基于液晶电光效应的智能调光玻璃装置

赵永潜, 张亚萍, 许广建, 房灵猛, 刘金柱

(中国石油大学( 华东) 理学院, 山东 青岛　266580)



基于液晶电光效应的智能调光玻璃装置

赵永潜, 张亚萍, 许广建, 房灵猛, 刘金柱

(中国石油大学( 华东) 理学院, 山东 青岛266580)

为了实现对室内光强的调节,根据光敏电阻、可调精密电位器以及液晶电光效应原理,设计了一种智能调光玻璃,并进行了理论分析和实验验证。在自动模式控制电路下,当室外光强改变时,光敏电阻的阻值随光强改变,进而通过控制电路改变液晶两端的电压,达到将玻璃后的光强控制在一个合适的光强范围内的目的；在手动模式控制电路下,通过精密可调电位器连续地改变玻璃后的光强。测试结果表明,这种智能调光玻璃的设计方案,可在光强变化时把光强控制在一定范围内,并能连续调节玻璃后的光强。

液晶； 电光效应； 智能调光玻璃； 视角特性

自21世纪以来,随着城市现代化建设的推进,玻璃已成为日常生活、生产和科学技术领域的重要材料[1-4],但由于传统玻璃的功能相对单一,越来越不能满足人们日趋增长的需求,因此对特种玻璃的需求也愈来愈强烈。在调光玻璃方面,目前的研究多集中在材料领域,在玻璃中加入各种金属和金属氧化物[5]从而改变玻璃的颜色,但这种玻璃的透光率恒定,无法在多变的天气下输出适宜的光强。为了能够控制玻璃对自然光的透过率,并减少光反射,降低光污染[6],本文设计了一套基于液晶电光效应的智能调光玻璃装置。

1　实验原理

1.1TN型液晶盒的结构原理

TN型液晶盒的结构原理见图1。在两块玻璃片之间夹有正性向列相液晶,液晶分子的形状多为细长棒状[7],液晶层厚度一般为5～8 μm,玻璃片的内表面覆有透明电极[8],电极的表面涂有取向剂,这样,液晶分子在透明电极表面就按一定方向排列,且上下电极上的取向方向相互垂直。由于边界的锚定[9]作用,电极表面的液晶分子取向不会因外场的作用发生变化；上下电极之间的液晶分子因范德瓦尔斯力的作用,趋向于平行排列。由于上下电极上液晶的定向方向相互垂直,因而从俯视方向看,液晶分子的排列方向从上电极的沿0°方向排列逐渐均匀地扭曲到下电极的沿90°方向排列,整个扭曲了90°。液晶盒玻璃片的两个外侧分别贴有偏振片(P1和P2),P1的透光轴与上电极的定向方向相同,P2的透光轴与下电极的定向方向相同。

图1　液晶盒的结构原理

1.2TN型液晶的电光效应

研究表明,上述的扭曲排列结构具有光波导的性质,即偏振光从上表面穿过扭曲排列的液晶传播到下表面时,偏振方向会偏转90°[10]。

在零电场时,平行于P1透光轴的线偏振光经过液晶盒到达下极板时,其偏振方向偏转90°,与P2透光轴平行,故可从下极板出射,液晶屏此时为透明状态,如图1(a)所示。对液晶施加电场,当电场高于一定值[11]时,除了透明电极表面附近的液晶分子被锚定外,其他液晶分子趋向于平行于电场方向排列,液晶的扭曲结构被破坏,如图1(b)所示,这时,从P1透射出来的线偏振光在液晶中传播时,其偏振方向不再旋转,与P2垂直,不能从P2出射,因而光被阻断。

1.3光敏电阻

光敏电阻是基于内光电效应[12]制成的电阻器。在半导体光敏材料两端装上电极引线,将其封装在带有透明窗的管壳里就构成光敏电阻。为增加灵敏度,两电极常做成梳状。通常在绝缘衬底上制作很薄的光敏电阻体及梳状欧姆电极,接出引线,封装在具有透光镜的密封壳体内,以免受潮影响其灵敏度。在光敏电阻两端的金属电极上加电压,其中便有电流通过,当受到适当波长的光线照射时,电流就会随光强的增大而变大,从而实现光电转换。

