CN107783319B - 一种实现光谱透过率连续选择性调控的智能玻璃仪器 - Google Patents
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Abstract
一种实现光谱透过率连续选择性调控的智能玻璃仪器，包括离子液腔(1)、磁流体腔(2)、电场发生装置(3)、磁场发生装置(4)，通过改变外部电压、磁场的大小来实现光的选择性和连续性调控。对于离子液体，利用其对特定光谱范围吸收系数随外部电压发生变化；对于磁流体，利用交变电场产生磁场及磁流体磁光效应实现对光从强到弱的连续性调控，克服了现有技术中变色玻璃不具备连续调控及光谱选择性调控的问题，可靠性高。
Description
技术领域
本发明涉及一种实现光谱透过率连续选择性调控的智能玻璃仪器，属于智能材料应用领域。
背景技术
具有光谱透过率连续及选择性调控的智能玻璃器件因为其在军事伪装、防窃听泄密、信息加密、隐私保护、农产品种植等方面有着广泛的技术需求，目前已经成为国内外光调控技术发展的重要方向。
传统的基于化学原理的智能玻璃可以实现光谱的选择性调控，但无法很好的实现光强的连续性调控，在重复性利用方面也较为复杂。液晶型智能玻璃可以实现较大透射率范围内的光调控，但其不具备连续调控及光谱选择性调控的特点，可靠性较差，不能满足同时实现光强连续性和光谱选择性的调控需求，响应速度较慢。
发明内容
本发明解决的技术问题是：针对现有技术的不足，提出一种实现光谱透过率连续选择性调控的智能玻璃仪器，利用离子液体、磁流体等软物质材料的电光效应和磁光效应，解决了现有传统智能玻璃对光谱选择性和光强连续性调控难以兼顾的难题。
本发明解决上述技术问题是通过如下技术方案予以实现的：
一种实现光谱透过率连续选择性调控的智能玻璃仪器，包括离子液腔、磁流体腔、电场发生装置、磁场发生装置，其中所述离子液腔与磁流体腔分别位于同一玻璃机体上半部分与下半部分，离子液腔两侧侧壁安装通过改变电压大小改变离子液腔内光谱吸收系数的电场发生装置，磁流体腔两侧侧壁安装通过改变磁场大小改变磁流体腔内光谱吸收系数的磁场发生装置。
所述电场发生装置输出电压范围为0～60V/m，调节精度大于0.1V。
所述磁场发生装置输出磁场强度范围为0.1T-0.3T，所需电流强度范围为1A-3A，磁场强度的控制精度为0.01T，电流的控制精度为0.02A。
所述电场发生装置电极选用铂电极或钛基底镀铂电极，当选用钛基底镀铂电极时，镀铂厚度不小于50μm。
所述玻璃机体材料均采用氟化钙或氟化钡。
所述玻璃机体厚度范围为0.2cm-0.5cm。
所述离子液腔与所述磁流体腔高度范围为0.2-1cm。
优选的，所述离子液腔内离子液的光谱透过率范围为0％-90％。
进一步的，所述磁流体腔内磁流体的光谱透过率范围为0％-100％本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明提供的一种实现光谱透过率连续选择性调控的智能玻璃仪器，通过采用电场发生装置改变电压控制离子液腔光谱吸收系数、采用磁场发生装置改变磁场强度控制磁流体腔光谱吸收系数，实现对整个仪器整体光谱透过率的实时连续调控，同时断电后仍能离子液腔、磁流体腔恢复，能进行可重复性调控，结构简单，易操作；
(2)本发明提供的控制方式多为主动或半主动控制，能适用于对特定波段电磁波进行屏蔽的场合，能覆盖红外波段及微波波段，调控光谱范围覆盖可见光及附近波段，适用性好，适用范围广。
附图说明
图1为发明提供的智能玻璃仪器组成示意图；
图2为发明提供的离子液腔电场发生装置设计图；
图3为发明提供的磁流体腔磁场发生装置设计图；
图4为发明提供的光谱吸收系数检测装置图；
图5为发明提供的离子液体导电光现象调控试验数据图；
图6为发明提供的磁流体磁光效应调控试验数据图；
图7为发明提供的光谱透过率T随着磁场强度变化试验数据图；
具体实施方式
