缩生物传感器性能的影响 182
5.6 MSMC生物传感器对病菌的检测 184
5.7 MSP生物传感器对食

前言

磁致伸缩生物传感技术是近十几年发展起来的新兴传感技术，由于其具有低成本、快速、无线无源、原位检测、无线互联网连接便利的特色和优势，使其在多个领域具有广泛的应用前景。本书详细介绍了磁致伸缩生物传感器工作原理、系统理论和应用进展。由于磁致伸缩生物传感器系统设计和应用系多学科融合技术，涉及的学科领域比较广泛，包括材料科学、机械振动、电磁场理论、生物学、电子工程等方面的知识，为了让读者能够深入系统地掌握磁致伸缩生物传感器系统设计和优化技术，本书将详细介绍相关学科的基础理论，以及在磁致伸缩生物传感器系统设计和优化中的应用。
《磁致伸缩生物传感器系统理论和技术》共5章，第1章为绪论，主要介绍了研究背景、常规检测技术及生物传感技术原理和优缺点;第2章为磁致伸缩生物传感器换能材料磁性物理基础，介绍了磁致伸缩生物传感器换能材料相关的磁学基础理论，包括磁学物理量、物质的磁性、磁畴结构、磁化及磁性能等;第3章为磁介质中的电磁场，介绍了与磁致伸缩生物传感器驱动力相关的电磁场基础理论，包括麦克斯韦方程、时谐电磁场在空间的传播、平面波在介质中的传播、波动方程、涡流损耗等;第4章为磁致伸缩弹性体振动，介绍了与磁致伸缩生物传感器系统紧密相关的振动基础理论，包括单自由度振动、多自由度振动、连续弹性体无阻尼受迫振动、阻尼受迫振动、模态分析等;第5章为磁致伸缩生物传感器系统设计和检测技术，介绍了磁致伸缩生物传感器的制备与检测技术、灵敏度影响因素、系统优化设计理论、当前的不足及未来的发展趋势。
《磁致伸缩生物传感器系统理论和技术》可供高等院校传感器技术及相关专业的学生、教师，以及食品安全、医疗卫生、药检质检、环境监测等部门的工程师、科研人员和分析检验人员学习参考。
《磁致伸缩生物传感器系统理论和技术》的出版得到了国家自然科学基金项目（No.51305290）、山西省重点研发计划（国际科技合作）（No.201803D421046）、山西省研究生联合培养基地人才培养项目（No.2018JD35）、山西省高校“131”领军人才工程支持计划项目、人力资源和社会保障部2016年度留学回国人员科技活动择优资助项目、磁电功能材料及应用山西省重点实验室、磁电子材料与器件山西省“1331工程”重点创新团队、清洁能源与现代交通装备关键材料及基础件山西省服务产业创新学科群、山西省关键基础材料协同创新中心建设计划的支持。
由于作者水平有限，书中难免存在不足和疏漏之处，恳请读者批评指正。
张克维