CC BY
8
Научни трудове на Съюза на учените в България - Пловдив Серия В. Техника и технологии, том XIII., Съюз на учените, сесия 5 - 6 ноември 2015 Scientific Works of the Union of Scientists in Bulgaria-Plovdiv, series C. Technics and Technologies, Vol. XIII., Union of Scientists, ISSN 1311-9419, Session 5 - 6 November 2015.
ПОДОБРЯВАНЕ ХАРАКТЕРИСТИКИТЕ НА ТАКТИЛНИ СЕНЗОРИ С ЕЛЕКТРОПРОВОДИМИ ЕЛАСТОМЕРИ Василина Златанова*, Снежана Терзиева** , Никола Георгиев*** ТУ София, Филиал ПловдиЕ *, ТУ София * *, ТУ София, Филиал Пловди в ***
IMPROVING THE PERFORMANCE OF TAC TILE SENSORS WITH CONDUCTIVE ELASTOMERS Vasilina Zlatanova*, Snejana Terzieva**, Nikola Georgiev*** Technical University of Sofia, Branch Plovdiv*, Technical University of Sofia**, Technical University of So fia, Branch Plovdiv***
Abstract: This article presents an opportunity for linearization of the output characteristics of Tactile sensors with electrically conductive elastomers (TSCE) when they are included in a bridge circuit. Investigated are the functions of converting input signal - force into output - voltage U = f (F). Schemes powered by DC and AC voltage with different frequencies have been discussed.
Key words: tactile sensors, conductive еlastomers, strength measuring sensors
1. Въведение
Високата степен на автоматизация на производствените и технологични процеси обуславят постоянно нарастващите изисквания, предявявани към сензорите. Увеличава се потребността от различни по конструкция и принцип на действие сензори с подобрени параметри, статични и динамични характеристики.
Все по-широко място в научните изследвания в световен мащаб заема групата сензори, наподобяващи сензорните възможности на човешката ръка. Тактилната чувствителност на човешката ръка е сложен комплекс от усещания и големи информационни потоци, които трябва да се опростят и пригодят към техническите системи и техническите възможности на съвременния етап на развитие [1].
В съответствие с горе изложеното, под понятието тактилен сензор (ТС) се разбира, преобразувател, способен да реагира на човешки допир или на приложено натисково усилие по посока на оста му в рамките на 0,05 ^ 5 N, като в резултат на това се получава релеен цифров или аналогов сигнал [2].
Функционалната зависимост между проводимостта на еластомерите в зависимост от приложеното натисково усилие, позволява изработването на сензори с несложна конструкция, реагиращи на допир - тактилни сензори с електропроводими еластомери (ТСЕЕ) [3].
Заедно с общите изисквания към сензорните устройства като: висока надеждност, голяма точност и разрешаваща способност, висока степен на повторяемост на показанията, температурна стабилност и др., към ТС се поставят допълнителни изисквания като: ниска цена, миниатюрност, устойчивост на смущения, работа в 86
агресивни среди и др. Най - същественият въпрос, който се разглежда в съвременните научни изследвания е постигане на висока чувствителност и линейност на характеристиките.
В редица публикации се разглежда въпроса за подобряване линейността на характеристиката, чрез използване на различни по форма и конструктивни решения електроди, както и разработване на нови еластомерни смеси [4,5].
В тази статия се изследва възможността за линеаризиране характеристиките на ТСЕЕ без промяна на конструкциям им или химичен състав, чрез включване в мостова електрическа схема.
2. Теоретична обосновка
Най-разпространената схема на свързване на ТСЕЕ е схема на делител на напрежение, захранвана с постоянно напрежение (фиг.1.). С RГ е представено изменящото се съпротивление на електропроводимата гума на сензора при приложено външно натисково усилие Р.
За изходното напрежение и съпротивлението на електропроводимият еластомер се получават изразите
и — ЯГ Т! Я — и вх иизх (1)
- — Я, + Яг " ' — иизЛ • (1)
При това свързване се получава типичната характеристика на преобразуване Uизх=f(F) [или RГ=f(F)] и представлява критерий за качеството на ТСЕЕ.
На фиг.2. са показани графиките на функциите на преобразуване Uизх=f(F), снети експериментално за различни стойности на съпротивлението Я,. Ясно се вижда, че увеличаването на приложената силата F води до намаляване на изходното напрежение и че функцията Uизх=f(F) е нелинейна. При плавно увеличаване на силата F в диапазона 0 ^ 4 N характеристиките са стръмни, което говори за по-голяма чувствителност на ТСЕЕ, а след този диапазон характеристиките се линеаризират, но чувствителността намалява значително. Увеличаването на Я, води до намаляване на изходното напрежение и чувствителността на сензора.
