LOCATION OF FORCE IMPACT BY INDICATOR PIEZOELECTRIC MDS COATING BASED ON INFORMATIVE VOLTAGE PULSES

Abstract


An electromechanical mathematical model is developed to locate a single force effect of pressing a rigid ball particle into the sensor surface of an indicator piezoelectric MDS coating with an integrated double spiral of electrodes. We consider formation of informative voltage pulses on arcs of electrodes of a double spiral in a circular perturbation zone of an indicator coating due to piezoelectric deformation between the electrodes when pressing a rigid ball particle. Shape and duration of informative voltage pulses as functions of time are found by solving the corresponding differential equation taking into account piezoelectric and geometric characteristics, value, nonuniformity, duration and distance from the epicentre of the electrode/piezoelectric/electrode disturbance arcs acting on each of the piezocells within the circular disturbance zone of the indicator coating. The number of pulses generated and recorded is proportional to the ratio of the perturbation zone radius and the sensor spiral pitch of the indicator coating. Here the perturbation zone radius is proportional to the diagnosed force. A simple, convenient and applicable solution of location is obtained, i.e. finding polar coordinates of the epicentre of the force effect, while the accuracy of the location improves when the number of the spiral turns increases, i.e. the pitch of the sensor spiral decreases, relative to the radius of the perturbation zone.

Full Text

Актуальной задачей сенсорной техники является совершенствование сенсорных индикаторных и тактильных полимерных покрытий для индикации и количественной оценки действующих на протяженную, в частности, аэродинамическую поверхность внешних силовых воздействий в виде ударов града, бетонной крошки из-под переднего колеса при взлете самолета с взлетно-посадочной полосы, частиц космического мусора с целью мониторинга сохранения прочностных и аэродинамических характеристик элементов аэрокосмической техники. Гибкие полимерные тактильные датчики (покрытия) [1 3] широко используют для измерения механических воздействий (сил, давления) [4 7] и/или физических и геометрических характеристик (текстуры, формы) внешних объектов (окружающей среды) в результате непосредственного контакта объекта с тактильной поверхностью, в частности, в устройствах высокоинтеллектуальной электроники, интерфейсах взаимодействия человека и машины, электронной коже для «очувствления» робототехничеких устройств [8 13]. Для создания тактильных датчиков (покрытий) используются различные принципы функционирования: резистивные, емкостные, пьезоэлектрические, трибоэлектрические, оптические и магнитные, при этом каждый механизм имеет уникальные преимущества для конкретных применений. В современные тактильные покрытия встраиваются различные функциональные чувствительные, например, резистивные проводящие, пьезоактивные [14 18] и механолюминесцентные [19] элементы. В гибких тактильных покрытиях широко используются пьезоэлектрические полимерные поливинилденфторидные пленки PVDF [16 18]. Характеристики тактильных датчиков определяются их активным слоем, который непосредственно воспринимает диагностируемые физические и/или механические величины из внешней среды: давление, температуру и деформацию и преобразовывает их в различные оптические или электрические сигналы: ток, напряжение, сопротивление и емкость. Пьезоэлектрический активный слой [14 18] функционирует через преобразование механической энергии в электрическую и, в результате, при внешнем силовом воздействии активным слоем генерируется информативный электрический заряд, величина которого пропорциональна значению измеряемой силы. Широкое применение в различных областях науки и, в частности, аэрокосмической техники находят современные MFC-актуаторы (сенсоры) [20 22], которые состоят из композитного пьезоэлектрического слоя в виде близко уложенных в один ряд однонаправленных пьезокерамических (PZT-5A) волокон в полимерном (эпоксидном) связующем. На верхней и нижней поверхности пьезоэлектрического слоя установлены пленочные «встречно-гребенчатые» взаимодействующие электроды (IDE), расстояния между соседними разнонаправленными прямолинейными узкими тонкими полосками электродов 0,5 мм, при этом полная толщина такого пленочного MFC-актуатора 0.3 мм. Дополнительное улучшение рабочих характеристик MFC-актюатора возможно посредством использования монокристаллических пьезоэлектрических волокон [22] вместо традиционно используемых поликристаллических пьезоэлектрических волокон в композитном пьезоактивном слое актюатора. По аналогии с устройством MFC-актуатора в [23, 24] предложены мембранные (MDS) [23] и цилиндрические (CDS) [24] пьезоэлектрические актюаторы (сенсоры) с двухзаходными, в частности: плоской или цилиндрической спиралями электродов, взаимодействующих через пьезоэлектрический слой (оболочку) с периодической взаимообратной поляризацией прослоек пьезоэлектрика между спиралями электродов. Способы: «скотч/нарезка» и «свертка развертки» изготовления MDS- и CDS-актюаторов(сенсоров) описаны в [25, 26] соответственно. Цель – разработка электромеханической математической модели формирования на встроенных электродах двойной спирали в круговой зоне возмущения индикаторного (сенсорного) пьезоэлектрического MDS-покрытия [23] информативных электрических импульсов напряжения при силовом воздействии вдавливании в сенсорную поверхность покрытия жесткой шаровой частицы для диагностирования величины и локации эпицентра силового воздействия.