一种实现光谱透过率连续选择性调控的智能玻璃仪器，包括离子液腔1、磁流体腔2、电场发生装置3、磁场发生装置4，所述智能玻璃仪器侧壁及顶部、底部均采用特制玻璃板，其中，所述离子液腔1中填充特制离子液体，磁流体腔2中填充特制磁流体，离子液腔1一侧侧壁外侧安装电场发生装置3，磁流体腔2一侧侧壁外侧均安装磁场发生装置4，当外部光源输入所述仪器中时，离子液腔1侧壁电场发生装置改变电压大小对光谱吸收系数进行调节，输出电压越大，光谱吸收系数越大，对光透过率越低；磁流体腔2侧壁磁场发生装置改变磁场大小对光谱吸收系数进行调节，输出磁场强度越大，光谱吸收系数越大，对光透过率越低，分别进行光谱吸收阻隔后输出所需光谱。其中，所述玻璃仪器壁厚为0.2cm-0.5cm。
本仪器原理基于离子液体和磁流体这两种软材料的电光效应和磁光效应，将以上材料封装于带有电极的封闭夹层中，通过改变外部电磁场的大小来实现光的选择性和连续性调控。对于离子液体，利用其对特定光谱范围吸收系数随外部电压发生变化，随着电压越高，光吸收能力越强，且在外部电压未超过阈值时，撤去电压后能恢复原本属性的特点，从而实现光谱选择性调控。对于磁流体，基于亥姆赫兹线圈的原理来施加磁场，利用其在磁场作用下会自发聚集到强磁场区域，且磁场越大聚集越密集，一旦撤掉磁场就会由于重力恢复成原来形状，利用交变电场产生磁场及磁流体磁光效应是来实现对光从强到弱的连续性调控。通过在三层玻璃之间分别填充磁流体和离子液体制造的智能玻璃器件，可以对光透过率在特定范围内自由调节，根据波长在可见、近红外、微波段等波段对吸收光强进行选择性调控。
本仪器的设计原理如下：
(1)基于电光效应、电磁感应和磁光效应，将离子液体和磁流体这两类软物质封装于带有电极和磁极的封闭夹层中，通过改变外部电磁场大小来实现光的选择性和连续性调控；
(2)利用对特定的离子液体在电压阈值范围内施加电压能使其光谱吸收系数发生改变(通常是光谱吸收系数随外加电压增大而增大)，而撤去电压后其吸收系数又能复原这一特点，诸如咪唑盐在类的一类离子液体均具有上述性质，且其特征谱段根据结构形式各有不同。据此可根据实际需要选配适应的离子液体；
(3)通过电磁感应来实现磁流体的磁光效应，主要是采用亥姆霍兹线圈原理来生成均匀磁场，对于较大的光透面，将其做区域分解保证各区域内磁场的均匀性。磁流体颗粒在磁场作用下聚集从而对光线发生隔挡作用，当撤去磁场时磁流体颗粒由于重力回落至下方槽中，玻璃恢复透明；
(4)对离子液体施加外电场时，电场强度最大值不得高于60V/m，此外考虑到带电离子在外电场作用下易与普通电极发生反应，此处的电极选用惰性电极——铂电极。若电极面积较大，为了节约成本，也可以采用钛基底上镀铂的方法；
(5)智能玻璃器件需要密封，保证不受外界水汽侵扰，此外工质从器件上部开口注入，在注入前需确保腔内排出气泡或其他杂质。待注入完后将腔内气体吸尽并封口，当需要置换液体时，可通过下部开口抽出原有液体工质，用无水乙醇洗净器件内表面并晾干后，再根据需要灌注新的液体工质。
下面将结合附图和具体实施例对根据本发明的一种可实现光谱透过率连续性选择性调控的智能玻璃器件总体技术做进一步详细的说明。
如图1所示，根据本发明的一种实现光谱透过率连续选择性调控的智能玻璃器件包括：密闭玻璃框架结构、填充离子液体、填充磁流体、特制电场发生装置、特制磁场发生装置五个部分。玻璃框架为三层结构，两层玻璃之间均为中空结构，中空层厚度为0.2-1cm，在外部两层玻璃间根据不同应用需要填充不同种特定的离子液体。在内部两璃间根据需要填充特定的磁流体。通过改变离子液体腔两端施加的电场信号和磁流体两端施层玻加的磁场信号，改变离子液体和磁流体的固有形态，从而调节光的通透性。其中电场信号直接由外部的电压可调直流电源提供，磁场信号通过改变电磁场大小方向产生的电磁感应提供。
如图2所示，适用于离子液体的特制电场发生装置的设计图，主要是由一个密闭的玻璃框、铂电极或镀铂电极、两块石英或CaF2、BaF2薄玻璃(单层玻璃厚度一般为0.2cm-0.5cm，视情况而定)、特制铂导线(当导线与离子液体间无直接接触时也可用其他导线)及电压可调直接电源构成，在电压不超过离子液体电解阈值的70％时，随着电压的逐步增大，离子液体的吸收系数逐渐增大，“智能玻璃”的透过率逐渐减弱。当撤去电压后，“智能玻璃”透过率回复到原先状态。电场发生装置输出电压范围为0～60V/m，调节精度大于0.1V，所述离子液腔光谱透过率范围为0％-90％。
