ЖУРНАЛ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ. ISSN 1684-1719. 2022. №8
Оглавление выпускаТекст статьи (pdf)
DOI: https://doi.org/10.30898/1684-1719.2022.8.3
УДК: 53.083.2; 53.082.73; 534.13
ЭЛЕКТРО-МЕХАНИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ТАКТИЛЬНОГО ПОЛИМЕРНОГО
ОПТОВОЛОКОННОГО ПЬЕЗОЭЛЕКТРОЛЮМИНЕСЦЕНТНОГО ПОКРЫТИЯ
А.А. Паньков, П.В. Писарев, С.Р. Баяндин
Пермский национальный исследовательский политехнический университет,
614990, Пермь, Комсомольский пр-кт, д. 29
Статья поступила в редакцию 7 июня 2022 г.
Аннотация. Разработана электро-механическая модель функционирования тактильного полимерного покрытия со встроенным оптоволоконным пьезоэлектролюминесцентным (PEL) датчиком и множеством ворсинок (вибрисс) на поверхности покрытия вдоль датчика. Локальное деформирование покрытия и встроенного в него датчика осуществляется в зонах возмущений – локальных областях покрытия (датчика) вблизи мест консольных закреплений ворсинок при их контактах с анализируемым объектом. Механолюминесцентный эффект возникает на деформированных участках датчика при воздействии электрического поля участка его пьезоэлектрического слоя на смежный участок электролюминесцентного слоя. Осуществлены моделирование и анализ возникающих в пьезоэлектрическом и электролюминесцентном слоях датчика существенно неоднородных деформационных и электрических полей, выявлены характерные формы генерируемых информативных световых сигналов для различных случаев деформирования ворсинок ‑ изгибов в различных плоскостях и кручения в результате контакта торцов ворсинок с поверхностью анализируемого объекта.
Ключевые слова: тактильное покрытие, ворсинки, встроенный оптоволоконный датчик, механолюминесцентный эффект, пьезоупругость, численное моделирование.
Финансирование: Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ и Пермского края в рамках научного проекта № 20-41-596010.
Автор для переписки: Паньков Андрей Анатольевич, a_a_pankov@mail.ru
Литература
1. Wang X., Sun F., Yin G., Wang Y., Liu B., Dong M. Tactile-sensing based on flexible PVDF nanofibers via electrospinning: a review. Sensors. 2018. V.18. №2. P.1-16.
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. V.13. №83. P.1-6.
3. Koiva R., Zenker M., Schurmann C., Haschke R., Ritter H.J. A highly sensitive 3D-shaped tactile sensor. Proceedings of the IEEE/ASME International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics. Wollongong, Australia. 9-12 July 2013. P.1084-1089.
4. Yousef H., Boukallel M., Althoefer K. Tactile sensing for dexterous in-hand manipulation in robotics – A review. Sensors and Actuators A: Physical. 2011. V.167. P.171-187.
5. Kappassov Z., Corrales J.-A., Perdereau V. Tactile sensing in dexterous robot hands – Review. Robotics and Autonomous Systems. 2015. V.74. P.195-220.
6. Oddo C.M., Beccai L., Felder M., Giovacchini F., Carrozza M.C. Artificial roughness encoding with a bio-inspired MEMS-based tactile sensor array. Sensors. 2009. V.9. №5. P.3161-3183.
7. Kolesar Jr E.S., Dyson C.S. Object imaging with a piezoelectric robotic tactile sensor. IEEE Journal of Micro-electromechanical Systems. 1995. V.4. №2. P.87-96.
8. Drimus A., Petersen M.B., 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. P.277-283.
9. Zhang T., Liu H., Jiang L., Fan S., Yang J. Development of a flexible 3-D tactile sensor system for anthropomorphic artificial hand. IEEE Sensors Journal. 2013. V.13. P.510-518.
10. Lee H.-K., Chung J., Chang S.-I., Yoon E. Normal and shear force measurement using a flexible polymer tactile sensor with embedded multiple capacitors. IEEE Journal of Micro-electromechanical Systems. 2008. V.17. №4. P.934-942.
11. Liang G., Wang Y., Mei D., Xi K., Chen Z. Flexible capacitive tactile sensor array with truncated pyramids as dielectric layer for Three-Axis force measurement. IEEE Journal of Micro-electromechanical Systems. 2015. V.24. №5. P.1510-1519.
12. Iwasaki T., Takeshita T., Arinaga Y., Uemura K., Ando H., Takeuchi S., Furue M., Higurashi E., Sawada R. Shearing force measurement device with a built-in integrated micro displacement sensor. Sensors and Actuators A: Physical. 2015. V.221. P.1-8.
