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基于液晶电光效应的智能调光玻璃装置

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 um ,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(Pl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。

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9o°[1o]
在零电场时,平行于Pl透光轴的线偏振光经过液品盒到达下极板时,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"时,除了透明电极表面附近的液品分子被锚定外,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Pl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[2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。

(1)控制开关:由电路电源VCC(+12 V)以及总控制开关Ki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K:连接位置1时,自动电路依次由电阻R和与R并联的液晶屏LCD、光敏电阻R以及电阻R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R:、可调精密电位器rn(最大值为22 kQ)、与R4和r并联的电阻R。及液晶屏部分组成,手动电路可通过调节可调精密电位器r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 Rs 、与电阻R。并联的LED光源(额定电压为12V)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,将液晶屏插人插槽,使光线垂直入射

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,图 4I7小,t1付北R阻的暗电阻为12O k2。由图4可1特以er无在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 10o 2 ;光照度高于4.I"V心昭C二股值变化范围较小。考虑到啃大至.内的XL州S点在100~一2 000 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。
3 .3液晶视角特性的测量
将液晶屏插人插槽里,使光照垂直入射到液晶屏,并在供电电压为0V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,开绘制仪而优用行上x,HS5所示。


由图5可得,供电电压为0V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。

由图l6 可得,当供电电压为零他场的大aER几:随着液晶屏倾斜程度的增大,很前开的逆以f天飞E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少化嚬应为6%,这表明液晶屏在强光上对米目个回协用4的阻挡效果较为稳定,从而保证了整个装置性能的悬定性。
4结论
将液晶屏、光敏电阻及可调稍怡电11m口E区计了—种智能调光玻璃装直。当I应在E'R江添计状态时,液晶玻璃处于常态,1保址J对几St以率;当开关闭合时,控制电路可选择处丁目到取jRA态。当装置处于自动模式控制电路状态时,光驭电阻根据光强的变化改变自身阻值,从而改少股前开的2过率,进而将入射光强限制在一个合过的汜H内。.装置处于手动模式控制电路时,通过调节精密电位器,i进而连续改变调光玻璃的透过率。如界有双辉低1L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。

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