В аэрокосмической сфере применяют сенсорную технику для оценки внешних силовых воздействий на аэродинамическую поверхность. Это могут быть удары града, бетонной крошки из-под переднего колеса при взлете самолета, частицы космического мусора и так далее. Научное сообщество стремится усовершенствовать индикаторные и тактильные полимерные покрытия. Ученые Пермского Политеха исследовали закономерности реакции тактильной поверхности сенсорной техники на внешнее воздействие. Это позволит улучшить систему мониторинга и снизить риски возникновения аварийных ситуаций из-за нестабильной работы датчиков.
В ПНИПУ нашли способ повысить надежность аэродинамической поверхности / © SpaceX, Unsplash
Статья опубликована в журнале СФУ «Техника и технологии». Исследование проведено в рамках программы стратегического академического лидерства «Приоритет 2030».
Гибкие полимерные тактильные датчики (покрытия) используют для измерения механических воздействий, физических и геометрических характеристик (текстуры, формы) в результате контакта объекта с тактильной поверхностью. Они также применяются в устройствах высокоинтеллектуальной электроники, интерфейсах взаимодействия человека и машины, электронной коже для «очувствления» робототехнических устройств.
В современные тактильные покрытия встраивают функциональные чувствительные материалы. К ним относятся пьезоэлектрические, которые генерируют электрические заряды при механическом воздействии, и механолюминесцентные – их деформация вызывает свечение. Например, пьезоэлектрические элементы в составе оптоволоконного датчика в полимерном слое позволяют диагностировать обледенение и автоматически очищать поверхность от корки льда.
Идеальный тактильный датчик имеет высокую чувствительность, быстрый отклик, надежность и стабильность характеристик. Ученые Пермского Политеха выявили и проанализировали, как сила вдавливания множества однотипных жестких шаровых частиц (как аналогия града, например) в сенсорную поверхность покрытия влияет на характеристики его колебаний. Эксперимент провели на полимерном слое со встроенным оптоволоконным пьезоэлектролюминесцентным датчиком в виде световода.
«Мы представили модель для диагностики внешних воздействий на поверхность с помощью тактильного оптоволоконного покрытия. Датчик, встроенный в покрытие, реагирует на механические воздействия и создает свет. Для анализа и определения силы вдавливания шаровых частиц мы использовали численный метод, основанный на решении сложной математической задачи с помощью специального ПО.
В результате исследования установили, что зависимость между силой воздействия и собственными (резонансными) частотами колебаний покрытия близка к линейной. Открытие позволяет использовать резонансный метод для точной диагностики внешних воздействий на поверхность», – прокомментировал Андрей Паньков, доктор физико-математических наук, профессор кафедры «Механика композиционных материалов и конструкций» ПНИПУ.
Резонансный метод – это когда искомую информацию об объекте находят по измеряемым изменениям резонансной частоты микроколебания (вибрации) тактильной поверхности. Он также широко используется, например, в медицинских электронных термометрах.
Управляемые микроколебания тактильной поверхности как бы «ощупывают» исследуемый объект – шаровую частицу, и возникают от действия переменного электрического напряжения на встроенные в тактильную поверхность электроды.
Исследование ученых Пермского Политеха поможет улучшить точность мониторинга механического воздействия на сенсорную поверхность. Это позволит избежать рисков возникновения аварийных ситуаций в аэрокосмических аппаратах, связанных с неправильной работой сенсоров или их отказом в критических ситуациях.
