Способ регистрации изменения состояния физических полей и устройство для его реализации

Изобретение относится к измерительной технике. Заявленное устройство содержит источник излучения, объектив, фотодетектор и датчик с чувствительным элементом в виде свободно подвешенной пленки жидкого кристалла, установленной во внутреннем объеме датчика, герметично закрытом поляроидами. В качестве свободно подвешенной пленки жидкого кристалла используют пленку нематического или кирального жидкого кристалла. Фотодетектор содержит вычислитель, выполненный с возможностью измерения в поле наблюдения распределения интенсивности и спектрального состава светового потока и динамики изменения этих характеристик. Технический результат - повышение чувствительности регистрации изменения состояния низкоэнергетических физических полей различной природы и обеспечение возможности регистрации изменения состояния как низкоэнергетических, так и сильных физических полей. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 6 ил.

 

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к способам и устройствам регистрации изменения состояния физических полей окружающего пространства, и может быть применено в различных системах контроля и управления, основанных на регистрации изменения электрических, магнитных, электромагнитных, тепловых, акустических и других полей, образующихся в различных технологических процессах, при использовании бытовой техники и при оценке технических устройств, предназначенных для защиты человека от вредных воздействий электромагнитного излучения, в частности, в устройствах для контроля излучения мобильных телефонов и мобильных телефонов, с установленными на них устройствами защиты от экологически вредных излучений.

Широко известны способы и устройства, предназначенные для измерения параметров различных физических полей, а также устройства сигнализации, в которых в качестве чувствительного элемента используются датчики на жидких кристаллах.

Устройство измерения электрического напряжения по патенту US №3667039, 1972 г. содержит потенциальные электроды, нанесенные на две опорные пластины, одна из которых прозрачна и имеет отсчетную шкалу. Опорные пластины образуют боковые наклонные грани трапецеидальной призмы, заполненной жидким кристаллом. Недостаток датчика с расходящимися электродами состоит в ограниченном диапазоне измерений, поскольку во всех точках к жидкому кристаллу прикладывается одинаковое напряжение, равное измеряемому, а верхний предел измерений ограничен пробивным значением напряжения для начального участка шкалы, где расстояние между электродами минимально.

Расширяет диапазон измерения аналогового индикатора напряжения с параллельно расположенными электродами по а.с. СССР №645508, 1978 г., который содержит потенциальные электроды, две опорные пластины, одна из которых прозрачна и на ней нанесена отсчетная шкала, образующие боковые наклонные грани трапецеидальной призмы, заполненной жидким кристаллом. Потенциальные электроды расположены параллельно друг другу вдоль противоположных оснований трапецеидальной призмы. Недостатком известного изобретения является невозможность регистрации изменения состояния различных по природе физических полей.

Известен «Способ спектрально-селективного преобразования мод оптического излучения в волноводе и устройство для его реализации» по патенту RU №2234723, 2004 г., который может быть использован в качестве волоконно-оптического датчика электрического и/или магнитного полей, а также температуры. Под действием указанных факторов изменяется шаг спирали хирального (другое название «кирального») жидкого кристалла (ХЖК), а вместе с ним и центральная частота отражаемых устройством волн. Сравнивая частоту волноводной моды, отражаемой от участка волновода, где расположен подверженный внешним воздействиям ХЖК, с эталонной частотой, можно судить о степени изменения шага спирали ХЖК, а вместе с ним находить величину внешнего воздействия. Недостатком известного изобретения является невозможность индикации низкоэнергетических полей.

В приведенных выше известных изобретениях жидкий кристалл помещен в ячейку между твердыми поверхностями, создающими и удерживающими его однородную ориентацию, что позволяет регистрировать и измерять напряженности внешних полей (например, электрического и магнитного) по изменению под действием поля направления ориентации жидкого кристалла в слое, заключенном между твердыми поверхностями.

Известно, что фундаментальным свойством нематических и киральных жидких кристаллов, отличающим их от изотропных жидкостей и придающих сходство с кристаллическими твердыми телами, является наличие макроскопической упорядоченности длинных осей молекул в пространстве.

В рамках макроскопического подхода энергия ориентационной упорядоченности определяется модулями ориентационной упругости К, имеющими порядок величины 10^-6 дин (П. де Жен «Физика жидких кристаллов». М.: Мир, 1977, с.81-83, 111).

