04-09-2025-Mechanical Measurements - Piezoelectric Accelerometer [EN]-[IT]

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ENGLISH

04-09-2025-Mechanical Measurements - Piezoelectric Accelerometer [EN]-[IT]
With this post, I would like to provide a brief introduction to the topic mentioned above.
(lesson/article code: QE_30)

Image created with artificial intelligence, the software used is Microsoft Copilot

Introduction
A piezoelectric accelerometer is a device that measures acceleration using the principle of piezoelectricity.
Below is a sketch of how it can be done.

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A piezoelectric accelerometer consists of a cover to protect the sensor from dust and moisture, an integrated circuit that amplifies and conditions the electrical signal generated by the crystal, a ground, a preload ring, a piezoelectric crystal, and an electrical connector.

How ​​a Piezoelectric Accelerometer Works

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A piezoelectric accelerometer works through 4 fundamental elements:
1- Piezoelectric material
2- Internal mass
3- Signal generation
4- Signal conditioning
Piezoelectric material
Inside the sensor is a piezoelectric crystal that generates an electric charge when subjected to a force.
Internal Mass
A mass is placed inside the sensor that exerts a force on the piezoelectric crystal when the sensor is accelerated.
Signal Generation
The force described above causes the crystal to deform, generating an electrical charge proportional to the acceleration.
Signal Conditioning
At this point, the charge is converted into an electrical signal that can be read and analyzed. Typically, a voltage is generated.

Essentially, when the sensor is subjected to acceleration, the seismic mass moves relative to the base. This movement exerts a force on the piezoelectric crystal, generating an electrical charge. The signal is amplified and then transmitted through the connector.
Frequency Response Function
The behavior of an accelerometer can be compared to a mass-spring-damper system.
The amplitude transfer function is as follows.

Where:
ω = angular frequency of excitation
ωn = natural frequency of the system
ζ = damping coefficient
The function above describes how the amplitude of the output signal varies as a function of the frequency of the applied acceleration.
Amplitude graph of the frequency response function
Below is the graph of amplitude (H) versus angular frequency (rad/s)

Image created with artificial intelligence, the software used is Microsoft Copilot

In this graph, I assumed a natural frequency ωn of 100 rad/s and a damping of 0.005.
The graph shows a resonance peak around the system's natural frequency where the system responds with maximum amplitude, then after the peak, the amplitude rapidly decreases.
Conclusions
A piezoelectric accelerometer is useful for measuring vibrations or shocks due to its high sensitivity and rapid response. It can be applied:

• to monitor the vibrations of industrial machinery
• to perform structural analyses
• to conduct automotive testing
• to be used in medical devices.

Question
The piezoelectric accelerometer does not have a single inventor. But did you know that the concept of the piezoelectric effect was discovered by the brothers Pierre and Jacques Curie? Did you know that Pierre Curie later married Marie Skłodowska, known as Marie Curie?

ITALIAN

04-09-2025-Misure meccaniche - Accelerometro piezoelettrico [EN]-[IT]
Con questo post vorrei dare una breve istruzione a riguardo dell’argomento citato in oggetto
(codice lezione/articolo: QE_30)

immagine creata con l’intelligenza artificiale, il software usato è Microsoft Copilot

Introduzione
Un accelerometro piezoelettrico è un dispositivo che misura l’accelerazione sfruttando il principio della piezoelettricità.
Qui di seguito uno schizzo di come può essere fatto

immagine creata con l’intelligenza artificiale, il software usato è Microsoft Copilot

Un accelerometro piezoelettrico è costituito da una copertura per proteggere il sensore dalla polvere e dall’umidità, da un circuito integrato che amplifica e condizione il segnale elettrico generato dal cristallo, da una massa, da un anello di precarico, da un cristallo piezoelettrico e da un connettore elettrico.

Il funzionamento di un accelerometro piezoelettrico

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Un accelerometro piezoelettrico funziona tramite 4 elementi fondamentali:
1-Materiale piezoelettrico
2-Massa interna
3-Generazione del segnale
4-Condizionamento del segnale
Materiale piezoelettrico
All’interno del sensore c’è un cristallo piezoelettrico che genera una carica elettrica quando viene sottoposto ad una forza.
Massa interna
All’interno è posta una massa la quale esercita una forza sul cristallino piezoelettrico quando il sensore subisce un’accelerazione.
Generazione del segnale
La forza descritta prima provoca una deformazione del cristallo che genera ua carica elettrica proporzionale all’accelerazione in gioco.
Condizionamento del segnale
A questo punto la carica viene convertita in un segnale elettrico che può essere letto e analizzato. Solitamente viene generata una tensione.

Sostanzialmente quando il sensore è sottoposto ad un'accelerazione il movimento della massa sismica si muove rispetto alla base. Questo movimento esercita una forza sul cristallo piezoelettrico che genera una carica elettrica. Il segnale viene amplificato e poi viene trasmesso attraverso il connettore.
Funzione di risposta in frequenza
Il comportamento di un accelerometro può essere paragonato ad un sistema massa-molla-smorzatore.
La funzione di trasferimento in ampiezza è la seguente.

Dove:
ω=frequenza angolare di eccitazione
ωn=frequenza naturale del sistema
ζ=il coefficiente di smorzamento
La funzione riportata sopra descrive come l’ampiezza del segnale di uscita varia in funzione della frequenza dell’accelerazione applicata.
Grafico dell’ampiezza della funzione di risposta in frequenza
Qui di seguito il grafico dell’ampiezza (H) in relazione alla frequenza angolare (rad/s)

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In questo grafico ho considerato una frequenza naturale ωn di 100 rad/s e uno smorzamento di 0,005.
Il grafico mostra un picco di risonanza attorno alla frequenza naturale del sistema dove il sistema risponde con la massima ampiezza, poi successivamente al picco, l’ampiezza decresce rapidamente.
Conclusioni
Un accelerometro piezoelettrico è utile per misurare vibrazioni o urti grazie alla sua caratteristica di elevata sensibilità e risposta rapida. Esso può essere applicato:
-nel monitoraggio delle vibrazioni dei macchinari industriali
-per eseguire analisi strutturali
-per fare test automobilistici
-può essere utilizzato in dispositivi medici.

Domanda
L’accelerometro piezoelettrico non ha un unico inventore. Sapevate però che il concetto dell'effetto piezoelettrico fu scoperto dai fratelli Pierre e Jacques Curie? Lo sapevate che Pierre Curie poi sposò Marie Skłodowska, nota come Marie Curie?

THE END