УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ВЯЗКОУПРУГИХ ПАРАМЕТРОВ ЖИДКИХ КРИСТАЛЛОВ РЕОЛОГИЧЕСКИМ МЕТОДОМ

Полезная модель относится к устройствам измерения вязкоупругих параметров (сдвиговой вязкости и коэффициента поверхностного натяжения) жидких кристаллов (ЖК) и может быть использована в научных исследованиях физико-химических свойств ЖК, характеризующих рабочие характеристики ЖК дисплеев и устройств фотоники.
0
Из уровня техники [Mohammad Heshmati et al. Experimental investigation of dynamic contact angle and capillary rise in tubes with circular and noncircular cross sections / Langmuir, 2014, V. 30, pp. 14151-14162] известен метод определения реологических параметров изотропных жидкостей путем создания и изучения сдвигового затухающего потока Пуазейля, реализуемого при затекании жидкости в вертикально ориентированный капилляр. При этом предельная высота подъема жидкости (l) при известном значении краевого угла θ и коэффициента поверхностного натяжения σ, определяется соотношениями:
- для цилиндрического капилляра,
- для плоского капилляра,
где r(h) - радиус цилиндрического капилляра (зазор плоского капилляра), ρ - плотность жидкости и g - ускорение свободного падения. Значение коэффициента сдвиговой вязкости может быть получено путем измерений мгновенных значений  высоты подъема мениска с последующей аппроксимацией нелинейной функцией, которую для плоского капилляра можно записать в виде
где характеристическое время:
прямо пропорционально коэффициенту сдвиговой вязкости η.
При экспериментальной реализации данного метода использовано осуществляемое вручную движение фотокамеры, регистрирующей движение мениска, что необходимо для повышения точности измерений. Дальнейшая информация была получена путем последующей обработки мгновенных цифровых изображений менисков. Такой способ измерений требует повышенной точности позиционирования фотокамеры, повышенного быстродействия фотокамеры одновременно с высоким ее разрешением, так как движение жидкости в капилляре может быть достаточно быстрым и фотографии будут получаться нечеткими. При регистрации видеокадров необходимо их синхронизировать, в противном случае перемещение мениска ЖК в капилляре будет определено с низкой точностью. Это связано с тем, что фотокамера не всегда регистрирует кадры с одинаковым интервалом времени, а при использовании специальных фотокамер с внешней синхронизации приводит к существенному удорожанию системы в целом. Также такой подход предъявляет ряд требований к качеству обработки кадров.
Предлагаемая полезная модель позволяет решить проблемы, связанные с низкой точностью измерений и сложной обработкой получаемых изображений.
Таким образом, технический результат заключается в повышении точности измерений и упрощении обработки получаемых изображений.
Технический результат достигается тем, что устройство для измерения вязкоупругих параметров жидких кристаллов реологическим методом содержит моторизованный столик, платформа которого выполнена с возможностью закрепления контролируемого образца - капилляра с жидким кристаллом, оптопару, установленную с возможностью передачи сигнала на микроконтроллер, который выполнен с возможностью передачи обработанного сигнала на компьютер, драйвер шагового двигателя, приводящий в движение платформу моторизованного столика, и лазерный датчик расстояния, измеряющий перемещение платформы моторизованного столика, соответствующее перемещению мениска жидкого кристалла в капилляре, при этом указанный лазерный датчик расстояния выполнен с возможностью передачи сигнала на упомянутый микроконтроллер.
Достижение технического результата основано на применении моторизованного столика, движение платформы которого обеспечивается в заданной плоскости (вертикальной или горизонтальной), драйвера шагового двигателя, работающего в режиме микрошага и обеспечение деления 1 шага (1,8°) на 16, лазерного датчика расстояния для измерения перемещения платформы моторизованного столика, на которой закреплен образец (капилляр с жидким кристаллом). Сигналы, получаемые с оптопары и лазерного датчика расстояния, обрабатываются на микроконтроллере, полученная информация может быть передана в компьютер или отображена на индикаторе.
Совокупность указанных элементов позволит получить требуемый технический результат и являются существенными признаками полезной модели.
Полезная модель поясняется блок-схемой устройства (фиг. 1).
На фиг. 1 показана блок-схема полезной модели. На платформу моторизованного столика 4, управляемую драйвером шагового двигателя 5, закрепляется образец 2, представляющий плоский капилляр с двумя открытыми торцами. Перемещение платформы моторизованного столика начинается в момент времени, соответствующий частичному перекрытию жидким кристаллом излучения лазера 1, что приводит к изменению интенсивности излучения лазера, регистрируемого фотодиодом 1'. Величину перемещения можно регистрировать с помощью микрометрического винта, к которому прикреплен вал шагового двигателя, или же в автоматическом режиме - лазерным датчиком расстояния 3, точность которого может достигать 0,01 мм.
