實(shí)驗(yàn)名稱(chēng)：靜電懸浮位置控制系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)原理：帶電物體在靜電場(chǎng)中會(huì)受到電場(chǎng)力的作用，如果電場(chǎng)力的大小能夠克服自身的重力，帶電物體就會(huì)浮起來(lái)。當(dāng)半徑為r的小球處于豎直方向的兩極板間，若上下極板間加上負(fù)電壓U，兩極板間會(huì)產(chǎn)生由下往上方向強(qiáng)度為E的靜電場(chǎng)，上極板帶負(fù)電，下極板帶正電。小球在靜電場(chǎng)中會(huì)感應(yīng)上正電，帶電小球在電場(chǎng)的作用下會(huì)受到向上的庫(kù)倫力F。小球受到的電場(chǎng)力能夠克服其所受到的重力是帶電小球懸浮的基本條件。本實(shí)驗(yàn)主要應(yīng)用于材料科學(xué)領(lǐng)域，用其進(jìn)行深過(guò)冷條件下的材料制備與凝固理論研究

測(cè)試設(shè)備：上位機(jī)、ATA-7020高壓放大器、電極板、位置靈敏探測(cè)器、激光

實(shí)驗(yàn)過(guò)程：靜電懸浮位置控制系統(tǒng)的基本控制方法是:探測(cè)懸浮樣品的實(shí)際位置，當(dāng)懸浮樣品偏離兩極板中心位置向下時(shí)控制系統(tǒng)輸出控制信號(hào)增大極板電壓，增大向上的浮力；當(dāng)懸浮樣品偏離兩極板中心位置向上時(shí)控制系統(tǒng)輸出控制信號(hào)減小極板電壓，減小向上的浮力。

圖一為靜電懸浮實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖。系統(tǒng)以PSD為位置測(cè)量傳感器，以平行激光光源作為PSD的照明光源，控制單元根據(jù)PSD測(cè)量到的二維(2、x)位置信號(hào)，分別進(jìn)行控制算法運(yùn)算，將控制信號(hào)輸出給ATA-7020高壓放大器，由ATA-7020高壓放大器把電壓控制信號(hào)進(jìn)行放大，分別施加控制高壓到上下電極和水平電極上，即通過(guò)調(diào)整靜電場(chǎng)的大小調(diào)整帶電樣品所受到的電場(chǎng)力,實(shí)現(xiàn)對(duì)懸浮樣品在Z方向和X方向上的位置控制。

圖一實(shí)驗(yàn)框圖

懸浮對(duì)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(lái)并逐漸穩(wěn)定到上下極板間的中心位置，懸浮情況如圖二所示。

圖二懸浮情況圖

圖三是根據(jù)上位機(jī)接收的PSD測(cè)量得到的Z方向位置數(shù)據(jù)經(jīng)標(biāo)定后，由Matlab繪制的懸浮起步過(guò)程。經(jīng)放大后觀察，可得到懸浮的精度在士0.05mm以內(nèi)，如圖四所示為0.7s內(nèi)的懸浮情況。圖四為示波器觀察懸浮起步時(shí)PSD輸出的Z方向位置信號(hào)和控制電壓信號(hào),其中CH1為位置信號(hào)，CH2為控制電壓信號(hào)(實(shí)際值和觀察值之比為2000:1)。可見(jiàn)，懸浮起步時(shí)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。

圖三懸浮起步過(guò)程

圖四懸浮精度測(cè)定圖

圖五示波器觀察懸浮起步過(guò)程

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：當(dāng)用上位機(jī)通過(guò)串口給單片機(jī)在線設(shè)定不同的懸浮目標(biāo)位置時(shí)，小球能夠很好的按照設(shè)定值上下移動(dòng)到指定的位置，如圖六所示。這表明，本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的靜電懸浮位置控制系統(tǒng)已經(jīng)很好的實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定懸浮和位置控制的功能。

圖六調(diào)整位置過(guò)程圖

采用650nm光源的豎直方向位置控制系統(tǒng)的位置控制精度為士0.05mm，這已經(jīng)達(dá)到本實(shí)驗(yàn)靜電懸浮位置控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求(0.25mm)。將來(lái)用性能更好的808nm激光器做位置測(cè)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(chǎng)力的平衡點(diǎn)，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(dá)到更高的精度。

圖：ATA-7020高壓放大器指標(biāo)參數(shù)

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