實驗名稱：靜電懸浮位置控制系統(tǒng)

實驗原理：帶電物體在靜電場中會受到電場力的作用，如果電場力的大小能夠克服自身的重力，帶電物體就會浮起來。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，兩極板間會產(chǎn)生由下往上方向強(qiáng)度為E的靜電場，上極板帶負(fù)電，下極板帶正電。小球在靜電場中會感應(yīng)上正電，帶電小球在電場的作用下會受到向上的庫倫力F。小球受到的電場力能夠克服其所受到的重力是帶電小球懸浮的基本條件。本實驗主要應(yīng)用于材料科學(xué)領(lǐng)域，用其進(jìn)行深過冷條件下的材料制備與凝固理論研究

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

實驗過程：靜電懸浮位置控制系統(tǒng)的基本控制方法是:探測懸浮樣品的實際位置，當(dāng)懸浮樣品偏離兩極板中心位置向下時控制系統(tǒng)輸出控制信號增大極板電壓，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控制系統(tǒng)輸出控制信號減小極板電壓，減小向上的浮力。

圖一為靜電懸浮實驗系統(tǒng)圖。系統(tǒng)以PSD為位置測量傳感器，以平行激光光源作為PSD的照明光源，控制單元根據(jù)PSD測量到的二維(2、x)位置信號，分別進(jìn)行控制算法運(yùn)算，將控制信號輸出給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，即通過調(diào)整靜電場的大小調(diào)整帶電樣品所受到的電場力,實現(xiàn)對懸浮樣品在Z方向和X方向上的位置控制。

圖一實驗框圖

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。

圖三懸浮起步過程

圖四懸浮精度測定圖

圖五示波器觀察懸浮起步過程

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

圖六調(diào)整位置過程圖

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)到本實驗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(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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