基于液晶電光效應(yīng)的智能調(diào)光玻璃裝置

趙永潛, 張亞萍, 許廣建, 房靈猛, 劉金柱

(中國石油大學(xué)( 華東) 理學(xué)院, 山東 青島　266580)

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基于液晶電光效應(yīng)的智能調(diào)光玻璃裝置

趙永潛, 張亞萍, 許廣建, 房靈猛, 劉金柱

(中國石油大學(xué)( 華東) 理學(xué)院, 山東 青島266580)

為了實現(xiàn)對室內(nèi)光強的調(diào)節(jié),根據(jù)光敏電阻、可調(diào)精密電位器以及液晶電光效應(yīng)原理,設(shè)計了一種智能調(diào)光玻璃,并進行了理論分析和實驗驗證。在自動模式控制電路下,當(dāng)室外光強改變時,光敏電阻的阻值隨光強改變,進而通過控制電路改變液晶兩端的電壓,達到將玻璃后的光強控制在一個合適的光強范圍內(nèi)的目的；在手動模式控制電路下,通過精密可調(diào)電位器連續(xù)地改變玻璃后的光強。測試結(jié)果表明,這種智能調(diào)光玻璃的設(shè)計方案,可在光強變化時把光強控制在一定范圍內(nèi),并能連續(xù)調(diào)節(jié)玻璃后的光強。

液晶； 電光效應(yīng)； 智能調(diào)光玻璃； 視角特性

自21世紀(jì)以來,隨著城市現(xiàn)代化建設(shè)的推進,玻璃已成為日常生活、生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的重要材料[1-4],但由于傳統(tǒng)玻璃的功能相對單一,越來越不能滿足人們?nèi)遮呍鲩L的需求,因此對特種玻璃的需求也愈來愈強烈。在調(diào)光玻璃方面,目前的研究多集中在材料領(lǐng)域,在玻璃中加入各種金屬和金屬氧化物[5]從而改變玻璃的顏色,但這種玻璃的透光率恒定,無法在多變的天氣下輸出適宜的光強。為了能夠控制玻璃對自然光的透過率,并減少光反射,降低光污染[6],本文設(shè)計了一套基于液晶電光效應(yīng)的智能調(diào)光玻璃裝置。

1　實驗原理

1.1TN型液晶盒的結(jié)構(gòu)原理

TN型液晶盒的結(jié)構(gòu)原理見圖1。在兩塊玻璃片之間夾有正性向列相液晶,液晶分子的形狀多為細(xì)長棒狀[7],液晶層厚度一般為5～8 μm,玻璃片的內(nèi)表面覆有透明電極[8],電極的表面涂有取向劑,這樣,液晶分子在透明電極表面就按一定方向排列,且上下電極上的取向方向相互垂直。由于邊界的錨定[9]作用,電極表面的液晶分子取向不會因外場的作用發(fā)生變化；上下電極之間的液晶分子因范德瓦爾斯力的作用,趨向于平行排列。由于上下電極上液晶的定向方向相互垂直,因而從俯視方向看,液晶分子的排列方向從上電極的沿0°方向排列逐漸均勻地扭曲到下電極的沿90°方向排列,整個扭曲了90°。液晶盒玻璃片的兩個外側(cè)分別貼有偏振片(P1和P2),P1的透光軸與上電極的定向方向相同,P2的透光軸與下電極的定向方向相同。

圖1　液晶盒的結(jié)構(gòu)原理

1.2TN型液晶的電光效應(yīng)

研究表明,上述的扭曲排列結(jié)構(gòu)具有光波導(dǎo)的性質(zhì),即偏振光從上表面穿過扭曲排列的液晶傳播到下表面時,偏振方向會偏轉(zhuǎn)90°[10]。

在零電場時,平行于P1透光軸的線偏振光經(jīng)過液晶盒到達下極板時,其偏振方向偏轉(zhuǎn)90°,與P2透光軸平行,故可從下極板出射,液晶屏此時為透明狀態(tài),如圖1(a)所示。對液晶施加電場,當(dāng)電場高于一定值[11]時,除了透明電極表面附近的液晶分子被錨定外,其他液晶分子趨向于平行于電場方向排列,液晶的扭曲結(jié)構(gòu)被破壞,如圖1(b)所示,這時,從P1透射出來的線偏振光在液晶中傳播時,其偏振方向不再旋轉(zhuǎn),與P2垂直,不能從P2出射,因而光被阻斷。

