Локация силового воздействия индикаторным пьезоэлектрическим MDS-покрытием по информативным импульсам тока
Автор: Паньков А.А.
Статья в выпуске: 6, 2024 года.
Бесплатный доступ
Разработана электромеханическая математическая модель нахождения локации одиночного силового воздействия - вдавливания жесткой шаровой частицы в сенсорную поверхность индикаторного пьезоэлектрического MDS-покрытия со встроенной двойной спиралью электродов. Рассмотрено формирование информативных электрических импульсов напряжения на дугах электродов двойной спирали в круговой зоне возмущения индикаторного покрытия как результата деформирования пьезоэлектрика между электродами при вдавливании жесткой шаровой частицы. Форма и длительность информативных электрических импульсов напряжения как функций от времени найдены по решению соответствующего дифференциального уравнения с учетом пьезоэлектрических и геометрических характеристик, величины, неравномерности, длительности и удаленности от эпицентра действующего на каждую из «пьезоячеек» - дуг возмущения сенсорной спирали «электрод/пьезоэлектрик/электрод» внутри круговой зоны возмущения индикаторного покрытия. Число генерируемых и регистрируемых импульсов пропорционально отношению радиуса зоны возмущения и шага сенсорной спирали индикаторного покрытия; при этом величина радиуса зоны возмущения пропорциональна диагностируемой силе . Получено простое и удобное для практического применения аналитическое решение локации - нахождения полярных координат эпицентра силового воздействия, при этом точность локации улучшается при увеличении числа витков спирали, т.е. при уменьшении шага сенсорной спирали относительно радиуса зоны возмущения.
Индикаторное покрытие, двойная спираль электродов, пьезоэлектрик, локация силового воздействия, жесткая шаровая частица, импульсы тока, численное моделирование
Короткий адрес: https://sciup.org/146283065
IDR: 146283065 | DOI: 10.15593/perm.mech/2024.6.04
Список литературы Локация силового воздействия индикаторным пьезоэлектрическим MDS-покрытием по информативным импульсам тока
- Tactile-sensing based on flexible PVDF nanofibers via electrospinning: a review / X. Wang, F. Sun, G. Yin [et al.] // Sensors. – 2018. – Vol. 18, no. 2. – P. 1–16. DOI: 10.3390/s18020330
- Ultra-sensitive strain sensor based on flexible poly(vinylidene fluoride) piezoelectric film / K. Lu, W. Huang, J. Guo [et al.] // Nanoscale Research Letters. – 2018. – Vol. 13, no. 83. – P. 1–6. DOI: 10.1186/s11671-018-2492-7
- A highly sensitive 3D-shaped tactile sensor / R. Koiva, M. Zenker, C. Schurmann [et al.] // Proceedings of the IEEE/ ASME International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics. Wollongong, Australia. 9-12 July 2013. – P. 1084–1089.
- Normal and shear force measurement using a flexible polymer tactile sensor with embedded multiple capacitors / H.K. Lee, J. Chung, S.I. Chang [et al.] // IEEE Journal of Microelectromechanical Systems. – 2008. – Vol. 17, no. 4. – P. 934–942. DOI: 10.1109/JMEMS.2008.921727
- Flexible capacitive tactile sensor array with truncated pyramids as dielectric layer for Three-Axis force measurement / G. Liang, Y. Wang, D. Mei [et al.] // IEEE Journal of Microelectromechanical Systems. – 2015. – Vol. 24, no. 5. – P. 1510–1519. DOI: 10.1109/JMEMS.2015.2418095
- Shearing force measurement device with a built-in integrated micro displacement sensor / T. Iwasaki, T. Takeshita, Y. Arinaga [et al.] // Sensors and Actuators A: Physical. – 2015. – No. 221. – P. 1–8. DOI: 10.1016/j.sna.2014.09.029
- A flexible polymer tactile sensor: Fabrication and modular expandability for large area deployment / H.K. Lee, S.I. Chang, E. Yoon // IEEE Journal of Micro-electromechanical Systems. – 2006. – Vol. 15, no. 6. – P. 1681–1686. DOI: 10.1109/JMEMS.2006.886021
- Yousef, H. Tactile sensing for dexterous in-hand manipulation in robotics – A review / H. Yousef, M. Boukallel, K. Althoefer // Sensors and Actuators A: Physical. – 2011. – No. 167. – P. 171–187. DOI: 10.1016/j.sna.2011.02.038
- Kappassov, Z. Tactile sensing in dexterous robot hands – Review / Z. Kappassov, J.A. Corrales, V. Perdereau // Robotics and Autonomous Systems. – 2015. – No. 74. – P. 195–220. DOI: 10.1016/j.robot.2015.07.015
- Artificial roughness encoding with a bio-inspired MEMS-based tactile sensor array / C.M. Oddo, L. Beccai, M. Felder [et al.] // Sensors. – 2009. – Vol. 9, no. 5. – P. 3161–3183. DOI: 10.3390/s90503161
- Kolesar Jr., E.S. Object imaging with a piezoelectric robotic tactile sensor / E.S. Kolesar Jr., C.S. Dyson // IEEE Journal of Micro-electromechanical Systems. – 1995. – Vol. 4, no. 2. – P. 87–96. DOI: 10.1109/NAECON.1993.290890
- Drimus, A. Object texture recognition by dynamic tactile sensing using active exploration / A. Drimus, M.B. Petersen, A. Bilberg // Proceedings of the 21st IEEE International Symposium on Robot and Human Interactive Communication. Paris, France. 9-13 September 2012. – P. 277–283.
