實(shí)驗(yàn)名稱(chēng)：靜電懸浮裝置控制算法與懸浮實(shí)驗(yàn)

　　研究方向：為了實(shí)現(xiàn)材料樣品的懸浮控制和加熱測(cè)溫,，靜電懸浮實(shí)驗(yàn)裝置配置了光電傳感器,、測(cè)溫儀、激光器、CCD相機(jī)、電機(jī)等復(fù)雜的光機(jī)電外圍設(shè)備。并且在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中還要配置多種工程參數(shù),，實(shí)時(shí)采集分析各種科學(xué)數(shù)據(jù)，所以采用綜合監(jiān)控軟件集成對(duì)流程控制,、參數(shù)配置,、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和查看等功能，方便用戶(hù)操作實(shí)驗(yàn)裝置,。

　　測(cè)試設(shè)備：高壓放大器,、光電傳感器、測(cè)溫儀,、探測(cè)器等,。

圖1：靜電懸浮位置控制模型

　　實(shí)驗(yàn)過(guò)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(guò)程包括樣品充電,、脫離極板和穩(wěn)定懸浮,。懸浮控制的難點(diǎn)在于直徑2mm樣品要在間距8mm的極板之間完成懸浮過(guò)程，穩(wěn)定懸浮后樣品距離上下極板只有3mm的間距,，對(duì)位置測(cè)量精度要求高,。如果不加控制，樣品在10ms的時(shí)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(shí)受下極板鏡像引力的作用,，當(dāng)脫離下極板后會(huì)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(duì)象,，通過(guò)PSD傳感器檢測(cè)樣品的當(dāng)前位置作為反饋信號(hào)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(chǎng)強(qiáng)度，進(jìn)而調(diào)節(jié)樣品的懸浮位置?？刂破鞲鶕?jù)反饋的當(dāng)前時(shí)刻的位置信號(hào)，通過(guò)PID運(yùn)算,，得到下一時(shí)刻的輸出信號(hào),，形成負(fù)反饋的位置控制。

　　實(shí)驗(yàn)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(kāi)始加電后,，隨著極板電壓的增大，樣品開(kāi)始產(chǎn)生微小的顫動(dòng),，當(dāng)極板間的電壓繼續(xù)增大,，樣品所受庫(kù)侖力克服鏡像力的作用，加速向上運(yùn)動(dòng),，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(kāi)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(guò)程的位置和電壓變化曲線

　　懸浮過(guò)程的位置和電壓曲線如圖3所示,。通過(guò)積分分離的方法,，減少樣品懸浮初始過(guò)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(biāo)參數(shù)

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