1.3光敏電阻

光敏電阻是基于內(nèi)光電效應(yīng)[12]制成的電阻器。在半導(dǎo)體光敏材料兩端裝上電極引線,將其封裝在帶有透明窗的管殼里就構(gòu)成光敏電阻。為增加靈敏度,兩電極常做成梳狀。通常在絕緣襯底上制作很薄的光敏電阻體及梳狀歐姆電極,接出引線,封裝在具有透光鏡的密封殼體內(nèi),以免受潮影響其靈敏度。在光敏電阻兩端的金屬電極上加電壓,其中便有電流通過,當(dāng)受到適當(dāng)波長的光線照射時,電流就會隨光強的增大而變大,從而實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。

光敏電阻可以視為光照驅(qū)動的軟開關(guān),可以決定電路的輸出量。以光敏電阻作為光開關(guān)電路的驅(qū)動核心,靈敏性較好,使用方便,即使在高溫、多濕的惡劣環(huán)境下,也能保持較高的穩(wěn)定性和可靠性。在驅(qū)動電路中光敏電阻兩端電壓隨著光照強度的改變而改變,作為軟開關(guān)控制液晶屏兩端的電壓,配合其他電路可將液晶的透過率控制在合適的范圍內(nèi)。

1.4可調(diào)精密電位器

可調(diào)精密電位器主要是通過改變電阻接入電路的長度來改變阻值?？烧{(diào)精密電位器可視為手動電路中液晶屏的驅(qū)動核心,可通過連續(xù)調(diào)節(jié)自身阻值改變液晶屏兩端電壓,從而改變液晶透過率。由于液晶屏對電壓的變化較為敏感,采用小阻值的可調(diào)精密電位器可提高裝置的調(diào)節(jié)精度。

2　智能調(diào)光玻璃裝置的硬件設(shè)計

本智能調(diào)光玻璃裝置電路(見圖2)主要由控制開關(guān)、自動電路、手動電路、光源控制電路組成。

圖2　智能調(diào)光玻璃裝置電路

(1) 控制開關(guān):由電路電源VCC(+12 V)以及總控制開關(guān)K1組成,作用是保證電路的電壓輸出和控制電路的通斷。當(dāng)開關(guān)斷開時液晶屏保持常態(tài)；當(dāng)開關(guān)接通時,可以控制電路狀態(tài)和液晶屏的輸出光強。

(2) 自動電路:當(dāng)開關(guān)K2連接位置1時,自動電路依次由電阻R1和與R1并聯(lián)的液晶屏LCD、光敏電阻RL以及電阻R2構(gòu)成。此時,光敏電阻根據(jù)接收的光強大小改變自身的阻值進而影響液晶屏的電壓,改變液晶屏透過率,進而調(diào)節(jié)液晶屏的輸出光強。照射光強越大,電路輸出給液晶屏的電壓越大,液晶屏透過率越?。环粗?液晶屏透過率變大,從而將液晶屏的輸出光強控制在合適范圍內(nèi)。

(3) 手動電路:當(dāng)開關(guān)K2連接位置2時,電路由電阻R4、可調(diào)精密電位器r1(最大值為22 kΩ)、與R4和r1并聯(lián)的電阻R3及液晶屏部分組成,手動電路可通過調(diào)節(jié)可調(diào)精密電位器r1進而連續(xù)地改變液晶屏兩端的電壓,達到連續(xù)地改變輸出光強的目的。

(4) 光源控制電路:由電阻R5、與電阻R5并聯(lián)的LED光源(額定電壓為12 V)以及可調(diào)精密電位器r2組成。通過可調(diào)精密電位器調(diào)節(jié)光源的光強,來模擬外界自然光的變化。由于液晶的穩(wěn)定性也受到溫度的影響,該電路部分用LED燈做光源,以提高裝置的穩(wěn)定性。