光敏电阻可以视为光照驱动的软开关,可以决定电路的输出量。以光敏电阻作为光开关电路的驱动核心,灵敏性较好,使用方便,即使在高温、多湿的恶劣环境下,也能保持较高的稳定性和可靠性。在驱动电路中光敏电阻两端电压随着光照强度的改变而改变,作为软开关控制液晶屏两端的电压,配合其他电路可将液晶的透过率控制在合适的范围内。

1.4可调精密电位器

可调精密电位器主要是通过改变电阻接入电路的长度来改变阻值。可调精密电位器可视为手动电路中液晶屏的驱动核心,可通过连续调节自身阻值改变液晶屏两端电压,从而改变液晶透过率。由于液晶屏对电压的变化较为敏感,采用小阻值的可调精密电位器可提高装置的调节精度。

2　智能调光玻璃装置的硬件设计

本智能调光玻璃装置电路(见图2)主要由控制开关、自动电路、手动电路、光源控制电路组成。

图2　智能调光玻璃装置电路

(1) 控制开关:由电路电源VCC(+12 V)以及总控制开关K1组成,作用是保证电路的电压输出和控制电路的通断。当开关断开时液晶屏保持常态；当开关接通时,可以控制电路状态和液晶屏的输出光强。

(2) 自动电路:当开关K2连接位置1时,自动电路依次由电阻R1和与R1并联的液晶屏LCD、光敏电阻RL以及电阻R2构成。此时,光敏电阻根据接收的光强大小改变自身的阻值进而影响液晶屏的电压,改变液晶屏透过率,进而调节液晶屏的输出光强。照射光强越大,电路输出给液晶屏的电压越大,液晶屏透过率越小；反之,液晶屏透过率变大,从而将液晶屏的输出光强控制在合适范围内。

(3) 手动电路:当开关K2连接位置2时,电路由电阻R4、可调精密电位器r1(最大值为22 kΩ)、与R4和r1并联的电阻R3及液晶屏部分组成,手动电路可通过调节可调精密电位器r1进而连续地改变液晶屏两端的电压,达到连续地改变输出光强的目的。

(4) 光源控制电路:由电阻R5、与电阻R5并联的LED光源(额定电压为12 V)以及可调精密电位器r2组成。通过可调精密电位器调节光源的光强,来模拟外界自然光的变化。由于液晶的稳定性也受到温度的影响,该电路部分用LED灯做光源,以提高装置的稳定性。

3　实验装置性能分析

3.1液晶屏的电光特性测量

启动装置,将液晶屏插入插槽,使光线垂直入射, 在液晶屏不加电场的情况下,将透过率校准为100%,然后调节液晶屏两端电压,记录相应电压下的液晶透过率并绘制电光特性曲线,如图3所示。由图3可知,液晶的透过率随外加电压的升高而逐渐降低,在一定电压下达到最低点。根据图3电光特性曲线得到液晶的阈值电压为3.85 V,关断电压为5.2 V,因此设计电路中液晶屏端电压的调节范围为2.5～7.0 V,可保证液晶屏的透过率在0～100%的最大范围内变化。

图3　液晶屏的电光特性曲线

3.2光敏电阻特性测量

固定光照度计和光敏电阻的位置,改变入射光强,测量并记录不同光强下的光照度与光敏电阻的阻值,并绘制光敏电阻的特性曲线,如图4所示,测得光敏电阻的暗电阻为120 kΩ。由图4可得,光敏电阻阻值随照射光强的增大而快速降低。光照度在4 000 lx(未在图4中列出)以下时,光敏电阻阻值较为敏感,其阻值已降至1 100 Ω;光照度高于4 000 lx时 ,光敏电阻阻值变化范围较小。考虑到晴天室内的光线光照度一般在100～2 000 lx,在自动控制电路中,当投射到液晶屏的光照度为1 000 lx时,依据此时的光敏电阻阻值,设计控制电路输出给液晶屏的端电压为3.5 V,当液晶屏接收的光照度增加时,光敏电阻驱动电路自动调节液晶屏的输出光强在适当范围内。

图4　光敏电阻的特性曲线

3.3液晶视角特性的测量

将液晶屏插入插槽里,使光照垂直入射到液晶屏,并在供电电压为0 V时,将透过率显示校准为100%。将液晶屏视角角度从-90°转到90°,测量并记录此时液晶屏的透过率变化,并绘制液晶视角特性曲线,如图5所示。