About the authors

A. A Pan’kov

Perm National Research Polytechnic University, Perm, Russian Federation

References

  1. Wang X, Sun F, Yin G, et al. Tactile-sensing based on flexible PVDF nanofibers via electrospinning: a review // Sensors, 2018, Vol. 18, No. 2, pp. 1-16. https://doi.org/10.3390/s1802033
  2. Lu K, Huang W, Guo J, et al. Ultra-sensitive strain sensor based on flexible poly(vinylidene fluoride) piezoelectric film // Nanoscale Research Letters, 2018, Vol. 13, No. 83, pp. 1-6. https://doi.org/10.1186/s11671-018-2492-
  3. Koiva R, Zenker M, Schurmann C, et al. A highly sensitive 3D-shaped tactile sensor / Proceedings of the IEEE/ASME International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics. Wollongong, Australia. 9-12 July 2013, pp. 1084-1089
  4. Lee HK, Chung J, Chang SI., et al. Normal and shear force measurement using a flexible polymer tactile sensor with embedded multiple capacitors // IEEE Journal of Micro-electromechanical Systems, 2008, Vol. 17, No. 4, pp. 934-942. https://doi.org/10.1109/JMEMS.2008.92172
  5. Liang G, Wang Y, Mei D, et al. Flexible capacitive tactile sensor array with truncated pyramids as dielectric layer for Three-Axis force measurement // IEEE Journal of Micro-electromechanical Systems, 2015, Vol. 24, No. 5, pp. 1510-1519. https://doi.org/10.1109/JMEMS.2015.241809
  6. Iwasaki T, Takeshita T, Arinaga Y, et al. Shearing force measurement device with a built-in integrated micro displacement sensor // Sensors and Actuators A: Physical, 2015, No. 221, pp. 1-8. https://doi.org/10.1016/j.sna.2014.09.02
  7. Lee HK, Chang SI, Yoon E. A flexible polymer tactile sensor: Fabrication and modular expandability for large area deployment // IEEE Journal of Micro-electromechanical Systems, 2006, Vol. 15, No. 6, pp. 1681-1686. https://doi.org/10.1109/JMEMS.2006.88602
  8. Yousef H, Boukallel M, Althoefer K. Tactile sensing for dexterous in-hand manipulation in robotics - A review // Sensors and Actuators A: Physical, 2011, No. 167, pp. 171-187. https://doi.org/10.1016/j.sna.2011.02.03
  9. Kappassov Z, Corrales JA, Perdereau V. Tactile sensing in dexterous robot hands – Review // Robotics and Autonomous Systems, 2015, No. 74, pp. 195-220. https://doi.org/10.1016/j.robot.2015.07.01
  10. Oddo CM., Beccai L, Felder M, et al. Artificial roughness encoding with a bio-inspired MEMS-based tactile sensor array // Sensors, 2009, Vol. 9, No. 5, pp.3161-3183. https://doi.org/10.3390/s9050316
  11. Kolesar Jr ES, Dyson CS. Object imaging with a piezoelectric robotic tactile sensor // IEEE Journal of Micro-electromechanical Systems, 1995, Vol. 4, No. 2, pp. 87-96. https://doi.org/10.1109/NAECON.1993.29089
  12. Drimus A, Petersen MB., Bilberg A. Object texture recognition by dynamic tactile sensing using active exploration / Proceedings of the 21st IEEE International Symposium on Robot and Human Interactive Communication. Paris, France. 9-13 September 2012, pp. 277-283
  13. Zhang T, Liu H, Jiang L, et al. Development of a flexible 3-D tactile sensor system for anthropomorphic artificial hand // IEEE Sensors Journal, 2013, No. 13, pp. 510-518. https://doi.org/10.1109/JSEN.2012.222034
  14. Ramadan K, Sameoto D, Evoy S. A review of piezoelectric polymers as functional materials for electromechanical transducers // Smart Materials and Structures, 2014, Vol. 23, No. 3. pp. 033001. https://doi.org/10.1088/0964-1726/23/3/03300