适用于磁流体的特制磁场发生装置的设计图如图3所示，主要是由密闭的玻璃框、缠绕玻璃框四周的电导线、玻璃层中封装的磁流变液、高精度可控三维线圈电源组成。其中电导线为对称布置，电导线中根据需要通着随时间变化大小相等的同向电流，使得电导线中间区域内产生感性磁场，磁场大小可以根据电流的大小及变化速率调节，在磁场的作用下，磁流变液的形貌发生改变，当磁场足够强时，玻璃夹层中的磁流变液体会形成针状分布，进而阻断光路，此时“智能玻璃”的透过率变为零。当没有电流流通时，“智能玻璃”中透过率为其固有的透过率。磁场发生装置输出磁场强度范围为0.1T-0.3T，所需电流强度范围为1A-3A，磁场强度的控制精度为0.01T，电流的控制精度为0.02A，所述磁流体腔光谱透过率范围为0％-100％。
电场作用下“智能玻璃”光吸收系数数值的测试装置如图4所示。
如图5、图6所示，展示了离子液体和磁流体在电磁场作用下的光吸收系数变化结果，由图中可以看出，离子液体和磁流体的吸收系数均会随着外加电磁场的影响而发生变化，且实测表明离子液体对于光谱存在着选择性吸收效应，而磁流体的透过率会随着场强连续变化，由此可以证明本专利中方案的可行性。
下表列举了不同电场强度情况下五种离子液体在1500±120nm范围内光谱吸收系数随电场强度的近似变化关系。其他场强下的吸收系数变化可以依据表中数据分段线性插值获得。据此规律施加电压可以获得特定光谱范围内智能玻璃在特定光谱范围内的光通透性的连续调控。
图7列举了不同入射光强下磁流体的光谱透过率T随着磁场强度的变化，透射率T反映了存在磁场作用下的磁流体薄膜的透过率与未施加磁场时的磁流体薄膜的透过率的壁纸，由图可知随着磁场强度的增大，对透过率的影响也越加明显，且透射率随入射光强的强弱变化。因此，可以根据图7中显示的规律，通过调节磁场的相应大小来调节光强的透过率变化。
经过实验，采用本专利中的方案，填充材料选用甲基丙基咪唑碘盐类离子液体配合磁流体可以实现在近红外波段内的光谱选择性调控和光强调控。填充材料选用兰州化物所研制的[EMIm][N(CN)2]离子液体配合磁流体可以实现在微波波段内的光谱选择性调控和光强调控。当然除了上述两种搭配外，也可以根据需要选用不同种离子液体和磁流体搭配，实现不同的光调控需求。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
Claims (7)
1.一种实现光谱透过率连续选择性调控的智能玻璃仪器，其特征在于：包括离子液腔(1)、磁流体腔(2)、电场发生装置(3)、磁场发生装置(4)，其中所述离子液腔(1)与磁流体腔(2)分别位于同一玻璃机体上半部分与下半部分，离子液腔(1)两侧侧壁安装通过改变电压大小改变离子液腔(1)内光谱吸收系数的电场发生装置(3)，磁流体腔(2)两侧侧壁安装通过改变磁场大小改变磁流体腔(2)内光谱吸收系数的磁场发生装置(4)；
所述电场发生装置(3)输出电压范围为0～60V/m，调节精度大于0.1V；
所述磁场发生装置(4)输出磁场强度范围为0.1T-0.3T，所需电流强度范围为1A-3A，磁场强度的控制精度为0.01T，电流的控制精度为0.02A。
2.根据权利要求1所述的一种实现光谱透过率连续选择性调控的智能玻璃仪器，其特征在于：所述电场发生装置(3)电极选用铂电极或钛基底镀铂电极，当选用钛基底镀铂电极时，镀铂厚度不小于50μm。
3.根据权利要求1所述的一种实现光谱透过率连续选择性调控的智能玻璃仪器，其特征在于：所述玻璃机体材料均采用氟化钙或氟化钡。
4.根据权利要求1所述的一种实现光谱透过率连续选择性调控的智能玻璃仪器，其特征在于：所述玻璃机体厚度范围为0.2cm-0.5cm。
5.根据权利要求1所述的一种实现光谱透过率连续选择性调控的智能玻璃仪器，其特征在于：所述离子液腔(1)与所述磁流体腔(2)高度范围为0.2-1cm。
6.根据权利要求1所述的一种实现光谱透过率连续选择性调控的智能玻璃仪器，其特征在于：所述离子液腔(1)内离子液的光谱透过率范围为0％-90％。
7.根据权利要求1所述的一种实现光谱透过率连续选择性调控的智能玻璃仪器，其特征在于：所述磁流体腔(2)内磁流体的光谱透过率范围为0％-100％。
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