СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ Российский патент 1995 года по МПК G01L11/00 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, а именно к способам измерения давления, и может быть использовано в расходомерах. Этим способом можно также измерять любые механические воздействия.

Одной из особенностей нематических жидких кристаллов (НЖК) является их способность изменять исходную ориентацию под действием механических колебаний в широком интервале частот. Это обстоятельство позволяет использовать данные соединения в качестве рабочих тел датчиков механических колебаний.

Известен способ измерения механических воздействий, в котором использовано новое применение НЖК, связанное с регистрацией малых градиентов давления [1] В данной работе описан принцип действия жидкокристаллического расходомера. Преимуществом данного устройства, работающего на принципе дифференциального манометра, является его высокая чувствительность к воздействующему градиенту давления. Дальнейшее повышение этой чувствительности позволило существленно расширить область применения приборов данного типа.

Один из способов достижения этой цели заключается в использовании дестабилизирующего электрического поля, прикладываемого к слою жидкого кристалла [2] Однако при этом замедляется реакция последнего.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ измерения давления [3] реализованный в измерителе разности давления. Этот способ заключается в начальной ориентации нематического жидкого кристалла относительно направления распространения света путем расположения оптической оси кристалла под углом ϕ_o к направлению распространения света, пропускающего света через слой нематического жидкого кристалла, прикладывании к нему давления и измерении изменения оптической прозрачности слоя, по которой определяют давление.

Однако известный способ обладает низкой чувствительностью, так как в нем отсутствует заданная ориентация жидкого кристалла.

В известных устройствах, где используется гомеотропная ориентация жидкого кристалла в отсутствии механического воздействия, оптическая ось жидкого кристалла совпадает с направлением распространения света θ_o= 0. Поэтому вызванные механическим воздействием малые отклонения локальной оптической оси Δθ очень слабо изменяют оптические свойства жидкокристаллической ячейки в этом направлении и дают малые изменения сигнала на фотодиоде (эффект второго порядка). Для наблюдения более сильных беспороговых эффектов первого порядка необходимо либо использовать жидкокристаллическую ячейку с наклонной исходной ориентацией локальной оптической оси жидкого кристалла, либо осуществить наклонное падение света на ячейку.

Целью изобретения является повышение чувствительности.

Поставленная цель достигается созданием способа измерения давления, включающего начальную ориентацию нематического жидкого кристалла относительно направления распространения света путем расположения оптической оси кристалла под определенным углом ϕ_o к направлению распространения света, пропускание света через слой нематического жидкого кристалла, прикладывание к нему давления и измерение изменения оптической прозрачности слоя, по которой определяют давление, в котором, согласно изобретению, дополнительно поляризуют свет, пропускаемый через слой нематического жидкого кристалла, и перед прикладыванием к нему давления изменяют угол ϕ между направлением распространения света и оптической осью жидкого кристалла, причем оптимальное значение угла ϕ определяют по формуле.

ϕ ϕ_o±
Предлагаемый способ измерения давления позволяет более чем в 10 раз повысить чувствительность.

На фиг. 1 показана схема осуществления предлагаемого способа; на фиг.2 изменения амплитуды выходного сигнала при вариации угла.

Предлагаемый способ измерения может быть реализован устройством, состоящим из источника света I (светодиода), поляризатора 2, поляризующего пропускаемый свет, оптической ячейки 3 нематического жидкого кристалла, привода 4 ее поворота, анализатора 5 и фотодиода 6.

Пример конкретного выполнения способа измерения давления в расходомерах, заключается в следующем. Задают ориентацию оптической ячейке 3, представляющей собой две стеклянные пластины с заключенным между ними гомеотропного ориентированным слоем жидкого кристалла (ЖК-654), толщину которого задают обработкой внутренней ее поверхности. Ячейка загерметизирована по периметру за исключением входного и выходного отверстий для подачи разности давлений. Излучаемый источником света 1 свет поляризуют поляризатором 2 и пропускают через оптическую ячейку 3 и после его прохождения через анализатор 5 подают на фотодиод 6, где преобразовывают в регистрируемый электрический сигнал.

Изменяющаяся по гармоническому закону ΔP(t) ΔP_ocosωt разность давлений, подаваемая на оптическую ячейку, приводит к течению жидкого кристалла, соответствующему изменению его оптической характеристики и появлению переменной составляющей электрического сигнала с фотодиода. Поворот слоя жидкого кристалла на угол ϕ осуществляют поворотным приводом оптической ячейки 3. В данном примере при заданной гомеотропной ориентации жидкого кристалла угол ϕ_o= 0. Тогда угол между направлением распространения света и созданной ориентацией жидкого кристалла равен ϕ . Были проведены эксперименты, где исследовалась зависимость отклика ячейки от угла Ψ между волновым вектором и нормалью к плоскости ячейки.

Рассмотрим гомеотропный слой нематического жидкого кристалла, заключенный между прозрачными пластинами ячейки. В отсутствии течения он имеет однородную ориентацию локальной оптической оси жидкого кристалла по нормали к ограничивающим пластинам. При наличии течения, вызванного градиентом давления ΔP/L, ориентация локальной оптической оси изменяется. Величина показателя преломления N необыкновенного светового луча определяется по формуле:
N(θ) = (1) где ε_∥ и ε_⊥ значения высокочастотной (для данной длины световой волны) диэлектрической проницаемости вдоль и поперек директора;
N_e ε_∥^1/2 и N₀ ε_⊥^1/2 главные показатели преломления,
θ угол между волновым вектором и директором. Поэтому разность фаз необыкновенного и обыкновенного линейно поляризованных лучей, описывающая двулучепреломление жидкокристаллического слоя равна:
Φ(t) ∫[N(θ)-N_o]d_x, (2) где профиль ориентации локальной оптической оси ЖК θ(x,t) вместе с близким к пуазейлевскому профилем скоростей V(x,t) в слое определяют из решения нематико-гидродинамической задачи для конкретной временной зависимости перепада давления Δp(t); например, для Δp(t)ΔP_ocos ωt (3). При больших градиентах давления ориентация приближается к однородной с углом
θ θ_o= arctg (4) где α₂, α₃ коэффициенты вязкости Лесли.

Интенсивность света, прошедшего сквозь жидкокристаллическую оптическую ячейку 3, помещенную между скрещенным под углом κ поляризатором 2:
I(t) I_oR[cos²κ sin²ϕ·sin²(ϕ-κ)sin (5) где I_o интенсивность падающего света;
Ψ угол между плоскостями поляризации поляризатора и необыкновенной волны.

Проведенные вычисления показали, что зависимость амплитуды изменений интенсивности (5), вызванных низкочастотными колебаниями давления (3), от угла падения света ϕ (поворота ячейки вокруг направления градиента давления) немонотонная и, в частности, имеет абсолютный минимум при ϕ 0 и резкие максимумы при углах. ϕ= ± 18^о.

Как видно из фиг.2, при значениях угла ϕ ± 18^о наблюдается резкое возрастание чувствительности ячейки к воздействию разности давления. При углах ϕ ± 8^о также имеют место максимумы чувствительности, однако их величина существенно меньше. Отметим, что в электрическом поле данный эффект сохраняется.

Таким образом, изменяя угол ϕ, можно в широких пределах управлять чувствительностью жидкокристаллической ячейки. При этом использование дополнительно стабилизирующего (для НЖК с Δε>0) электрического поля позволяет существенно изменять амплитуду выходного сигнала при углах, соответствующих максимальной чувствительности ячейки.

Таким образом, исследованный эффект позволяет получить высокочувствительную управляемую жидкокристаллическую ячейку для использования в качестве чувствительного элемента датчиков механических колебаний, расходомеров, дифференциальных манометров и др.

Использование: в контрольно-измерительной технике, в способах измерения давления и в расходомерах. Сущность изобретения: с целью повышения чувствительности в способе измерения давления, включающем начальную ориентацию нематического жиркого кристалла относительно направления распространения света путем расположения оптической оси кристалла под определенным углом ϕ_o к направлению распространения света, пропускание света через слой нематического жидкого кристалла, прикладывание к нему давления и измерение изменения оптической прозрачной слоя, по которой определяют давления, дополнительно поляризуют свет и перед прикладыванием к кристаллу давления изменяют угол ϕ между направлением света и оптической осью кристалла, причем оптимальное значение угла v определяют по формуле v=ϕ_o± π/10 . 2 ил.

СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ, включающий начальную ориентацию нематического жидкого кристалла относительно направления распространения света путем расположения оптической оси кристалла под определенным углом ϕ_o к направлению распространения света, пропускание света через слой нематического жидкого кристалла, прикладывание к нему давления и измерение изменения оптической прозрачности слоя, по которой определяют давление, отличающийся тем, что дополнительно поляризует свет, пропускаемый через слой нематического жидкого кристалла, и перед прикладыванием к нему давления изменяют угол ϕ между направлением распространения света и оптической осью жидкого кристалла, причем оптимальное значение угла определяют по формуле