實驗名稱：位置控制系統(tǒng)懸浮實驗

測試目的：靜電懸浮位置控制系統(tǒng)是靜電懸浮材料加工技術(shù)的基礎(chǔ)，同時也是核心，我國尚未有已經(jīng)完全掌握了該項核心技術(shù)的報道，本文在分析位置控制系統(tǒng)各組成部分的工作原理上，設(shè)計實現(xiàn)靜電懸浮位置控制系統(tǒng)，并實現(xiàn)了對懸浮樣品的穩(wěn)定位置控制。

測試設(shè)備：高壓放大器、懸浮電極、激光電源等。

圖1：靜電懸浮位置控制系統(tǒng)

實驗過程：

豎直方向位置控制系統(tǒng)實驗裝置由650nm半導(dǎo)體激光光源、三維控制板、高壓放大器、懸浮電極等組成，圖2所示的上圖為PSD、信號放大電路、懸浮電極、激光光源和高壓放大器，下圖為控制板和控制板供電電源。

圖2：豎直方向位置控制系統(tǒng)實驗裝置

懸浮對象采用直徑約3mm的鍍石墨陶瓷小球，當(dāng)系統(tǒng)加電后，鍍石墨陶瓷小球立即被懸浮起來并逐漸穩(wěn)定到上下極板間的中心位置，懸浮情況如圖3所示。

圖3：懸浮情況圖

經(jīng)放大后觀察，可得到懸浮的精度在±0.05mm以內(nèi)，如圖4所示為0.7s內(nèi)的懸浮情況。

圖4：懸浮精度測定圖

圖5為示波器觀察懸浮起步時PSD輸出的Z方向位置信號和控制電壓信號，其中CH1為位置信號，CH2為控制電壓信號（實際值和觀察值之比為2000：1）。可見，懸浮起步時的控制電壓需大約7000V，而小球在兩極板中心位置的懸浮控制電壓只需約4000V。

圖5：示波器觀察懸浮起步過程

實驗結(jié)果：

采用650nm光源的豎直方向位置控制系統(tǒng)的位置控制精度為±0.05mm，這已經(jīng)達到本文靜電懸浮位置控制系統(tǒng)的設(shè)計要求（±0.25mm）。將來用性能更好的808nm激光器做位置測量，豎直方向的控制精度必然更高。另外，水平方向的位置控制不需要克服重力，中心位置是懸浮樣品在水平方向電場力的平衡點，水平方向的位置控制主要是為了防止外界的干擾，那么水平方向的位置控制能夠達到更高的精度。

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審核編輯 黃宇