3. Изследване на ТСЕЕ при включване в мостова схема
Структурната схема на изследвания ТСЕЕ е представена на фиг.3. При направа на сензора е използвана най - разпространената конструкция тип „сандвич". В общ корпус -4 са поставени два ТСЕЕ като с 1 и 3 са означени месингови електроди, между които е поставена електропроводима гума - 2.
Външната статична сила F се прилага перпендикулярно на сензора. С увеличаване на силата F намалява вътрешното съпротивление ЯГ на електропроводимата гума, което се дължи както на намаляване на обемното съпротивление, така и на увеличаване на контактната площ между електродите 1 и 3, и еластомера 2.
В болшинството от приложенията на тактилните сензори, основното изискване е те да работят като прагови устройства, с възможност за настройка на праговите стойности за превключване. При направата на силоизмерителни сензори и матрици, за които от
значение е аналоговият изходен сигнал, е важно функционалната зависимост UlBX=f(F) да има линеен характер.
Rr:
Фиг.3.
Фиг. 4.
За подобряване линейността на характеристиките на сензорите се използва възможността те да бъдат включени в мостова схема (фиг.4.). В две от рамената са включени регулируеми съпротивления R3 и R4, а в другите - двете части на ТСЕЕ, означени с Rrl и Rr2. Външната сила F се подава едновременно, перпендикулярно на сдвоения сензор. В единия диагонал на моста се подава постоянно захранващо напрежение E=5V, а от другия се взима изходното напрежение UV, за което се извеждат изразите
UR = E
Rr 2
Rr
R3 + Rr2
= Е-
1
1 + А.
Rr
Ur = E-
R
R4 + R
= Е-
1
Г
1 +-
R„
(2)
Uv = Ur - UR = Е
1
1 + A.
v Rr2
1 + -
R
Г
R
4 у
(3)
Графиките, получени по формула (3) са показани на фиг.5. Изходното напрежение UV се формира от падовете на напрежение върху резистори R4 и едната половина на сензора.
1
Г Z
UV,V —•—FL-50i) —•— R-IOOO —•—И-200П —*—Ft-ЗОСЮ
Фиг.5. Фиг.6.
На фиг.6. са представени графиките на експериментално снети изходни характеристики на сензора при действие на сила F=0^10 N за различни стойности на съпротивленията R3=R4=R. Отчита се съществено подобрение на линейността на характеристиките в сравнение с графиките от фиг.2. С увеличаване стойността на R нараства стръмността на характеристиките, което води до по-висока чувствителност на сензорите S=0,9^1,3 V/N. Налага се обаче ограничение на действащата сила F до 3;5 N , след което изходното напрежение сменя посоката си. При R до 100Ü характеристиките са линейни с добра чувствителност на сензорите S=0,5 V/N, без ограничение на приложената сила до 10 N. 88
Експериментално е изследван ТСЕЕ, включен в променливотокова мостова схема (фиг.7.). Изследваният сензор е представен с помощта на успоредно свързани резистор Rr и кондензатор C . С резистора се изразява обемното и контактно съпротивление на сензора, а с кондензатора се отчита капацитета, който се получава от представената съставна структура метал - електропроводим еластомер - метал. За повишаване на чувствителността последователно на сензора са свързани бобини L.
Резултатите са представени графично на фиг.8. Поради наличието на реактивни елементи и техните честотно зависими съпротивления, както и по-сложния характер на пълното съпротивление на веригата, първоначалните очаквания за линеаризиране на характеристиките не се потвърдиха. От графиките се отчитат две линейни зони, при сила F до 3N и над 6N. В диапазона F=3^6N изходният сигнал се променя скокообразно, характеристиката е с голяма стръмност и висока чувствителност S=1,42^1,52V/N. Границите на зоните и наклона на характеристиките могат да се регулират с промяна на честотата на захранващото напрежение.
4. Заключение
При включване на ТСЕЕ в мостови електрически схеми се установи:
> Характеристиките при постояннотоково захранване са линейни, с възможност за регулиране на наклона чрез промяна на стойността на резисторите, включени в съседните рамена на тези със сензорите. Това дава възможност ТСЕЕ да се използват като силоизмерителни за малки сили.
> При работа на ТСЕЕ в променливотокови мостови схеми се открояват две линейни зони и диапазон, в който изходният сигнал се променя скокообразно. Поради високата чувствителност тези ТСЕЕ могат да се използват като прагови.
5. Литература
[1] Георгиев, П., Сензорна техника, УИ, ТУ-Габрово, 1999.
[2] Маринов, Ю., В. Димитров, Сензорни устройства за роботи, Техника, София,
1992.
[3] Скопалник, Е., П. Жечев, Тактильные преобразуватели, , Прага, 1982.
[4] David, S. Nyce. Linear Position Sensors. Theory and Applications, New Jersey, 2004.
[5] Hou, J., R. Bonser, G. Jeronimidis, Developing tactile sensors for a soft-bodied robot,
IEEE International Conference on Robotics and Biomimetics, China, pp. 1979-1984,
2012
