實驗名稱：靜電懸浮裝置控制算法與懸浮實驗

　　研究方向：為了實現(xiàn)材料樣品的懸浮控制和加熱測溫，靜電懸浮實驗裝置配置了光電傳感器、測溫儀、激光器、CCD相機、電機等復雜的光機電外圍設(shè)備。并且在實驗過程中還要配置多種工程參數(shù)，實時采集分析各種科學數(shù)據(jù)，所以采用綜合監(jiān)控軟件集成對流程控制、參數(shù)配置、數(shù)據(jù)存儲和查看等功能，方便用戶操作實驗裝置。

　　測試設(shè)備：高壓放大器、光電傳感器、測溫儀、探測器等。

圖1：靜電懸浮位置控制模型

　　實驗過程：

　　樣品懸浮位置的穩(wěn)定控制是靜電懸浮的關(guān)鍵技術(shù)，懸浮控制過程包括樣品充電、脫離極板和穩(wěn)定懸浮。懸浮控制的難點在于直徑2mm樣品要在間距8mm的極板之間完成懸浮過程，穩(wěn)定懸浮后樣品距離上下極板只有3mm的間距，對位置測量精度要求高。如果不加控制，樣品在10ms的時間就從下極板撞到上極板，因此懸浮控制的周期要很短。另外，樣品初始懸浮時受下極板鏡像引力的作用，當脫離下極板后會急速上升，增加了控制算法的難度。懸浮控制系統(tǒng)的模型如圖1所示。

　　懸浮樣品的位置是被控對象，通過PSD傳感器檢測樣品的當前位置作為反饋信號輸入，高壓放大器是控制系統(tǒng)的輸出，高壓放大器作用于上下電極，改變極板間的電場強度，進而調(diào)節(jié)樣品的懸浮位置。控制器根據(jù)反饋的當前時刻的位置信號，通過PID運算，得到下一時刻的輸出信號，形成負反饋的位置控制。

　　實驗結(jié)果：

圖2：樣品穩(wěn)定懸浮圖像

　　樣品放置于下極板中心位置，系統(tǒng)開始加電后，隨著極板電壓的增大，樣品開始產(chǎn)生微小的顫動，當極板間的電壓繼續(xù)增大，樣品所受庫侖力克服鏡像力的作用，加速向上運動，隨著控制算法調(diào)整極板間的電壓使樣品豎直方向的位置穩(wěn)定后，開啟水平方向的控制，抑制樣品在水平方向的振蕩，樣品最終穩(wěn)定懸浮在上下極板之間，如圖2所示。

圖3：懸浮過程的位置和電壓變化曲線

　　懸浮過程的位置和電壓曲線如圖3所示。通過積分分離的方法，減少樣品懸浮初始過程的超調(diào)，并且在樣品穩(wěn)定后，改變控制參數(shù)，減弱樣品的振蕩。

　　高壓放大器推薦：ATA-7025

圖：ATA-7025高壓放大器指標參數(shù)

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