3　實驗裝置性能分析

3.1液晶屏的電光特性測量

啟動裝置,將液晶屏插入插槽,使光線垂直入射, 在液晶屏不加電場的情況下,將透過率校準(zhǔn)為100%,然后調(diào)節(jié)液晶屏兩端電壓,記錄相應(yīng)電壓下的液晶透過率并繪制電光特性曲線,如圖3所示。由圖3可知,液晶的透過率隨外加電壓的升高而逐漸降低,在一定電壓下達到最低點。根據(jù)圖3電光特性曲線得到液晶的閾值電壓為3.85 V,關(guān)斷電壓為5.2 V,因此設(shè)計電路中液晶屏端電壓的調(diào)節(jié)范圍為2.5～7.0 V,可保證液晶屏的透過率在0～100%的最大范圍內(nèi)變化。

圖3　液晶屏的電光特性曲線

3.2光敏電阻特性測量

固定光照度計和光敏電阻的位置,改變?nèi)肷涔鈴?測量并記錄不同光強下的光照度與光敏電阻的阻值,并繪制光敏電阻的特性曲線,如圖4所示,測得光敏電阻的暗電阻為120 kΩ。由圖4可得,光敏電阻阻值隨照射光強的增大而快速降低。光照度在4 000 lx(未在圖4中列出)以下時,光敏電阻阻值較為敏感,其阻值已降至1 100 Ω;光照度高于4 000 lx時 ,光敏電阻阻值變化范圍較小?？紤]到晴天室內(nèi)的光線光照度一般在100～2 000 lx,在自動控制電路中,當(dāng)投射到液晶屏的光照度為1 000 lx時,依據(jù)此時的光敏電阻阻值,設(shè)計控制電路輸出給液晶屏的端電壓為3.5 V,當(dāng)液晶屏接收的光照度增加時,光敏電阻驅(qū)動電路自動調(diào)節(jié)液晶屏的輸出光強在適當(dāng)范圍內(nèi)。

圖4　光敏電阻的特性曲線

3.3液晶視角特性的測量

將液晶屏插入插槽里,使光照垂直入射到液晶屏,并在供電電壓為0 V時,將透過率顯示校準(zhǔn)為100%。將液晶屏視角角度從-90°轉(zhuǎn)到90°,測量并記錄此時液晶屏的透過率變化,并繪制液晶視角特性曲線,如圖5所示。

圖5　液晶屏的視角特性曲線

由圖5可得,供電電壓為0 V時,隨著液晶屏水平傾斜程度的增大,液晶屏的透過率逐漸減小到零,在視角為-60°～60°的較大范圍內(nèi),液晶屏的透過率處于較高水平,表明液晶屏在零電場時可在較大的視角范圍內(nèi)保持較高的透過性,從而保證了光線在較大的視角范圍內(nèi)照射調(diào)光玻璃時可以通過,確保調(diào)光玻璃的基本采光功能。

將外加電壓調(diào)至0視角對應(yīng)的關(guān)斷電壓,逐漸將液晶屏視角角度從-90°轉(zhuǎn)到90°,測量并記錄此時液晶屏透過率變化,并繪制視角特性曲線,如圖6所示。

圖6　關(guān)斷電壓下液晶屏的視角特性曲線

由圖6可得,當(dāng)供電電壓為零視場的關(guān)斷電壓時,隨著液晶屏傾斜程度的增大,液晶屏的透過率呈現(xiàn)先小幅度減小再增大趨勢,透過率增大到一定數(shù)值后再逐漸減小到零,液晶屏此時在-40°～40°視角范圍內(nèi)透過率變化不明顯,不同視角的透過率最大變化幅度為6%,這表明液晶屏在強光下對來自不同視角的光的阻擋效果較為穩(wěn)定,從而保證了整個裝置性能的穩(wěn)定性。

4　結(jié)論

將液晶屏、光敏電阻及可調(diào)精密電位器相結(jié)合,設(shè)計了一種智能調(diào)光玻璃裝置。當(dāng)總控制開關(guān)處于斷開狀態(tài)時,液晶玻璃處于常態(tài),保證了對光線的高透過率；當(dāng)開關(guān)閉合時,控制電路可選擇處于自動或手動狀態(tài)。當(dāng)裝置處于自動模式控制電路狀態(tài)時,光敏電阻根據(jù)光強的變化改變自身阻值,從而改變液晶屏的透過率,進而將入射光強限制在一個合適的范圍內(nèi)。當(dāng)裝置處于手動模式控制電路時,通過調(diào)節(jié)精密電位器,進而連續(xù)改變調(diào)光玻璃的透過率。如果有效降低液晶片的制造成本,則智能調(diào)光玻璃可具有較好的市場應(yīng)用前景。

References)

[1] 羅艷,王星然.玻璃幕墻在城市設(shè)計中的應(yīng)用[J].山西建筑,2015,41(6):24-25.