Если жидкий кристалл помещен в плоскую ячейку толщиной d со стенками, удерживающими его ориентацию, то плотность энергии W, необходимая для изменения направления ориентации жидкого кристалла оценивается соотношением W~K/d². Эта величина определяет пороговое значение внешнего электрического или магнитного поля, которое способно преодолеть силы, удерживающие ориентацию жидкого кристалла в определенном направлении, и привести к изменению направления ориентации жидкого кристалла (Блинов Л.М. «Электро- и магнитооптика жидких кристаллов». М.: Наука, 1978, с.121-127).

Для типичных ячеек с жидким кристаллом толщиной порядка 10-30 мкм плотность энергии, необходимая для изменения направления ориентации жидкого кристалла, имеет порядок величины W~0.1-1 эрг/см², что обусловливает общий недостаток указанных выше известных изобретений, заключающийся в недостаточной чувствительности при регистрации физических полей.

Наиболее близким к заявляемому способу и устройству по большинству совпадающих признаков является способ регистрации звукового давления, реализованный в волоконно-оптическом приемнике звукового давления на жидких кристаллах по а.с. СССР №1369527, 1987 г.

Способ регистрации звукового давления по а.с. СССР №1369527 заключается в том, что размещают датчик с чувствительным элементом в виде жидкого кристалла, в исследуемой точке окружающего пространства и измеряют амплитудную модуляцию интенсивности прошедшего устройство светового потока.

Волоконно-оптический приемник звукового давления на жидких кристаллах по а.с. СССР №1369527 содержит корпус с мембраной, в котором расположен слой ориентированного жидкого кристалла, заключенный в плоском капилляре, образованном двумя кварцевыми пластинами, по обе стороны от которых установлены скрещенные поляроиды и оптические световоды, расположенные на одной оптической оси. Направление осей поляризации поляроидов составляет угол 45º с вертикальной осью плоского капилляра.

Внутренний объем корпуса выполнен в виде двух полостей, соединенных между собой плоским капилляром, установленным перпендикулярно оптической оси. Одна из полостей ограничена мембраной. Директор жидкого кристалла лежит в плоскости, проходящей через вертикальную ось плоского капилляра и нормаль к нему, и образует угол с нормалью к плоскому капилляру.

Изобретение может быть использовано при создании приемников звуковых сигналов в газе или жидкости. Недостатком известного изобретения является трудность создания однородной наклонной ориентации жидкого кристалла на поверхностях плоского капилляра, причем углы наклона оптической оси жидкого кристалла на обеих поверхностях должны быть одинаковыми. Другим недостатком изобретения является невозможность регистрации изменения состояния различных по природе физических полей.

Задача, на решение которой направлено данное изобретение, заключается в обеспечении регистрации изменения состояния низкоэнергетических физических полей различной природы.

Технический результат, достигаемый при осуществлении данного изобретения, заключается в повышении чувствительности регистрации изменения состояния низкоэнергетических физических полей различной природы и обеспечении возможности регистрации изменения состояния как низкоэнергетических, так и сильных физических полей.

Задача с указанным техническим результатом решается тем, что в способе регистрации изменения состояния физических полей, который заключается в том, что размещают датчик с чувствительным элементом в виде жидкого кристалла в исследуемой точке окружающего пространства и измеряют изменение характеристик светового потока, проходящего через помещенный между поляроидами жидкий кристалл, не подвергавшийся влиянию измеряемого поля, и после его воздействия, а об изменении состояния измеряемого поля судят по изменению характеристик светового потока, согласно изобретению в качестве чувствительного элемента датчика используют свободно подвешенную пленку жидкого кристалла, а характеристики светового потока оценивают в поле наблюдения светового потока после его прохождения через систему поляроид - свободно подвешенная пленка жидкого кристалла - поляроид.

Технический результат достигается также тем, что:

в качестве свободно подвешенной пленки жидкого кристалла используют пленку нематического или кирального жидкого кристалла;

в качестве поля наблюдения светового потока выбирают участок светового потока, свободный от краевых эффектов;

оценку состояния физического поля производят по изменению в поле наблюдения распределения интенсивности и спектрального состава светового потока и по динамике изменения этих характеристик.

