Механооптронв пт б,*.лип п-;^-гп"г^фо?!^ i;-:^;-.:- ^^^i

1щ 4l9739

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

СФюЗ СОеетскмх

Соцналмстмческих

Республнк (61) Зависимое от авт. свидетельства (22) Заявлено 24.02.72 (21) 1751514/18-10 с присоединением заявки (32) Приоритет

Опубликовано 15.03.74. Бюллетень № 10

Дата опубликования описания 12.08.74 (51) М. Кл. G 01h 1/00

Государственный комитет

Совета Министров СССР оо делам изобретений и открытий,,(53) УДК 620.178.53.08 (088.8) (72) Авторы изобретения

И. Г. Чистяков. Л. К. Вистинь и И. Г, Горина (71) Заявитель

Ордена Трудового Красного Знамени Институт кристаллографии им. А. В. Шубникова (54) МЕХАНООПТРОН

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 переменной 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 верхшою 1 и нижшою 2 анизотропные пластины, между которыми находится верхний 3 и нижний 4 чувствительные нормальные 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 корпуса. Корпус помещен

5 между скрещенными поляроидами: поляризатором 6 и анализатором 7 и находится между источником света — светодиодом 8 и приемником света — фотодиодом 9. Естественный луч света, посылаемьш источником света 8, 10 из поляризатора 6 выходит плоскополяризованным и попадает в датчик (1 — 5). В зависимости от расположения оптических осей молекул в слоях жидкого кристалла свет задерживается или пропускается анализатором

15 7. В последнем случае свет попадает в приемник света, например фотодиод 9, или глаз наблюдателя. В качестве рабочего вещества в датчике используются жидкис кристаллы с добавлением поверхностно-активной примеси, 20 которая сообщает длинным молекулам жидкого кристалла способность устанавливаться перпендикулярно поверхностям, заключающим жидкий кристалл. Прн этом молекулы расположены так, что их длинные оси взаим25 но параллельны. Однако упорядоченность во взаимном расположении центров тяжести отсутствует. Длинные оси молекул жидкого кристалла в данном случае под действием примеси устанавливаются перпендикулярно

30 подложке вследствие того, что свободные

419739

45 радикалы примеси своими неспаренными электронами замыкаются на 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 пластину 5, а нормальный слой образуется самопроизвольно.

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 —:100 С).

Нормальный слой очень чувствителен к слабым деформациям (сдвиг, кручение, сжатие). Б 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 двулучепреломления в нормальном слое жидкого кристалла через скрещенные николи начинает проходить свет.

Таким образом, в результате действия механического импульса на нормальный слой жидкого кристалла возникает оптический сигнал. Площадь чувствительного элемента может быть практически любой от 1 мм до

0,5 м .

Механооптрон работает следующим образом.

Чувствительную пластинку 5, через выступ крепят непосредственно или через промежуточную среду к телу, по которому распростра5

30 няются 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 шумы моря и т. д. Частотный диапазон колебаний датчика зависит от его геометрических размеров, толщин нормальных слоев и веса чувствительной промежуточной 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 утодно малой величины. Однако толщина нормального слоя не должна превышать 15 — 20 мкм, при больших 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 опти:еского 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, отл и ч а ю шийся тем, что, с целью повышения чувствительности и надежности, чувствительный элемент выполнен в виде полскопараллельной 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.

419739

Составитель А. Александров

Редактор И. Шубина Техред Л. Богданова Коррекгор H. Торкина

Заказ 1923/1 Изд. № 1388 Тираж 760 Подписное

ЦНИИПИ ГосударственнОГО комптета Совета Мгишстров СССР

IIo дела; изобрете: ий и открытий

Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Типография, пр. Сапунова, 2