[2] 文雨晴,雷凌華,吳林鮮,等.玻璃材料的景觀應(yīng)用研究[J].農(nóng)業(yè)科學(xué)與技術(shù):英文版,2015,16(3):562-564.

[3] 羅禮平,張利嵩.玻璃鋼復(fù)合材料受熱狀態(tài)物性參數(shù)變化研究[J].玻璃鋼/復(fù)合材料,2015(2):60-63.

[4] 李振,李西川,余濤,等.玻璃基板材料化學(xué)鋼化試驗研究[J].玻璃,2015,42(2):26-30.

[5] 何峰,陳軍龍,田沙沙,等. CeO2、TiO2混合著色黃色乳濁玻璃的研究[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報,2013,35(11):34-37.

[6] 高樹鵬.玻璃幕墻光污染問題研究及防治對策[J].山西建筑,2015,41(3):200-201.

[7] 黃子強.液晶顯示原理[M].北京:國防工業(yè)出版社,2008:1-2.

[8] 袁順東,王世燕,王殿生.液晶電光效應(yīng)的實驗研究[J].物理實驗,2014,34(4):1-4.

[9] 葉文江,劉小松,宋曉龍 ,等.基板錨定特性對液晶盒電容的影響[J].液晶與顯示,2014,29(5):686-691.

[10] 李書光,張亞萍,朱海豐.大學(xué)物理實驗[M].北京:科學(xué)出版社,2012:266-273.

[11] 劉曉夢,布秀敏,秦禹,等. 液晶動態(tài)響應(yīng)實驗研究[J].實驗技術(shù)與管理，2015,32(3):77-80.

[12] 周紅,楊衛(wèi)群,沈?qū)W浩,等.光敏電阻基本特性測量實驗的設(shè)計[J].物理實驗,2003,23(11):9-11.

Intelligent tunable glass device based on liquid crystal electro-optic effect

Zhao Yongqian, Zhang Yaping, Xu Guangjian, Fang Lingmeng, Liu Jinzhu

(College of Science,China University of Petroleum(East China),Qingdao 266580, China)

In order to realize the adjustment of indoor light, according to the photosensitive resistance, adjustable precision potentiometer and liquid crystal electro-optic effect experimental principle, a kind of intelligent tunable glass was designed, which has carried on the theoretical analysis and experimental verification. In the automatic mode control circuit, when the outdoor light changed, the photosensitive resistance was changed with the light, then the voltage across the LCD glass was changed by the control circuit, the goal was reached that the light intensity behind the glasses was controlled within an appropriate range. In the manual mode control circuit, the light intensity behind the glass was continuously changed by using the adjustable precision potentiometer. Test results show that this kind of design scheme of intelligent tunable glass could control the light intensity within a certain range when the light intensity is changed, and continuously adjust the light intensity behind the glass.

liquid crystal; electro-optic effect; intelligent tunable glass; viewing angle characteristic

10.16791/j.cnki.sjg.2016.03.026

2015- 08- 20修改日期：2015- 10- 23

國家自然科學(xué)基金面上項目(21476262)；教育部高等學(xué)校研究項目(DWJZW201522hd);中國石油大學(xué)(華東)教改項目(JY-A201402)； 中國石油大學(xué)(華東)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計劃項目(20151288)；中國石油大學(xué)(華東)自主創(chuàng)新科研計劃本科生項目(2015)

趙永潛(1993—),男,山東濟寧,本科生,主要從事液晶電光特性研究

E-mail:zyqianlucky@163.com

張亞萍(1967—),女,陜西藍(lán)田,碩士,副教授,碩士生導(dǎo)師,主要研究方向為物理實驗教學(xué)與研究,納米材料的合成、制備及其性能研究,材料腐蝕與檢測等.

E-mail:zhangyp@upc.edu.cn

TQ171.73

A

1002-4956(2016)3- 0101- 04