Задача с указанным техническим результатом решается также тем, что в устройстве, содержащем источник света, объектив, фотодетектор и датчик с чувствительным элементом в виде жидкого кристалла, по обе стороны которого установлены поляроиды, согласно изобретению в качестве чувствительного элемента датчика используют свободно подвешенную пленку жидкого кристалла, установленную во внутреннем объеме датчика, герметично закрытого поляроидами.

Кроме того:

свободно подвешенная пленка жидкого кристалла может быть выполнена из нематического жидкого кристалла, состоящего из жидкокристаллической смеси на основе алкилцианобифенилов, или из кирального жидкого кристалла, состоящего из смеси нематического жидкого кристалла с активной добавкой, задающей спиральную симметрию жидкого кристалла с шагом спирали, по крайней мере, на порядок большим средней длины световой волны;

фотодетектор содержит вычислитель, выполненный с возможностью измерения в поле наблюдения распределения интенсивности и спектрального состава светового потока и динамики изменения этих характеристик;

внутренний объем датчика выполнен в виде цилиндрической полости с кольцевым выступом, толщина которого соответствует толщине свободно подвешенной пленки жидкого кристалла;

передачу входного светового потока от источника света к поляроиду и выходного светового потока от поляроида к объективу выполняют по оптоволоконному кабелю.

Сущность изобретения заключается в том, что в качестве чувствительного элемента используют свободно подвешенную пленку нематического или кирального жидкого кристалла. В пленке свободно подвешенного нематического жидкого кристалла или кирального жидкого кристалла процесс изменения направления преимущественной ориентации молекул происходит беспорогово (В.П.Романов, С.В.Ульянов Динамические свойства смектических пленок. Успехи физических наук, т.173, № 6, 2003, с.941-963). Поэтому плотность энергии, необходимая для переориентации жидкого кристалла или создания упорядоченного состояния из неупорядоченного с помощью внешнего поля, оценивается как K/L², где L - размер, в пределах которого внешнее поле можно считать однородным. Эта величина имеет порядок от нескольких долей миллиметра и больше. Для таких полей энергия, необходимая для переориентации, имеет порядок W~K/L²~10^-3 эрг/см², то есть на несколько порядков меньше, чем энергия, которая требуется для переориентации жидкого кристалла, заключенного между твердыми поверхностями ячейки. Именно беспороговый характер переориентации в жидкокристаллической пленке и объясняет ее чрезвычайную чувствительность к внешним воздействиям.

Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых, представлены:

на фиг.1 - структурная схема заявляемого устройства;

на фиг.2 - фотографии изображения пленки нематического жидкого кристалла в электромагнитном поле мобильного телефона;

на фиг.3 - фотографии пленки нематического жидкого кристалла в сильном магнитном поле;

на фиг.4 - фотографии пленки нематического жидкого кристалла в поле источника теплового излучения;

на фиг.5 - фотографии пленки нематического жидкого кристалла в электромагнитном поле мобильного телефона с защитным устройством;

на фиг.6 - фотографии пленки кирального жидкого кристалла в поле источника теплового излучения.

На фиг.1 изображена структурная схема заявляемого устройства для реализации способа. Устройство содержит датчик 1, корпус 2 которого выполнен из диэлектрического материала с внутренней полостью 3, в которой на выступе 4 находится свободно подвешенная пленка 5 жидкого кристалла.

Свободно подвешенная пленка 5 жидкого кристалла может быть выполнена из нематического жидкого кристалла, состоящего, например, из жидкокристаллической смеси на основе алкилцианобифенилов, или из кирального жидкого кристалла, состоящего из смеси нематического жидкого кристалла с активной добавкой, задающей спиральную симметрию жидкого кристалла с шагом спирали, по крайней мере, на порядок большим средней длины световой волны.

Внутренняя полость 3 и выступ 4 могут быть любой формы. Технологически проще выполнить внутреннюю полость 3 цилиндрической с выступом 4 в виде кольца.

