實(shí)驗(yàn)名稱(chēng)：靜電懸浮位置檢測(cè)與控制技術(shù)

測(cè)試目的：根據(jù)Earnshaw定理，靜電場(chǎng)不存在最小三維靜電勢(shì)，所以要實(shí)現(xiàn)樣品的穩(wěn)定必須結(jié)合負(fù)反饋控制系統(tǒng)。要進(jìn)行材料特性研究，還需要對(duì)材料樣品進(jìn)行加熱與測(cè)溫，因此還需配備加熱和測(cè)溫設(shè)備。所以，下文對(duì)靜電懸浮實(shí)驗(yàn)裝置中位置檢測(cè)與控制、加熱與溫度檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行介紹。

測(cè)試設(shè)備：高壓放大器、位置控制器、探測(cè)器等。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程：

圖1：靜電懸浮位置檢測(cè)與控制結(jié)構(gòu)圖

靜電懸浮位置檢測(cè)與控制結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)包括位置檢測(cè)單元、處理控制單元、高壓放大器及電極結(jié)構(gòu)。位置檢測(cè)單元使用PSD作為傳感器，獲得懸浮樣品的位置信號(hào)。處理控制單元對(duì)測(cè)量到的位置信號(hào)進(jìn)行濾波處理并根據(jù)處理后的位置信號(hào)進(jìn)行PID控制運(yùn)算，將輸出的控制信號(hào)傳給高壓放大器，高壓放大器根據(jù)輸入的信號(hào)控制輸出高壓，輸出的高壓加載到電極板上下電極，通過(guò)改變帶電樣品所受到的電場(chǎng)力調(diào)整懸浮樣品的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)懸浮樣品的懸浮控制。

位置檢測(cè)單元采用陰影法實(shí)現(xiàn)懸浮樣品的位置測(cè)量，使用能量均勻的平行光照射到整個(gè)PSD的感光面上，若被測(cè)物體在PSD的前方，那么被測(cè)物體的陰影就會(huì)留在PSD上。如果光斑能量分布均勻，那么光斑重心位置同陰影位置線性相關(guān)，對(duì)PSD的測(cè)量信號(hào)進(jìn)行反向放大即可得到懸浮小球的位置信息。要獲得懸浮樣品的三維位置信息，需要兩片PSD平行z軸擺放并相互垂直。如圖2所示，其中一片PSD檢測(cè)懸浮材料的（x，z）坐標(biāo)，另一片檢測(cè)懸浮材料的（y，z）坐標(biāo)，當(dāng)兩片PSD同時(shí)檢測(cè)時(shí)即可獲得懸浮材料的（x，y，z）坐標(biāo)。

圖2：位置檢測(cè)結(jié)構(gòu)示意圖

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

重點(diǎn)分析介紹了靜電懸浮實(shí)驗(yàn)裝置中懸浮樣品位置檢測(cè)與控制技術(shù)，靜電懸浮實(shí)驗(yàn)樣品的位置檢測(cè)與控制是懸浮實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵，實(shí)驗(yàn)裝置中使用位置敏感探測(cè)器(PSD)進(jìn)行樣品位置的測(cè)量，使用PID控制算法對(duì)加載到電極板上的高壓進(jìn)行調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)樣品的穩(wěn)定懸?。桓鶕?jù)懸浮材料實(shí)驗(yàn)情況及空間實(shí)驗(yàn)情況介紹了使用PSD進(jìn)行位置測(cè)量時(shí)存在的缺陷，并提出了使用CCD進(jìn)行樣品位置測(cè)量的方法。

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圖：ATA-7050高壓放大器指標(biāo)參數(shù)