- Development of a flexible 3-D tactile sensor system for anthropomorphic artificial hand / T. Zhang, H. Liu, L. Jiang [et al.] // IEEE Sensors Journal. – 2013. – No. 13. – P. 510–518. DOI: 10.1109/JSEN.2012.2220345
- Ramadan, K. A review of piezoelectric polymers as functional materials for electromechanical transducers / K. Ramadan, D. Sameoto, S. Evoy // Smart Materials and Structures. – 2014. – Vol. 23, no. 3. – P. 033001. DOI: 10.1088/0964-1726/23/3/033001
- Piezoelectric polymer transducer arrays for flexible tactile sensors / L. Seminara, L. Pinna, M. Valle [et al.] // IEEE Sensors Journal. – 2013. – Vol. 13, no. 10. – P. 4022–4029. DOI: 10.1109/JSEN.2013.2268690
- Hamdi, O. Piezoelectric cellular polymer films: Fabrication, properties and applications (Review) / O. Hamdi, F. Mighri, D. Rodrigue // AIMS Materials Science. – 2018. – Vol. 5, no. 5. – P. 845–869. DOI: 10.3934/matersci.2018.5.845
- Aleksandrova, M. Spray deposition of piezoelectric polymer on plastic substrate for vibrational harvesting and force sensing applications / M. Aleksandrova // AIMS Materials Science. – 2018. – Vol. 5, no. 6. – P. 1214–1222. DOI: 10.3934/matersci.2018.6.1214
- Rajala, S. Characteristics of piezoelectric polymer film sensors with solution-processable graphene-based electrode materials / S. Rajala, S. Tuukkanen, J. Halttunen // IEEE Sensors Journal. – 2015. – Vol. 15, no. 6. – P. 3102–3109. DOI: 10.1109/JSEN.2014.2344132
- Novel mechano-luminescent sensors based on piezoelectric/ electroluminescent composites / Y. Jia, X. Tian, Z. Wu [et al.] // Sensors. – 2011. – Vol. 11, no. 4. – P. 1–9. DOI: 10.3390/s110403962
- Patent US 2003/0056351 A1. Piezoelectric Macro-Fiber Composite Actuator and Method for Making Same / W.K. Wilkie [et al.] // Application Publ. March 27, 2003.
- Low-Computational-Cost Technique for Modeling Macro Fiber Composite Piezoelectric Actuators Using Finite Element Method / D. Emad, M.A. Fanni, A.M. Mohamed, S. Yoshida // Materials (Basel). – 2021. – No. 14(15). – P. 4316.
- Park, J.-S. Analytical development of single crystal Macro Fiber Composite actuators for active twist rotor blades / J.-S. Park, J.-H. Kim // Smart Materials and Structures. – 2005. – No. 14. – P. 745–753. DOI: 10.1088/0964-1726/14/4/033
- Патент RU № 2803015. Пьезоэлектрический MDS-актюатор / Паньков А.А., опубл.: 05.09.2023 Бюл. № 25, заявка № 2023109123 от 11.04.2023 г.
- Патент RU № 2801619. Пьезоэлектрический CDS-актюатор / Паньков А.А., опубл.: 11.08.2023 Бюл. № 23, заявка № 2023111440 от 03.05.2023 г.
- Патент RU № 2817399. Способ изготовления пьезоэлектрического MDS-актюатора / Паньков А.А., Опубликовано: 16.04.2024 Бюл. № 11, заявка № 2023126538 от 17.10.2023г.
- Патент RU № 2811420. Способ изготовления пьезоэлектрического CDS-актюатора / Паньков А.А., Опубликовано: 11.01.2024 Бюл. № 2, заявка № 2023127236 от 24.10.2023г.
- Вандышев, Г.К. Анализ особенностей работы пьезоэлектрического датчика давления на резистивную нагрузку / Г.К. Вандышев, Ю.А. Зюрюкин // Радиотехника и электроника. – 2001. – Т. 46, № 3. – С. 372–376.
- Победря, Б.Е. Механика композиционных материалов / Б.Е. Победря. – М.: Изд-во Моск. университета, 1984. – 336 c.