По торцам корпуса 2 датчика установлены поляроиды 6 и 7, которые одновременно, например, за счет приклеивания, обеспечивают герметизацию внутреннего объема 3 датчика, необходимую для исключения испарения пленки. В качестве источника света 8 может быть использован светодиод белого цвета, лампа накаливания, лазер или другой световой излучатель. Между датчиком 1 и фотодетектором 10 установлен объектив 9, который обеспечивает фокусировку изображения в поле зрения фотодетектора. Фотодетектор 10 снабжен вычислителем, который выполнен с возможностью измерения в поле наблюдения распределения интенсивности и спектрального состава светового потока и динамики изменения этих характеристик.

При установке датчика 1 в труднодоступном месте передача входного светового потока от источника света 8 к поляроиду 6 и выходного светового потока от поляроида 7 к объективу 9 может быть выполнена по оптоволоконному кабелю.

Описание способа совместим с описанием работы устройства для его реализации. Устройство работает следующим образом. В отсутствие поля, подлежащего регистрации, свободно подвешенная пленка жидкого кристалла обладает равновесной анизотропной структурой, с неоднородным пространственным распределением преимущественного направления длинных осей молекул (локальной оптической оси), которое сформировалось под действием существующих в данной точке пространства внешних полей. Свет от источника 8, проходящий систему поляроид 6 - свободно подвешенная пленка 5 жидкого кристалла - поляроид 7, попадет на фотодетектор 10, содержащий вычислитель. За счет неоднородного распределения локальной оптической оси пленки световой поток, прошедший через систему, имеет неоднородное распределение интенсивности и спектрального состава в поле наблюдения (см. фиг.2а). Появление поля, подлежащего регистрации (например, электромагнитное поле мобильного телефона), изменяет распределение локальной оптической оси в пленке, что приводит к изменению распределения яркости и цвета пленки, то есть интенсивности и спектрального состава прошедшего через пленку светового потока (фиг.2б). Таким образом, регистрируется появление дополнительного внешнего поля. С течением времени структура пленки адаптируется к дополнительному внешнему полю, что приводит к последующему изменению распределения характеристик прошедшего светового потока, которое становится близким к исходному невозмущенному состоянию (фиг.2в).

Этот эффект может наблюдаться с помощью фотоприемников различного типа, которые преобразуют изображения в цифровой формат, с последующей математической обработкой характеристик светового потока. В качестве поля наблюдения светового потока выбирают участок светового потока, свободный от краевых эффектов, возникающих в месте крепления пленки на кольцевом выступе.

Сравнение интенсивности изображений может производиться, например попиксельным вычитанием яркости одного изображения из другого.

Определение сходств и различий спектрального состава световых потоков можно производить, например, по цветовым гистограммам (см., например. Компьютерное зрение. / Л.Шапиро, Дж.Стокман; Пер с англ. - М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2006, с.259-261), где приведен метод построения RGB-гистограмм.

В примерах 1-4 приведены фотографии изображения пленки, показывающие изменения в динамике интенсивности и спектрального состава светового потока на выходе датчика при воздействии различных физических полей. В примерах 1-4 в качестве источника света использовался белый светодиод, а в примере 5 - лампа накаливания.

Пример 1. Воздействие электромагнитного поля мобильного телефона на свободно подвешенную пленку нематического жидкого кристалла.

Расстояние между мобильным телефоном и датчиком составляло 3 см. Фотографии на фиг.2б и фиг.2в демонстрируют распределение характеристик светового потока через одну и две минуты после появления электромагнитного поля мобильного телефона соответственно.

В течение первой минуты происходит нарастание изменения яркости и цвета пленки, то есть интенсивности и спектрального состава прошедшего светового потока.

С течением времени структура пленки адаптируется к дополнительному внешнему полю, что приводит к последующему изменению распределения характеристик прошедшего светового потока, которое становится близким к исходному невозмущенному состоянию (фиг.2в).

Пример 2. Воздействие магнитного поля напряженностью 500 гаусс на свободно подвешенную пленку нематического жидкого кристалла.

Фотографии на фиг.3б и 3в демонстрируют распределение яркости и цвета пленки через одну и три минуты после появления магнитного поля соответственно.

Возвращение к исходному невозмущенному состоянию не происходит, что может служить идентификационным признаком воздействия сильного магнитного поля.

Пример 3. Воздействие поля источника теплового излучения (колба с теплой водой) на свободно подвешенную пленку нематического жидкого кристалла.