图5　液晶屏的视角特性曲线

由图5可得,供电电压为0 V时,随着液晶屏水平倾斜程度的增大,液晶屏的透过率逐渐减小到零,在视角为-60°～60°的较大范围内,液晶屏的透过率处于较高水平,表明液晶屏在零电场时可在较大的视角范围内保持较高的透过性,从而保证了光线在较大的视角范围内照射调光玻璃时可以通过,确保调光玻璃的基本采光功能。

将外加电压调至0视角对应的关断电压,逐渐将液晶屏视角角度从-90°转到90°,测量并记录此时液晶屏透过率变化,并绘制视角特性曲线,如图6所示。

图6　关断电压下液晶屏的视角特性曲线

由图6可得,当供电电压为零视场的关断电压时,随着液晶屏倾斜程度的增大,液晶屏的透过率呈现先小幅度减小再增大趋势,透过率增大到一定数值后再逐渐减小到零,液晶屏此时在-40°～40°视角范围内透过率变化不明显,不同视角的透过率最大变化幅度为6%,这表明液晶屏在强光下对来自不同视角的光的阻挡效果较为稳定,从而保证了整个装置性能的稳定性。

4　结论

将液晶屏、光敏电阻及可调精密电位器相结合,设计了一种智能调光玻璃装置。当总控制开关处于断开状态时,液晶玻璃处于常态,保证了对光线的高透过率；当开关闭合时,控制电路可选择处于自动或手动状态。当装置处于自动模式控制电路状态时,光敏电阻根据光强的变化改变自身阻值,从而改变液晶屏的透过率,进而将入射光强限制在一个合适的范围内。当装置处于手动模式控制电路时,通过调节精密电位器,进而连续改变调光玻璃的透过率。如果有效降低液晶片的制造成本,则智能调光玻璃可具有较好的市场应用前景。

References)

[1] 罗艳,王星然.玻璃幕墙在城市设计中的应用[J].山西建筑,2015,41(6):24-25.

[2] 文雨晴,雷凌华,吴林鲜,等.玻璃材料的景观应用研究[J].农业科学与技术:英文版,2015,16(3):562-564.

[3] 罗礼平,张利嵩.玻璃钢复合材料受热状态物性参数变化研究[J].玻璃钢/复合材料,2015(2):60-63.

[4] 李振,李西川,余涛,等.玻璃基板材料化学钢化试验研究[J].玻璃,2015,42(2):26-30.

[5] 何峰,陈军龙,田沙沙,等. CeO2、TiO2混合着色黄色乳浊玻璃的研究[J].武汉理工大学学报,2013,35(11):34-37.

[6] 高树鹏.玻璃幕墙光污染问题研究及防治对策[J].山西建筑,2015,41(3):200-201.

[7] 黄子强.液晶显示原理[M].北京:国防工业出版社,2008:1-2.

[8] 袁顺东,王世燕,王殿生.液晶电光效应的实验研究[J].物理实验,2014,34(4):1-4.

[9] 叶文江,刘小松,宋晓龙 ,等.基板锚定特性对液晶盒电容的影响[J].液晶与显示,2014,29(5):686-691.

[10] 李书光,张亚萍,朱海丰.大学物理实验[M].北京:科学出版社,2012:266-273.

[11] 刘晓梦,布秀敏,秦禹,等. 液晶动态响应实验研究[J].实验技术与管理，2015,32(3):77-80.

[12] 周红,杨卫群,沈学浩,等.光敏电阻基本特性测量实验的设计[J].物理实验,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

国家自然科学基金面上项目(21476262)；教育部高等学校研究项目(DWJZW201522hd);中国石油大学(华东)教改项目(JY-A201402)； 中国石油大学(华东)大学生创新训练计划项目(20151288)；中国石油大学(华东)自主创新科研计划本科生项目(2015)

赵永潜(1993—),男,山东济宁,本科生,主要从事液晶电光特性研究

E-mail:zyqianlucky@163.com

张亚萍(1967—),女,陕西蓝田,硕士,副教授,硕士生导师,主要研究方向为物理实验教学与研究,纳米材料的合成、制备及其性能研究,材料腐蚀与检测等.

E-mail:zhangyp@upc.edu.cn

TQ171.73

A

1002-4956(2016)3- 0101- 04