ЖУРНАЛ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ. eISSN 1684-1719. 2025. №9

УДК: 53.083.2; 53.082.73; 534.13

СТАТИЧЕСКИЙ И ДИНАМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ЭЛЕКТРОУПРУГИХ
ХАРАКТЕРИСТИК ТАКТИЛЬНОГО ПОЛИМЕРНОГО ПОКРЫТИЯ
СО ВСТРОЕННЫМ ОПТОВОЛОКОННЫМ
ПЬЕЗОЭЛЕКТРОЛЮМИНЕСЦЕНТНЫМ ДАТЧИКОМ

А.А. Паньков

Пермский национальный исследовательский политехнический университет,
614990, Пермь, Комсомольский пр-кт, д. 29

Статья поступила в редакцию 11 июня 2025 г.

Аннотация. Разработана математическая электро-механическая модель функционирования тактильного полимерного покрытия в виде полимерной подложки с присоединенной к поверхности спиралью оптоволоконного пьезоэлектролюминесцентного датчика при точечном силовом взаимодействии с исследуемым объектом. Предложен алгоритм локации внешнего одиночного воздействия. Для представительного фрагмента системы «подложка/датчик» осуществлен расчет и построение эпюр напряжений и электрических потенциалов в датчике при статическом обобщенном силовом воздействии. Представлены результаты расчета частотных зависимостей действительных и мнимых частей информативных передаточных коэффициентов, которые устанавливают функциональную связь между искомыми величинами действующих внешних одноточечных обобщенных сил и значениями возникающих электрических напряжений на электролюминесцентных элементах датчика с учетом максвелл-вагнеровской релаксации электрических полей в пьезоэлектрических и электролюминесцентных элементах датчика при гармоническом обобщенном силовом воздействии. Модальный анализ представлен найденными первыми шестью собственными частотами и формами колебаний представительного фрагмента системы «подложка/датчик». Для каждой из шести форм колебаний рассчитаны распределения по продольной координате датчика амплитуд электрических напряжений для всех шести секторов датчика; эти зависимости определяют формы световых импульсов, измеряемых на выходе из световода датчика.

Ключевые слова: пьезоэлектролюминесцентция, электроупругость, тактильное покрытие, оптоволоконный датчик, максвелл-вагнеровская релаксация, модальный анализ, численное моделирование.

Финансирование: Результаты получены при выполнении государственного задания Министерства науки и высшего образования Российской Федерации на выполнение фундаментальных научных исследований (проект № FSNM-2023-0006).

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. https://doi.org/10.3390/s18020330

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. https://doi.org/10.1186/s11671-018-2492-7

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. https://doi.org/10.1109/AIM.2013.6584238

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. https://doi.org/10.1016/j.sna.2011.02.038

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. https://doi.org/10.1016/j.robot.2015.07.015

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. https://doi.org/10.3390/s90503161

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. https://doi.org/10.1109/NAECON.1993.290890

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. https://doi.org/10.1109/JMEMS.2008.921727

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. https://doi.org/10.1109/JMEMS.2015.2418095

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. https://doi.org/10.1016/j.sna.2014.09.029

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. https://doi.org/10.1109/JMEMS.2006.886021

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. https://doi.org/10.1088/0964-1726/23/3/033001

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. https://doi.org/10.1109/JSEN.2013.2268690

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. https://doi.org/10.3934/matersci.2018.5.845

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. https://doi.org/10.3934/matersci.2018.6.1214

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. https://doi.org/10.1109/JSEN.2014.2344132

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. https://doi.org/10.1109/TUFFC.2009.1048

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. https://doi.org/10.3390/s16060819

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. https://doi.org/10.1039/c7nr09149d

22. Патент РФ № 2630537. Паньков А.А. Волоконно-оптический датчик давления. Дата заявки: 06.09.2016. Дата публикации: 11.09.2017.

23. Патент РФ № 2643692. Паньков А.А. Волоконно-оптический датчик объемного напряженного состояния. Дата заявки: 04.04.2017. Дата публикации: 05.02.2018.

24. 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. https://doi.org/10.1088/1757-899X/1029/1/01207

Для цитирования:

Паньков А.А. Статический и динамический анализ электроупругих характеристик тактильного полимерного покрытия со встроенным оптоволоконным пьезоэлектролюминесцентным датчиком. // Журнал радиоэлектроники. – 2025. – №. 9. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2025.9.8