Для увеличения изменения величины интенсивности лазерного излучения 1, вызванного перекрытием лазерного луча жидким кристаллом, на выходной апертуре лазера и входной апертуре фотодиода закрепляются взаимно скрещенные поляроиды 7. Фотодиод работает в фотодиодном режиме, сигнал с его выхода усиливается с помощью операционного усилителя, включенного по стандартной схеме неинвертирующего усилителя. Усиленный сигнал подается на аналого-цифровой преобразователь (АЦП), встроенный в микроконтроллер (МК) 6, по результатам преобразования принимается решение о сдвиге образца 2. Частота преобразования АЦП составляет 100 кГц, при этом выполняется цифровая фильтрация с помощью медианного фильтра. Управление шаговым двигателем может осуществляться с помощью использования стандартного драйвера шагового двигателя, либо с помощью драйвера шагового двигателя, реализованного по мостовой схеме с использованием транзисторов.
Для увеличения точности измерений реализована функция начального позиционирования образца. При нажатии кнопки «старт» подбирается такое граничное положение платформы моторизованного столика 4, при котором минимально возможное смещение приводит либо к полному перекрытию лазерного излучения (смещение от образца), либо к полному просветлению (смещение в сторону к образцу). Ширина пятна лазера регулируется диафрагмой 8, что позволяет изменять чувствительность системы.
Измерение смещения платформы моторизованного столика 4 осуществляется с помощью лазерного датчика расстояния 3, работающего в диапазоне до 50 мм и обычно ошибка измерений не превышает 2% от диапазона. Сигнал от этого датчика может быть цифровым или аналоговым. В случае аналогового сигнала, он подается на вход АЦП МК 6 (через усилитель, если это необходимо), в случае цифрового сигнала - на цифровой вход микроконтроллера 6. Частота преобразования сигнала в 4 раза выше частоты вращения вала шагового двигателя. Такая частота преобразования соответствует полному восстановлению профиля перемещения платформы. Измерения смещения начинаются заранее до начала смещения платформы моторизованного столика 4, что позволяет зарегистрировать начальное положение и точно зафиксировать момент начала движения платформы моторизованного столика.
Работоспособность устройства была проверена на макете и показала свою пригодность для измерений реологических параметров жидких кристаллов. Результаты измерений перемещения платформы моторизованного столика L, равного перемещению мениска  показаны на фиг. 2. При этом использовался плоский капилляр с зазором h, закрепленный на платформе горизонтального столика. В этом случае, соотношение (3) упрощается, и величина перемещения  описывается выражением:
мин
В качестве контрольного объекта исследования использовался нематический жидкий кристалл пентил-цианобифенил (5ЦБ) с измеренными ранее значениями материальных параметров [Stewart I.W. The Static and Dynamic Continuum Theory of Liquid Crystals. London: Tayor & Francis, 2004, 351 p.]. Измерения проводились при комнатной температуре Т=23°C. Сплошной линией на фиг. 2 представлена теоретическая зависимость (5), хорошо аппроксимирующая экспериментальные данные. Рассчитанное значение коэффициента сдвиговой вязкости η=0,025 Па⋅с хорошо коррелирует с минимальным значением η=0,023 Па⋅с [Беляев В.В. Вязкости нематических жидких кристаллов. Москва. ФИЗМАТЛИТ, 2002, 224 с.] при близкой температуре, что объясняется явлением ориентации директора жидкого кристалла по направлению потока. Таким образом, продемонстрирована работоспособность устройства при измерениях сдвиговой вязкости жидких кристаллов.
Устройство было реализовано на микроконтроллере Stm32f051r8t6 с тактовой частотой работы 48 МГц и частотой тактирования АЦП 14 МГц. В микроконтроллере были реализованы модуль управления драйвером шагового двигателя, модуль измерения с помощью АЦП и модуль обработки и передачи данных в компьютер (или индикатор). В качестве драйвера шагового двигателя применялась стандартная микросхема ТВ6560, в которой реализованы соответствующий режим управления - микрошаговый режим с делением шага на 16. АЦП для преобразования сигнала с фотодиода с частотой преобразования 100 кГц. При превышении порога сигнала (уставки) выполняется движение платформы моторизованного столика. При этом в память предварительно записывается начальное положение и время начала движения этой платформы. Движение платформы осуществляется до тех пор, пока уровень сигнала не станет ниже уставки. Для обеспечения более плавного смещения и непрерывности движения этой платформы возможно использование ПИД-регулятора скорости. Использование данного способа регулирования движением платформы позволит получить более плавное ее смещение, а также позволит обеспечить непрерывность ее движения. В качестве датчика расстояния использовался CD33-50NV/PV фирмы Optex с аналоговым интерфейсом и диапазоном выходного напряжения от 0 до 10 В. Для согласования уровней с микроконтроллером используется пассивный аттенюатор на резисторах, согласование сопротивления выполнено с помощью повторителя напряжения на операционном усилителе.