Расстояние между колбой и датчиком составляло 7 см, объем воды - 150 мл, температура воды 35ºC, температура окружающего пространства 25ºC. Фотографии на фиг.4б и 4в демонстрируют распределение яркости и цвета пленки через две и три минуты после появления теплового поля соответственно.

С течением времени структура пленки адаптируется к дополнительному тепловому полю, что приводит к последующему изменению распределения яркости и цвета пленки, которое становится близким к исходному невозмущенному состоянию (фиг.4в).

Пример 4. Воздействие электромагнитного поля мобильного телефона с устройством защиты человека от воздействий вредных излучений технических средств.

Расстояние между мобильным телефоном с устройством защиты и датчиком составляло 3 см. Фотографии на фиг.5б и 5в демонстрируют распределение яркости и цвета пленки через одну и две минуты после появления электромагнитного поля мобильного телефона соответственно.

Пример 5. Воздействие поля источника теплового излучения (колба с теплой водой) на свободно подвешенную пленку кирального жидкого кристалла.

Расстояние между колбой и датчиком составляло 7 см, объем воды - 150 мл, температура воды 35ºC, температура окружающего пространства 25ºC. Фотографии на фиг.6б и 6в демонстрируют распределение яркости и цвета пленки через одну и четыре минуты после появления теплового поля соответственно.

Таким образом, при осуществлении заявляемого изобретения обеспечивается регистрация изменения состояния различных физических полей с различной интенсивностью. При этом регистрация производится с высокой чувствительностью, обеспечивающей, в частности, регистрацию изменения состояния низкоэнергетического излучения мобильного телефона.

1. Способ регистрации изменения состояния электромагнитных полей, который заключается в том, что размещают датчик с чувствительным элементом в виде жидкого кристалла в исследуемой точке окружающего пространства и измеряют изменение характеристик светового потока, проходящего через помещенный между поляроидами жидкий кристалл, не подвергавшийся влиянию измеряемого поля, и после его воздействия, а об изменении состояния измеряемого поля судят по изменению характеристик светового потока, отличающийся тем, что в качестве чувствительного элемента датчика используют свободно подвешенную пленку жидкого кристалла, а характеристики светового потока оценивают в поле наблюдения светового потока после его прохождения через систему поляроид - свободно подвешенная пленка жидкого кристалла - поляроид.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве свободно подвешенной пленки жидкого кристалла используют пленку нематического или кирального жидкого кристалла.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве поля наблюдения светового потока выбирают участок светового потока, свободный от краевых эффектов.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что оценку состояния электромагнитного поля производят по изменению в поле наблюдения распределения интенсивности и спектрального состава светового потока и по динамике изменения этих характеристик.

5. Устройство для реализации способа по п.1, содержащее источник излучения, объектив, фотодетектор и датчик с чувствительным элементом в виде жидкого кристалла, по обе стороны которого установлены поляроиды, отличающееся тем, что в качестве чувствительного элемента датчика используют свободно подвешенную пленку жидкого кристалла, установленную во внутреннем объеме датчика, герметично закрытого поляроидами.

6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что свободно подвешенная пленка жидкого кристалла выполнена из нематического жидкого кристалла, состоящего из жидкокристаллической смеси на основе алкилцианобифенилов.

7. Устройство по п.5, отличающееся тем, что свободно подвешенная пленка жидкого кристалла выполнена из кирального жидкого кристалла, состоящего из смеси нематического жидкого кристалла с активной добавкой, задающей спиральную симметрию жидкого кристалла с шагом спирали, по крайней мере, на порядок большим средней длины световой волны.

8. Устройство по п.5, отличающееся тем, что фотодетектор содержит вычислитель, выполненный с возможностью измерения в поле наблюдения распределения интенсивности и спектрального состава светового потока и динамики изменения этих характеристик.

9. Устройство по п.5, отличающееся тем, что внутренний объем датчика выполнен в виде цилиндрической полости с кольцевым выступом, толщина которого соответствует толщине свободно подвешенной пленки жидкого кристалла.

10. Устройство по п.5, отличающееся тем, что передачу входного светового потока от источника света к поляроиду и выходного светового потока от поляроида к объективу выполняют по оптоволоконному кабелю.