實驗名稱：靜電懸(xuan)浮位置檢測(ce)與控制技術

　　測試目的：根據Earnshaw定理，靜(jing)電場不存(cun)在最小三維靜(jing)電勢，所以要(yao)實(shi)現樣品的穩(wen)定必須結(jie)合負(fu)反(fan)饋(kui)控制(zhi)系統。要(yao)進行材料特性研究，還(huan)(huan)需要(yao)對材料樣品進行加熱與測(ce)(ce)溫，因此還(huan)(huan)需配備(bei)加熱和測(ce)(ce)溫設備(bei)。所以，下文對靜(jing)電懸(xuan)浮實(shi)驗裝置中位置檢測(ce)(ce)與控制(zhi)、加熱與溫度(du)檢測(ce)(ce)技術(shu)進行介紹。

　　測試設備：高壓放大器、位(wei)置控制器、探測器等。

　　實驗過程：

　　圖1：靜電懸浮位置檢測與(yu)控制結構圖

　　靜電(dian)懸浮位(wei)置(zhi)檢測與控(kong)(kong)制結構如圖(tu)1所示。系統包括(kuo)位(wei)置(zhi)檢測單(dan)(dan)元、處(chu)理(li)控(kong)(kong)制單(dan)(dan)元、高壓(ya)放(fang)大器(qi)及電(dian)極(ji)結構。位(wei)置(zhi)檢測單(dan)(dan)元使用PSD作為傳感器(qi)，獲得懸浮樣品(pin)的位(wei)置(zhi)信(xin)號(hao)(hao)。處(chu)理(li)控(kong)(kong)制單(dan)(dan)元對測量到的位(wei)置(zhi)信(xin)號(hao)(hao)進(jin)(jin)行(xing)(xing)濾波處(chu)理(li)并(bing)根(gen)(gen)據處(chu)理(li)后的位(wei)置(zhi)信(xin)號(hao)(hao)進(jin)(jin)行(xing)(xing)PID控(kong)(kong)制運算，將(jiang)輸(shu)出的控(kong)(kong)制信(xin)號(hao)(hao)傳給(gei)高壓(ya)放(fang)大器(qi)，高壓(ya)放(fang)大器(qi)根(gen)(gen)據輸(shu)入的信(xin)號(hao)(hao)控(kong)(kong)制輸(shu)出高壓(ya)，輸(shu)出的高壓(ya)加(jia)載到電(dian)極(ji)板上下電(dian)極(ji)，通過改變帶電(dian)樣品(pin)所受到的電(dian)場(chang)力調整懸浮樣品(pin)的運動(dong)，實現對懸浮樣品(pin)的懸浮控(kong)(kong)制。

　　位置(zhi)檢測(ce)單元采用陰(yin)影法實現懸(xuan)浮(fu)(fu)(fu)樣(yang)品的(de)(de)位置(zhi)測(ce)量(liang)(liang)，使用能(neng)量(liang)(liang)均勻的(de)(de)平行光(guang)(guang)照射到(dao)整個PSD的(de)(de)感光(guang)(guang)面上，若(ruo)被(bei)測(ce)物(wu)體在PSD的(de)(de)前(qian)方(fang)，那么被(bei)測(ce)物(wu)體的(de)(de)陰(yin)影就會留在PSD上。如果光(guang)(guang)斑能(neng)量(liang)(liang)分布均勻，那么光(guang)(guang)斑重(zhong)心位置(zhi)同陰(yin)影位置(zhi)線性相關，對PSD的(de)(de)測(ce)量(liang)(liang)信(xin)號進行反向放(fang)大即可得(de)(de)(de)到(dao)懸(xuan)浮(fu)(fu)(fu)小球的(de)(de)位置(zhi)信(xin)息。要(yao)獲得(de)(de)(de)懸(xuan)浮(fu)(fu)(fu)樣(yang)品的(de)(de)三(san)維位置(zhi)信(xin)息，需(xu)要(yao)兩(liang)片PSD平行z軸擺放(fang)并相互垂直。如圖2所示，其(qi)中一片PSD檢測(ce)懸(xuan)浮(fu)(fu)(fu)材料(liao)(liao)的(de)(de)（x，z）坐(zuo)標(biao)，另一片檢測(ce)懸(xuan)浮(fu)(fu)(fu)材料(liao)(liao)的(de)(de)（y，z）坐(zuo)標(biao)，當兩(liang)片PSD同時檢測(ce)時即可獲得(de)(de)(de)懸(xuan)浮(fu)(fu)(fu)材料(liao)(liao)的(de)(de)（x，y，z）坐(zuo)標(biao)。

　　圖2：位(wei)置檢測結構示意圖

　　實驗結果：

　　重點(dian)分(fen)析(xi)介(jie)紹了靜(jing)電(dian)懸(xuan)浮(fu)(fu)(fu)實(shi)驗(yan)裝(zhuang)置中(zhong)懸(xuan)浮(fu)(fu)(fu)樣(yang)品(pin)(pin)位(wei)(wei)(wei)置檢(jian)測(ce)(ce)與控(kong)制技術，靜(jing)電(dian)懸(xuan)浮(fu)(fu)(fu)實(shi)驗(yan)樣(yang)品(pin)(pin)的位(wei)(wei)(wei)置檢(jian)測(ce)(ce)與控(kong)制是懸(xuan)浮(fu)(fu)(fu)實(shi)驗(yan)的關鍵(jian)，實(shi)驗(yan)裝(zhuang)置中(zhong)使用(yong)位(wei)(wei)(wei)置敏感探測(ce)(ce)器(PSD)進(jin)(jin)行樣(yang)品(pin)(pin)位(wei)(wei)(wei)置的測(ce)(ce)量，使用(yong)PID控(kong)制算法對(dui)加載到(dao)電(dian)極板上的高壓進(jin)(jin)行調節實(shi)現實(shi)驗(yan)樣(yang)品(pin)(pin)的穩定懸(xuan)浮(fu)(fu)(fu)；根(gen)據(ju)懸(xuan)浮(fu)(fu)(fu)材(cai)料實(shi)驗(yan)情況及空(kong)間(jian)實(shi)驗(yan)情況介(jie)紹了使用(yong)PSD進(jin)(jin)行位(wei)(wei)(wei)置測(ce)(ce)量時(shi)存在的缺陷，并提出(chu)了使用(yong)CCD進(jin)(jin)行樣(yang)品(pin)(pin)位(wei)(wei)(wei)置測(ce)(ce)量的方法。

　　高壓(ya)放(fang)大器(qi)推薦：ATA-7050

　　圖：ATA-7050高壓放大器指標參數

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