  15. Seminara L, Pinna L, Valle M, et al. Piezoelectric polymer transducer arrays for flexible tactile sensors // IEEE Sensors Journal, 2013, Vol. 13, No. 10, pp. 4022-4029. https://doi.org/10.1109/JSEN.2013.226869
  16. Hamdi O, Mighri F, Rodrigue D. Piezoelectric cellular polymer films: Fabrication, properties and applications (Review) // AIMS Materials Science, 2018, Vol. 5, No. 5, pp. 845-869. https://doi.org/10.3934/matersci.2018.5.84
  17. Aleksandrova M. Spray deposition of piezoelectric polymer on plastic substrate for vibrational harvesting and force sensing applications // AIMS Materials Science, 2018, Vol. 5, No. 6, pp. 1214-1222. https://doi.org/10.3934/matersci.2018.6.121
  18. Rajala S, Tuukkanen S, Halttunen J. Characteristics of piezoelectric polymer film sensors with solution-processable graphene-based electrode materials // IEEE Sensors Journal, 2015, Vol. 15, No. 6, pp. 3102-3109. https://doi.org/10.1109/JSEN.2014.234413
  19. Jia Y, Tian X, Wu Z, et al. Novel mechano-luminescent sensors based on piezoelectric/electroluminescent composites // Sensors, 2011, Vol. 11, No. 4, pp. 1-9. https://doi.org/10.3390/s11040396
  20. Patent US 2003/0056351 A1. Piezoelectric Macro-Fiber Composite Actuator and Method for Making Same / Wilkie W.K., et al. Application Publ. March 27, 2003
  21. Emad D, Fanni MA, Mohamed AM, Yoshida S. Low-Computational-Cost Technique for Modeling Macro Fiber Composite Piezoelectric Actuators Using Finite Element Method // Materials (Basel), 2021, No. 14(15), pp. 4316
  22. Park J.-S., Kim J.-H. Analytical development of single crystal Macro Fiber Composite actuators for active twist rotor blades // Smart Materials and Structures, 2005, No. 14, pp. 745–753. doi: 10.1088/0964-1726/14/4/03
  23. Patent RU № 2803015. P'ezoelektricheskij MDS-aktyuator [Piezoelectric MDS actuator] / Pan'kov A.A., opubl.: 05.09.2023 Byul. № 25, zayavka № 2023109123 ot 11.04.2023 g. (in Russian
  24. Patent RU № 2801619. P'ezoelektricheskij CDS-aktyuator [Piezoelectric CDS actuator] / Pan'kov A.A., opubl.: 11.08.2023 Byul. № 23, zayavka № 2023111440 ot 03.05.2023 g. (in Russian
  25. Patent RU № 2817399. Sposob izgotovleniya p'ezoelektricheskogo CDS-aktyuatora [Manufacturing method of piezoelectric MDS-actuator] / Pan'kov A.A., opubl.: 16.04.2024 Byul. № 11, zayavka № 2023126538 ot 17.10.2023 g. (in Russian
  26. Patent RU № 2811420. Sposob izgotovleniya p'ezoelektricheskogo CDS-aktyuatora [Manufacturing method of piezoelectric CDS-actuator] / Pan'kov A.A., opubl.: 11.01.2024 Byul. № 2, zayavka № 2023127236 ot 24.10.2023 g. (in Russian
  27. Vandyshev G.K., Zyuryukin YU.A. Analiz osobennostej raboty p'ezoelektricheskogo datchika davleniya na rezistivnuyu nagruzku [Analysis of peculiarities of piezoelectric pressure sensor operation on resistive load] // Radiotekhnika i elektronika, 2001, T. 46, № 3, pp. 372 376
  28. Pobedrya B.E. Mekhanika kompozicionnyh materialov [Mechanics of composite materials]. Moscow: Moscow University Publisher, 1984, 336 p. (in Russia

Statistics

Views

Abstract - 3

PDF (Russian) - 1

Cited-By


PlumX


Copyright (c) 2024 Pan’kov A.A.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies