МЕХАНООПТРОНВ ПТ Б,*.лип п-;^-ГП"г^ФО?!^ i;-:^;-.:- ^^^i Советский патент 1974 года по МПК G01H1/00 

Изобретение относится к области оптического приборостроения и может быть применено для измерения различных механических величин (давления, усилий, вибраций и т. п.).

Известные механооптронные датчики, содержащие источник и приемник света с жидкокристаллическим слоем перемепной прозрачности, обладают низкой точностью и надежностью из-за наличия, передаваемых напряжений в стеклах, а также из-за необходимости подвода энергии для поддержания жидкокристаллического состояния вещества.

Для повышения чувствительности и надежности, чувствительный элемент предлагаемого механооптрона выполнен в виде плоскопараллельной оптически прозрачной анизотропной пластины, помещенной в жесткий оптически прозрачный корпус между нормальными жидкокристаллическими слоями в свободном состоянии, при этом воспринимающая часть пластины выступает из корпуса наружу.

На чертеже представлена схема предлагаемого механооптрона.

Жесткий корпус содержит верхнюю 1 и нижнюю 2 анизотропные пластины, между которыми находится верхний 3 и нижний 4 чувствительные пормальные слои жидкого кристалла, между которыми, в свою очередь, помещена чувствительная анизотропная прозрачная пластина 5. Она имеет зазор и не касается стенок контейнера, находясь как бы в плавающем состоянии. Для подачи на пластину 5 механического сигнала часть ее (примерно 1/3) выходит из корнуса. Корпус помещен

между скрещенными поляроидами: поляризатором 6 и апализатором 7 и находится между источником света - светодиодом 8 и приемником света - фотодиодом 9. Естественный луч света, посылаемый источником света 8,

из поляризатора 6 выходит плоскополяризованным и попадает в датчик (1-5). В зависимости от расположения онтических осей молекул в слоях жидкого кристалла свет задерживается или пропускается анализатором

7. В носледнем случае свет попадает в приемник света, например фотодиод 9, или глаз наблюдателя. В качестве рабочего вещества в датчике используются жидкие кристаллы с добавлением поверхностно-активной примеси,

которая сообщает длинным молекулам жидкого кристалла способность устапавливаться перпендикулярно поверхностям, заключающим жидкий кристалл. При этом молекулы расположены так, что их длинные оси взаимно параллельны. Однако упорядоченность во взаимном расположении центров тяжести отсутствует. Длинные осн молекул жидкого кристалла в данном случае под действием примеси устанавливаются перпендикулярно

подложке вследствие того, что свободные

радикалы примеси своими неспаренными электронами замыкаются па поверхности подложки. Молекулы примеси имеют анизаметричную форму, в результате чего располагаются перпендикулярно подложке. Тем самым они образуют матрицы на поверхностях, которые и задают ориентацию молекулы жидкого кристалла. Под нормальным слоем понимается слой, в котором молекулы удлиненной формы расположены перпендикулярно поверхности, ограничивающей вещество. Таким образом в чистый корпус достаточно залить смесь жидкого кристалла и вставить иластину 5, а нормальный слой образуется самоцроизвольно.

Механооптрон может работать в течение длительного времени в температурном интервале, например, 14-;- + 100°С. Температурные ограничения вызваны тем, что пока в практике имеется вещество, способное находиться в нематическом состоянии только в таком интервале температур (-14-ь100°С).

Нормальный слой очень чувствителен к слабым деформациям (сдвиг, кручение, сжатие). В результате деформации молекулы вещества отклоняются от взаимо параллельной ориентации относительно друг друга и перпендикулярно расположены относительно поверхности подложки. Поэтому масса вещества, выглядевшая ранее в скрещенных николях темной, выглядит светлой, кроме того, вследствие возникновения двулучепреломлепия в нормальном слое лшдкого кристалла через скрещенные николи начинает проходить свет.

Таким образом, в результате действия механического импульса па нормальный слой жидкого кристалла возникает оптический сигпал. Площадь чувствительного элемента может быть нрактически любой от 1 мм до 0,5 м2.

Механооптрон работает следующим образом.

Чувствительную пластинку 5, через выступ крепят непосредственно или через промежуточную среду к телу, по которому распространяются механические колебания. Это могут быть колебания газа, жидкости или твердого тела. Например, если на выступ передавать колебания от диффузора, то при помощи данного датчика можно записывать речь, музыку, в гидролокации щумы моря и т. д. Частотный диапазон колебаний датчика зависит от его геометрических размеров, толщин нормальных слоев и веса чувствительной нромежуточной пластины. Частота записываемых механических колебаний может достигать нескольких десятков килогерц. Увеличивая толщины нормальных жидкокристаллических слоев и уменьшая вес чувствительной промежуточной

пластины, можно достичь регистрации механических колебаний сколь угодно малой величины. Однако толщина нормального слоя не должна превышать 15-20 мкм, при больщих толщинах нормальные слои либо неустойчивы,

либо отсутствуют. Чувствительность здесь будет ограничиваться только вязкими силами жидкого кристалла, а его вязкость близка к вязкости воды. При этом отклонение оптических осей молекулы, даже на 0,5° от перпендикулярного положения уже надежно регистрируется, а так как слой двойной, то длина оптического пути, а следовательно, и разность хода между обыкновенными и необыкновенными лучами возрастает в два раза. Это, в

свою очередь, приводит к увеличению чувствительности минимум в два раза по сравнению с известным датчиком.

Предмет изобретения

Механооптрон, содержащий источник и приемник света с чувствительным элементом и скрещенными поляроидами между ними, о тл и чающийся тем, что, с целью повышения чувствительности и надежности, чувствительный элемент выполнен в виде полскопараллельной оптически прозрачной анизотропной пластины, помещенной в жесткий оптически прозрачпый корпус между нормальными жидкокристаллическими слоями в свободном состоянии, при этом воспринимающая часть пластины выступает из корпуса наружу.

У // //

iiiiiiiii:ii.

1 у/ // // // // // //

,||||||||||||||||11Й .

// // -2

// //

//

// I/