Instrumentation

Instrumentation Ali Karimpour Associate Professor Ferdowsi University of Mashhad

An Introduction to Piezoelectric Transducers By Hasan Saravy

Piezoelectric Effect • The ability of some materials Mechanical stress Electrical potential How?

Physics of Piezoelectricity Asymmetries in the crystallographic structure Applied force Polarization (separate charges) Potential diff.

Definition of Piezoelectricity Perpendicular polarization Polarization in the same direction as the stress Null polarization

Materials that exhibit piezoelectric effect • Synthetic crystals: • Langasite (La3Ga5SiO14) • Gallium orthophosphate (GaPO4) • Synthetic ceramics: • Barium titanate (BaTiO3) • Sodium tungstate (Na2WO3) • Polymers: • Polyvinylidene fluoride (PVDF) • Some of semiconductors • Natural materials: • Quartz • Sucrose • Wood, silk, etc. • In body: • Bone, Tendon, DNA, etc.

Piezoelectric Sensors • A piezoelectric sensor measures changesin pressure, acceleration, strain, or force by converting them to an electrical charge. • For the measurement of various processes (dynamic events). • Piezoelectric sensors act as a high-pass filter.

Piezoelectric Sensors • Frequency response of a piezoelectric sensor; output voltage vs applied force Why?

Applications • The most common physical quantities can be measured are pressure, strain and force.

Applications • For measuring acceleration (lead to measuring vibration in pumps, motors, etc.) F

Applications • Ultrasonic transducers • Based on piezoelectric material • For converting ultrasound waves (sound pressure) to electrical signals and vice versa • In different frequency depend upon the applications

Applications • Ultrasonic transducers • Measuring distance Fluid Level

Applications • Ultrasonic transducers • Object Detection (for smart parking)

PCB Piezotronics Inc. • For 30 years, PCB Piezotronics has been manufacturing piezoelectric sensors for dynamic pressure, force, vibration, and shock, measurements.

For example (Model 102B03) • Dynamic pressurequarts sensor • Suited for high-temperature shock andblast measurements and for other applications requiring very high frequency, near non-resonant response.

For example (Model 102B03)

Why do we use piezo sensors? • Small size • Light weight • 2-wire operation • Wide temperature range • Ultra low noise • Simple signal conditioning • Broad frequency range • Stability • Linearity

Drawback • Cannot be used for truly static measurements. • In conventional readout electronics, imperfect insulating materials and reduction in internal sensor resistance causes a constant loss of electrons and yields a decreasing signal.

Questions • چه موادی خاصیت پیزوالکتریک دارند؟ موادی که دارای ساختار کریستالی غیر متقارن هستند. در این صورت با وارد آمدن نیرو و فشرده شدن ماده، ملکول ها قطبیده شده و در دو سمت ملکول ها اختلاف پتانسیل به وجود می آید. در نتیجه وقتی فشار وارد می آید، در دو جهت از ماده ولتاژ برقرار می شود. • شتاب سنج های پیزوالکتریک چگونه شتاب را اندازه می گیرند؟ در این شتاب سنج ها جسمی را بر روی یک ماده پیزوالکتریک قرار داده. هرگاه دستگاه شتاب بگیرد، جسم بر ماده پیزو، نیرو وارد می کند و در نهایت منجر به ایجاد ولتاژ بر دو سر ماده پیزو می شود. در واقع شتاب به نیرو و نیرو به اختلاف پتانسیل تبدیل می شود.

Questions • چگونه با مواد پیزوالکتریک فاصله بین اجسام را اندازه می گیرند؟ با استفاده از این مواد می توان امواج صوت را تولید و دریافت نمود. در تولید صوت، با ایجاد ولتاژ (با فرکانس مناسب) بر دو سر ماده پیزو، این ماده شروع به ارتعاش می کند و این ارتعاش منجر به ایجاد موج مکانیکی در محیط می شود. در دریافت صوت، موج به ماده پیزو برخورد کرده و منجر به ارتعاش آن می شود. این ارتعاش، ولتاژی (با فرکانس صوت) بر دو سر ماده پیزو ایجاد می کند. برای اندازه گیری فاصله، تولید کننده و دریافت کننده، کنار هم در یک جهت قرار دارند. با تولید موج، موج به جسم مورد نظر برخورد می کند و بازتاب کرده و به دریافت کننده می رسد. با اندازه گیری زمان رفت و برگشت موج و با دانستن سرعت صوت می توان فاصله میان سنسور و جسم مورد نظر را یافت.

Instrumentation