NOVEL SENSORS OF THE LINEAR DISPLACEMENT MEASUREMENT WITH HIGH-RESOLUTION FOR MECHATRONICS APPLICATIONS | ||||
| Journal of Al-Azhar University Engineering Sector | ||||
| Article 18, Volume 17, Issue 62, January 2022, Page 275-289 PDF (1.06 MB) | ||||
| Document Type: Original Article | ||||
| DOI: 10.21608/auej.2022.216811 | ||||
 View on SCiNiTO | ||||
| Authors | ||||
| Amir R. Ali1, 2; Momen Algouhary3 | ||||
| 1Mechatronics Engineering Department, Faculty of Engineering and Material Science, The German University in Cairo, New Cairo, Egypt. | ||||
| 2Applied-Science & Robotics Laboratory for Applied-Mechatronics (ARAtronics Lab.); | ||||
| 3Mechatronics Engineering Department, Faculty of Engineering and Materials Science, German University in Cairo (GUC), New Cairo, 11835, Egypt | ||||
| Abstract | ||||
| A displacement sensor with high resolution is presented in this paper using an elastic sphere that acts as the sensing element; which can be used in several applications of mechatronics. To have the elastic behavior for the sensing element, the sphere was made from polymeric material with 600µm in diameter. The sphere vibrates mechanically in response to a time varying displacement excited by piezo-stack actuator (PZT). The mechanical vibration transmitted to the elastic sphere was monitored optically based on tracking the optical resonance shifts on the transmission spectrum, in turn the displacement of the piezo-stack actuator can be determined. The sphere was lying between two micro-sticks made from silica with ~80µm in diameter for each with ~3cm long; one of them is fixed while the other is mechanically connected to the PZT. By moving the PZT, the displacement was fully transmitted to the sensing element leading to a change in its morphology and therefore shifts of its optical resonances. By tracking these shifts and comparing them with typical electronic strain gauges used within piezo-nanopositioners, it is possible to determine the displacement of the PZT in high resolution. The resolution for the new design was recorded to be up to ~3.16nm with sensitivity up to ~2nm/µm. The novelty for the proposed design could be used for several mechatronics applications like the feedback on the linear actuators for the micro/nano robots, and also it can extend for structural health monitoring in nanoscale. يهتم هذا البحث بدراسة االستشعار عالي الدقة لکثير من تطبيقات هندسة الميکاترونيات و علي سبيل المثال التطبيقات المستخدمة مع الروبوتات. وحيث ان هندسة الميکاترونيات تستخدم الکثير من المحرکات الخطية للقيام بالمهام المخصصة لها علي اکمل وجه؛ مما يستدعي وجود اجهزة استشعار عالية الحساسية و الدقة لتلک الحرکات الخطية الناتجة من حرکة تلک المحرکات الخطية وذلک بهدف التحکم الدقيق في هذة التطبيقات. ففي هذا البحث عرض وافي لتصنيع حساسات دقيقة علي شکل کريات صغيرة جدا من مواد ذات خواص عالية المرونة الستشعار الحرکات الخطية بدقة تصل الي النانو من قيمة الحرکة الناشئة من تلک المحرکات الدقيقة المستخدمة في تطبيقات هندسة الميکاترونيات. حيث تعتمد طريقة االستشعار في تلک الحساسات علي قراءة التغيرات التي قد تنشأ علي السطح الخارجي لتلک الحساسات عند تعرضها بشکل مباشر لالهتزازات الناتجة من المحرکات الخطية المستخدمة في کثير من تطبيقات هندسة الميکاترونيات. فبمراقبة تلک التشوهات او التغيرات يتم استشعار حرکة تلک المحرکات بدقة عالية في اي من اتجاهات الحرکة لتلک المحرکات سواء باالستطالة او باالنکماش. فهذا البحث يقدم عرض عملي و تحليلي إلستشعار تلک الحرکات الخطية و عمل نموذج رياضي يستخدم لمعايرة تلک الحساسات باالضافة لعرض کيفية تصنيعها و کذلک کيفية إستخراج کافة المعلومات المراد معرفتها لتلک المحرکات بشکل عملي و معملي. فقد تم عرض نموذج عملي لتلک الحساسات وقراءة الحرکات و االزاحات الخطية و ذلک عند تعريضها إلهتزازات ترددية دقيقة جدا بواسطة محرک خطي. وقد اثبتت النتائج قدرة الحساسات علي االستشعار لتلک الحرکات الترددية بدقة تصل الي 16.3 نانو متر وبذلک قد يفتح هذا البحث االستشعار لمجاالت اخري ليست فقط لهندسة الميکاترونيات کالتنبؤ بالکسور و التشوهات في اجسام المباني الخرسانية کمثال لمراقبة جودة المباني في االعمال االنشائية للهندسة المدنية | ||||
| Keywords | ||||
| Displacement measurement; high resolution sensor; mechanical vibration; piezo-stack actuator; force transmissibility | ||||
|
Statistics Article View: 281 PDF Download: 243 |
||||
