Investigation of low-cost piezoelectric force sensor
Abstract
The use of piezoelectric force sensors is well-established in industrial systems and devices, but their adoption in consumer products has been limited due to the high cost of implementation as well as complex peripheral electronics. This paper proposes an alternative approach to force sensing using commonly available piezoelectric buzzer elements, which could potentially reduce the cost of such sensors and promote their integration into consumer products. The paper represents experimental investigations of output characteristics of two different piezoelectric force sensors, which are based on disc-shaped buzzers. The goal of the investigation is to indicate and experimentally confirm electromechanical characteristics of proposed piezoelectric sensors under different sensing and signal management conditions. The results of the investigations showed that piezo buzzers have the potential to serve as cost-effective force sensors in consumer products as well as in different mechatronic systems.
Article in English.
Pjezoelektrinių jėgos sensorių tyrimas
Santrauka
Pjezoeletriniai jėgos sensoriai jau seniai yra naudojami industrinėse sistemose ir prietaisuose. Bet šių jutiklių pritaikymas buitinėje technikoje bei kituose plataus vartojimo prietaisuose iki šiol buvo ribotas dėl didelių diegimo kaštų ir sudėtingos periferinės elektronikos, reikalingos pjezoelektrinių jėgos sensorių signalams interpretuoti. Šiame straipsnyje bus nagrinėjamas alternatyvus, plačiai paplitusių pjezogarsiakalbių (angl. piezo buzzer) panaudojimas jėgos matavimams atlikti. Straipsnyje pateikiami eksperimentiniai dviejų skirtingų pjezoelektrinių jėgos jutiklių, pagrįstų disko formos garsiakalbiais, charakteristikų tyrimai. Tyrimo tikslas – parodyti ir eksperimentiškai patvirtinti siūlomų pjezoelektrinių jutiklių elektromechanines charakteristikas skirtingomis matavimo ir signalo valdymo sąlygomis. Tyrimų rezultatai parodė, kad pjezogarsiakalbiai gali būti ekonomiški jėgos jutikliai tiek plataus vartojimo gaminiuose, tiek įvairiose mechatroninėse sistemose.
Reikšminiai žodžiai: jėgos jutiklis, jėgos matavimas, pjezoelektrinės medžiagos, disko formos pjezoelektriniai garsiakalbiai.
Keyword : force sensor, force measurement, piezoelectric materials, disc shaped piezoelectric buzzers
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.
References
Alibaba. (n.d.-b). TJL-1 grain silo solutions 5kN S Type Load Cell for digital scale. https://www.alibaba.com/product-detail/TJL-1-grain-silo-solutions-5kN_62245416184.html
Edsinger-Gonzales, A., & Weber, J. (2004). Domo: A force sensing humanoid robot for manipulation research. In 4th IEEE/RAS International Conference on Humanoid Robots (pp. 273–291), Santa Monica, CA, USA. https://doi.org/10.1109/ICHR.2004.1442127
Kim, K., Kim, J., Jiang, X., & Kim, T. (2021). Static force measurement using piezoelectric sensors. Journal of Sensors, 2021, 6664200. https://doi.org/10.1155/2021/6664200
Lee, J., Choi, W., Yoo, Y. K., Hwang, K. S., Lee, S.-M., Kang, S., Kim, J., & Lee, J. H. (2014). A micro-fabricated force sensor using an all thin film piezoelectric active sensor. Sensors, 14(12), 22199–22207. https://doi.org/10.3390/s141222199
Morales, A. R. R., & Zaghloul, M. E. (2018). Highly sensitive wearable piezoelectric force sensor with quasi-static load testing. IEEE Sensors Journal, 18(24), 9910–9918. https://doi.org/10.1109/JSEN.2018.2870396
Van den Ende, D. A., Groen, W. A., & Van der Zwaag, S. (2010). Development of temperature stable charge based piezoelectric composite quasi-static pressure sensors. Sensors and Actuators A: Physical, 163(1), 25–31. https://doi.org/10.1016/j.sna.2010.06.010