實驗名稱：靜(jing)電懸浮位(wei)置控制系統

　　實驗原理：帶(dai)電(dian)(dian)物(wu)體在(zai)靜電(dian)(dian)場(chang)(chang)中(zhong)會(hui)(hui)受到(dao)電(dian)(dian)場(chang)(chang)力的(de)(de)作用，如果電(dian)(dian)場(chang)(chang)力的(de)(de)大小能夠克服(fu)自身的(de)(de)重(zhong)力，帶(dai)電(dian)(dian)物(wu)體就會(hui)(hui)浮起來。當(dang)半(ban)徑(jing)為r的(de)(de)小球處于豎直(zhi)方(fang)向的(de)(de)兩(liang)極(ji)板(ban)(ban)間，若上下極(ji)板(ban)(ban)間加上負電(dian)(dian)壓U，兩(liang)極(ji)板(ban)(ban)間會(hui)(hui)產(chan)生由下往上方(fang)向強(qiang)度(du)為E的(de)(de)靜電(dian)(dian)場(chang)(chang)，上極(ji)板(ban)(ban)帶(dai)負電(dian)(dian)，下極(ji)板(ban)(ban)帶(dai)正電(dian)(dian)。小球在(zai)靜電(dian)(dian)場(chang)(chang)中(zhong)會(hui)(hui)感應(ying)上正電(dian)(dian)，帶(dai)電(dian)(dian)小球在(zai)電(dian)(dian)場(chang)(chang)的(de)(de)作用下會(hui)(hui)受到(dao)向上的(de)(de)庫倫力F。小球受到(dao)的(de)(de)電(dian)(dian)場(chang)(chang)力能夠克服(fu)其所受到(dao)的(de)(de)重(zhong)力是帶(dai)電(dian)(dian)小球懸浮的(de)(de)基(ji)本條(tiao)件。本實驗主要應(ying)用于材料科學領(ling)域，用其進行深(shen)過冷條(tiao)件下的(de)(de)材料制備與凝固理論研(yan)究

　　測試設備：上位(wei)機、ATA-7020高(gao)壓放大器、電極板、位(wei)置(zhi)靈敏探測器、激光

　　實驗過程：靜電(dian)(dian)懸(xuan)浮位(wei)(wei)置控(kong)制(zhi)(zhi)系統(tong)的(de)基本(ben)控(kong)制(zhi)(zhi)方法是(shi):探測懸(xuan)浮樣品的(de)實際位(wei)(wei)置，當(dang)(dang)懸(xuan)浮樣品偏(pian)(pian)離(li)兩(liang)極(ji)板中(zhong)心位(wei)(wei)置向下時控(kong)制(zhi)(zhi)系統(tong)輸出控(kong)制(zhi)(zhi)信號(hao)增大極(ji)板電(dian)(dian)壓(ya)，增大向上(shang)的(de)浮力；當(dang)(dang)懸(xuan)浮樣品偏(pian)(pian)離(li)兩(liang)極(ji)板中(zhong)心位(wei)(wei)置向上(shang)時控(kong)制(zhi)(zhi)系統(tong)輸出控(kong)制(zhi)(zhi)信號(hao)減小極(ji)板電(dian)(dian)壓(ya)，減小向上(shang)的(de)浮力。

　　圖(tu)一為靜電(dian)(dian)懸浮實(shi)驗系統圖(tu)。系統以(yi)PSD為位(wei)置測(ce)量傳感器，以(yi)平行(xing)激光光源(yuan)作為PSD的照明光源(yuan)，控(kong)(kong)制單(dan)元根(gen)據PSD測(ce)量到(dao)的二維(2、x)位(wei)置信(xin)號，分(fen)(fen)別進(jin)行(xing)控(kong)(kong)制算法(fa)運算，將控(kong)(kong)制信(xin)號輸(shu)出給(gei)ATA-7020高壓(ya)放大器，由ATA-7020高壓(ya)放大器把電(dian)(dian)壓(ya)控(kong)(kong)制信(xin)號進(jin)行(xing)放大，分(fen)(fen)別施加(jia)控(kong)(kong)制高壓(ya)到(dao)上(shang)(shang)(shang)下電(dian)(dian)極和水平電(dian)(dian)極上(shang)(shang)(shang)，即通過調整靜電(dian)(dian)場(chang)的大小調整帶電(dian)(dian)樣品所受到(dao)的電(dian)(dian)場(chang)力,實(shi)現(xian)對(dui)懸浮樣品在Z方(fang)向和X方(fang)向上(shang)(shang)(shang)的位(wei)置控(kong)(kong)制。

　　圖一實驗框圖

　　懸(xuan)浮對象采用直徑約3mm的鍍(du)石墨陶瓷小球，當系統加電后，鍍(du)石墨陶瓷小球立即被懸(xuan)浮起(qi)來并逐漸(jian)穩定到上下極板間的中心位置，懸(xuan)浮情況如圖二所示。

