通过电容耦合液晶可视化电场

《Chemical Engineering Journal》：Visualizing electric field via capacitive coupling liquid crystal

　　

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  基于电容耦合液晶实现的无源无线E场传感器。

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  TN-LC 调制将空间E场转换为实时光信号。
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  无源电容耦合实现宽范围和跨介质传感。
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  演示了家用电线检测和无人机电力线检查。
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  应用扩展至液位、电弧故障和跨介质通信。

引言

空间电场的实时和非接触检测是现代智能电网稳定性 [1], [2], [3], [4] 和工业隐患早期诊断 [5], [6] 的基础。由于直接的物理干预可能会扭曲源电路或引入严重的安全隐患，开发安全、无处不在的电磁测量技术是一项关键需求 [7], [8]。为了满足这一需求，研究人员广泛探索了各种传感技术，主要基于光学效应和微机电系统（MEMS）。

然而，现有的传感器技术在成本、稳定性和环境适应性方面面临重大限制。高性能光学传感器具有出色的带宽；然而，尽管在片上光子集成方面取得了最新进展 [9], [10], [11]，其实用部署仍然依赖于庞大且昂贵的外部询问器，并且存在固有的直流（DC）漂移 [12], [13]。MEMS 允许小型化，但它们通常需要连续的主动电源和复杂的电路才能运行 [14], [15], [16], [17]。更重要的是，由于严重的粘性阻尼 [18], [19], [20]，其微观活动部件的性能在变压器油等液体环境中会严重退化。此外，新兴的柔性功能传感器通常依赖计算量大的机器学习算法来解释复杂数据，使得它们难以简单且廉价地部署 [21], [22], [23], [24]。

液晶（LCs）是极具吸引力的电光介质，因为它们的分子取向和光学性能对电场高度敏感 [25]。代表性的 LC 电场传感器通常将 LC 直接集成到光学传感结构中，例如向列相 LC 浸渍光子晶体光纤、微电极组装光子液晶光纤、胆甾相 LC 法布里 - 珀罗干涉仪和 LC 涂覆长周期光纤光栅 [26], [27], [28], [29], [30], [31]。虽然确立了 LC 电光转换的可行性，但这些架构通常要求 LC 集成传感元件在物理上暴露或直接连接到目标场，这限制了它们在复杂、危险或极端环境中的部署。此外，在这些代表性架构中，场响应是通过偏振、透射光谱、波长或光栅特性的复杂变化来检索的。

在本工作中，提出了一种基于商用成熟的扭曲向列液晶（TN-LC）和无线电容耦合的无源分子能量转换传感平台。与上述 LC 传感架构不同，本工作提出了一种新颖的范式，从根本上将宏观空间电场与微观液晶介质耦合。我们不依赖直接的有线接触或复杂的地方面集成电路，而是引入了一种空间电容耦合架构来桥接环境E场和传统的 TN-LC 像素。通过这种耦合机制，空间E场和 LC 介质作为一个集成的、自供电的实体发挥作用。不可见的空间电场能量被直接收集并转换为 LC 指向矢的分子重定向能量，将空间场变化转换为实时且视觉上可感知的光信号。调制有效 LC 像素面积可直接调整其电容，从而调整电容电压分压，提供调谐传感范围和灵敏度的简单方法。光响应通过直接强度调制检索，无需波长或共振跟踪。由于空间场采集和 LC 电光转换在物理上是分离的，因此该传感架构可在代表性的空气、绝缘和水环境跨中运行。通过建立的物理映射模型，该平台实时将空间E场幅度和频率转换为光信号。其在电网监控、非接触液位传感和跨介质通信中的实际适用性得到了进一步证明。因此，主要创新点在于将空间电容场采集、浮动接收电极、可调 LC 电容和直接 TN-LC 光学读出集成在一个电气隔离的无源无线传感头架构中。

章节片段

无线液晶传感器的设计与工作原理

所提出的传感平台将成熟的液晶技术转化为高灵敏度、无源和无线的电光传感器。该传感范式可部署于多种场景，包括电力传输监控、击穿故障识别、非接触液位传感和水下无线通信（图 1a）。在所有情况下，外部时变电场电容耦合到连接到 TN-LC 像素的浮动金属探针。这种无线

结论

总之，开发了一种基于空间电容耦合和 TN-LC 电光调制的无源分子能量转换平台，用于低成本、低侵入性和跨介质的电磁诊断。在动态等效电路模型的支持下，系统在所示配置下实验演示了高达 200?kV?m^?1 的E场检测范围和 100?Hz 下的 3.77?±?0.01?kV?m^?1 的 LOD。100?Hz 下的场分辨率为 39.0?±?0.2?V?m^?1，

材料

TN-LC 传感器是使用专门配制的向列液晶混合物（来自中国苏州扬润）制造的。为了进行跨介质表征，使用了一个定制的亚克力水箱，标准壁厚为 5?mm。使用厚度为 0.1?mm 的市售导电铜带作为发射（S₁）和接收（S₂）板。这些板被粘合到水箱外部，形成稳定的无线电容耦合

CRediT 作者贡献声明

傅国梁：写作 – 初稿、验证、方法论、调查、数据整理。赖子贤：写作 – 审查与编辑、形式分析、概念化。李志健：方法论、调查、数据整理。陈佳乐：数据整理。王家琪：写作 – 审查与编辑、监督、资源、项目管理、资金获取、概念化。

竞争利益声明

作者声明以下财务利益/个人关系，这可能被视为潜在竞争利益：

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