13. Lee H.-K., Chang S.-I., Yoon E. A flexible polymer tactile sensor: Fabrication and modular expandability for large area deployment. IEEE Journal of Micro-electromechanical Systems. 2006. V.15. №6. P.1681-1686.
14. Ramadan K., Sameoto D., Evoy S. A review of piezoelectric polymers as functional materials for electromechanical transducers. Smart Materials and Structures. 2014. V.23. №3. P.033001.
15. Seminara L., Pinna L., Valle M., Basiricò L., Loi A., Cosseddu P., Bonfiglio A., Ascia A., Biso M., Ansaldo A. Piezoelectric polymer transducer arrays for flexible tactile sensors. IEEE Sensors Journal. 2013. V.13. №10. P.4022-4029.
16. Hamdi O., Mighri F., Rodrigue D. Piezoelectric cellular polymer films: Fabrication, properties and applications (Review). AIMS Materials Science. 2018. V.5. №5. P.845-869.
17. Aleksandrova M. Spray deposition of piezoelectric polymer on plastic substrate for vibrational harvesting and force sensing applications. AIMS Materials Science. 2018. V.5. №6. P.1214-1222.
18. Rajala S., Tuukkanen S., Halttunen J. Characteristics of piezoelectric polymer film sensors with solution-processable graphene-based electrode materials. IEEE Sensors Journal. 2015. V.15. №6. P.3102-3109.
19. Dahiya R.S., Valle M., Lorenzelli L. SPICE model for lossy piezoelectric polymers. IEEE transactions on ultrasonics, ferroelectrics, and frequency control. 2009. V.56. №6. P.387-395.
20. Yu P., Liu W., Gu C., Cheng X., Fu X. Flexible piezoelectric tactile sensor array for dynamic three-axis force measurement. Sensors. 2016. V.16. №6. P.1-15.
21. Zhang J., Zhou L.J., Zhang H.M., et al. Highly sensitive flexible three-axis tactile sensors based on the interface contact resistance of microstructured graphene. Nanoscale. 2018. V.10. №16. P.7387-7395.
22. Patent US №6399939. Sundaresan M.J., Ghoshal A., Schulz M.J. Sensor array system. Application Date: 13.06.2000. Publication Date: 04.06.2002.
23. Gauthier D., Mueller A., White R.D., et al. Micromachined lateral force sensors for characterization of microscale surface forces during chemical mechanical polishing / MRS Online Proceedings Library. 2008. V.1085: Symposium T – Nanoscale Tribology-Impact for Materials and Devices. P.1085-T05-11.
24. Jia Y., Tian X., Wu Z., et al. Novel mechano-luminescent sensors based on piezoelectric/electroluminescent composites. Sensors. 2011. V.11. №4. P.1-9.
25. Патент РФ №2630537. Паньков А.А. Волоконно-оптический датчик давления. Дата заявки: 06.09.2016. Дата публикации: 11.09.2017.
26. Патент РФ №2643692. Паньков А.А. Волоконно-оптический датчик объемного напряженного состояния. Дата заявки: 04.04.2017. Дата публикации: 05.02.2018.
27. Патент РФ №2733093. Паньков А.А. Способ измерения распределенных параметров физико-механических величин. Дата заявки: 14.01.2020. Дата публикации: 29.09.2020.
28. Pan’kov A.A. Piezoelectroluminescent fiber-optic sensors for temperature and deformation fields. Sensors and Actuators A: Physical. 2019. V.288. P.171-176.
29. Патент РФ №2698958. Паньков А.А. Сенсорная система. Дата заявки: 21.12.2018. Дата публикации: 02.09.2019.
30. Pan’kov A.A. Indicator polymer coating with built-in fiber optic piezosensor. IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering. 2021. V.1029. P.012072. http://dx.doi.org/10.1088/1757-899X/1029/1/012057
31. Паньков А.А. Электро-механическая модель индикаторного полимерного оптоволоконного PEL-покрытия механических воздействий. Журнал радиоэлектроники [электронный журнал]. 2021. №7. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2021.7.1
32. Krauya U.E., YAnsons Y.L. Mechanoluminescence of composite materials: Methods, equipment and results of researches. Riga, Zinatne. 1990. 152 p.
33. Паньков А.А. Статистическая механика пьезокомпозитов. Пермь, Изд-во Перм. гос. техн. ун-та. 2009. 480 с.
Для цитирования:
Паньков А.А., Писарев П.В., Баяндин С.Р. Электро-механическая модель тактильного полимерного оптоволоконного пьезоэлектролюминесцентного покрытия. Журнал радиоэлектроники [электронный журнал]. 2022. №8. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2022.8.3