圖二懸浮情況圖

　　圖三(san)是根據(ju)上位(wei)(wei)機接收的(de)PSD測(ce)量得到的(de)Z方(fang)(fang)向(xiang)位(wei)(wei)置數據(ju)經標定后(hou)，由Matlab繪(hui)制(zhi)的(de)懸(xuan)浮(fu)(fu)起步過程(cheng)。經放大后(hou)觀察(cha)，可(ke)得到懸(xuan)浮(fu)(fu)的(de)精(jing)度在士0.05mm以內，如圖四(si)所示為(wei)0.7s內的(de)懸(xuan)浮(fu)(fu)情況。圖四(si)為(wei)示波器觀察(cha)懸(xuan)浮(fu)(fu)起步時PSD輸出的(de)Z方(fang)(fang)向(xiang)位(wei)(wei)置信號(hao)和(he)控(kong)(kong)(kong)制(zhi)電(dian)壓(ya)信號(hao),其中(zhong)CH1為(wei)位(wei)(wei)置信號(hao)，CH2為(wei)控(kong)(kong)(kong)制(zhi)電(dian)壓(ya)信號(hao)(實際值(zhi)(zhi)和(he)觀察(cha)值(zhi)(zhi)之比為(wei)2000:1)。可(ke)見，懸(xuan)浮(fu)(fu)起步時的(de)控(kong)(kong)(kong)制(zhi)電(dian)壓(ya)需(xu)大約(yue)7000V，而小球在兩(liang)極板中(zhong)心(xin)位(wei)(wei)置的(de)懸(xuan)浮(fu)(fu)控(kong)(kong)(kong)制(zhi)電(dian)壓(ya)只需(xu)約(yue)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(guo)程

　　實驗結果：當(dang)用上(shang)位(wei)機通過串口給(gei)單片機在線設(she)定(ding)不同的(de)(de)(de)(de)懸(xuan)(xuan)浮(fu)(fu)目標位(wei)置(zhi)時，小(xiao)球能夠很好的(de)(de)(de)(de)按(an)照設(she)定(ding)值上(shang)下移動到指定(ding)的(de)(de)(de)(de)位(wei)置(zhi)，如圖六所示。這表明，本(ben)實驗設(she)計的(de)(de)(de)(de)靜電懸(xuan)(xuan)浮(fu)(fu)位(wei)置(zhi)控(kong)制(zhi)系統已經很好的(de)(de)(de)(de)實現了穩定(ding)懸(xuan)(xuan)浮(fu)(fu)和位(wei)置(zhi)控(kong)制(zhi)的(de)(de)(de)(de)功(gong)能。

圖六調整位置過程圖

　　采用650nm光(guang)源的(de)(de)豎直方(fang)(fang)(fang)向(xiang)(xiang)位(wei)(wei)(wei)置(zhi)(zhi)(zhi)控(kong)制系統的(de)(de)位(wei)(wei)(wei)置(zhi)(zhi)(zhi)控(kong)制精度(du)為(wei)士0.05mm，這(zhe)已經達到本實驗(yan)靜(jing)電懸浮位(wei)(wei)(wei)置(zhi)(zhi)(zhi)控(kong)制系統的(de)(de)設計要求(0.25mm)。將來用性能(neng)更好的(de)(de)808nm激(ji)光(guang)器做位(wei)(wei)(wei)置(zhi)(zhi)(zhi)測(ce)量，豎直方(fang)(fang)(fang)向(xiang)(xiang)的(de)(de)控(kong)制精度(du)必(bi)然更高。另外(wai)，水(shui)(shui)平(ping)方(fang)(fang)(fang)向(xiang)(xiang)的(de)(de)位(wei)(wei)(wei)置(zhi)(zhi)(zhi)控(kong)制不需要克服重力，中心位(wei)(wei)(wei)置(zhi)(zhi)(zhi)是(shi)懸浮樣品在水(shui)(shui)平(ping)方(fang)(fang)(fang)向(xiang)(xiang)電場(chang)力的(de)(de)平(ping)衡點(dian)，水(shui)(shui)平(ping)方(fang)(fang)(fang)向(xiang)(xiang)的(de)(de)位(wei)(wei)(wei)置(zhi)(zhi)(zhi)控(kong)制主要是(shi)為(wei)了防(fang)止外(wai)界的(de)(de)干擾(rao)，那么水(shui)(shui)平(ping)方(fang)(fang)(fang)向(xiang)(xiang)的(de)(de)位(wei)(wei)(wei)置(zhi)(zhi)(zhi)控(kong)制能(neng)夠達到更高的(de)(de)精度(du)。

　　圖：ATA-7020高壓放大器指標參數

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