（计算机应用技术专业论文）静电悬浮位置控制系统的设计.pdf

摘要 a b s t r a c t z h o uy a n g y a n g ( c o m p u t e ra p p l i c a t i o nt e c h n o l o g y ) d i r e c t e db y ：p r o f z h a ig u a n g i i e n o n c o n t a i n e rp r o c e s s i n gt e c h n o l o g yi sa b l et oa v o i dm a t e r i a l sb e e na f f e c t e db yt h e w a l lo f t h ec o n t a i n e rd u r i n gs o l i d i f i c a t i o na n di m p r o v et h ed e g r e e so fu n d e r c o o l i n g ，i ti s a ni m p o r t a n t r e s e a r c hd i r e c t i o no nt h ed e v e l o p m e n to fs p a c em a t e r i a l ss c i e n c e c o m p a r e dt oo t h e rl e v i t a t i o n t e c h n 0 1 0 9 y ，t h ee l e c t r o s t a t i cl e v i t a t i o nt e c h n o l o g yd o e sn o tg e n e r a t ea d d i t i o n a le n e r g yi n p u tt h e s a m p l e d o e sn o tc r e a t ea d d i t i o n a l i n t e r f e r e n c ef a c t o r sd u r i n gm a t e r i a l ss o l i d i f i c a t i o np r o c e s s ， c o m b i n e dw i t ho t h e rn o n c o n t a c tm e a s u r e m e n td e v i c e se a s i l yt om e a s u r et h et h e r m a lp r o p e r t i e s ， i ti sm o r es u i t a b l ef o rs c i e n t i f i ce x p e r i m e n t so fm a t e r i a l si ns p a c ea n de x p e c t e d t ob e c o m eo n eo t t h ei m p o r t a n tt e s td e v i c e si nc h i n a ss p a c em a t e r i a l ss c i e n c ei nt h ef u t u r e e l e c t r o s t a t i cl e v i t a t i o np o s i t i o nc o n t r o ls y s t e mi s t h eb a s ea n dc o r e o ne l e c t r o s t a t i c l e v i t a t i o nm a t e r i a lp r o c e s s i n gt e c h n o l o g y t h e r ei sn or e p o r tt h a tc h i n ah a sf u l l yg r a s p e dt h e c o r et e c h i l o l o g y a c c o r d i n gt oa n a l y s i s i n go ft h et h e o r y o fp o s i t i o nc o n t r o ls y s t e m ，t h i s d i s s e r t a t i o nd e s i g n e da n da c c o m p l i s h e dt h ee l e c t r o s t a t i cl e v i t a t i o np o s i t i o nc o n t r o ls y s t e m a n d a c h i e v et oc o n t r o lt h el e v i t a t i o ns a m p l ep o s i t i o ns t e a d i l y t h em a i nw o r ko ft h i sd i s s e r t a t i o ni s ： ( 1 ) r e s e a r c ho ft h ep r i n c i p l eo fe l e c t r o s t a t i cl e v i t a t i o na n dp o s i t i o nc o n t r o lo f e l e c t r o s t a t i c l e v i t a t i o n a n a l y s i so ft h ep h y s i c a lp r o c e s so fs a m p l e l e v i t a t i o na n dt h ep r o c e s so fp o s i t i o n c o n t r o l ，p r o p o s e dt h ef u n c t i o no fp o s i t i o nc o n t r o ls y s t e m ，t h ep r e c i s i o no fp o s i t i o nc o n t r o la n d t h ed e s i g ng o a lo fc o n t r o lf r e q u e n c y ( 2 ) a c c o r d i n gt ot h ed e s i g no b j e c t i v e sa n dr e q u i r e m e n t s ，d e s i g na n di m p l e m e n te l e c t r o s t a t i c l e v i t a t i o np o s i t i o nc o n t r o ls y s t e mo fv a r i o u sh a r d w a r ec o m p o n e n t s ：t h r e e d i m e n s i o n a lp o s i t i o n m e a s u r e m e m ，c o n t r o lu n i t ，h i g h - v o l t a g ea m p l i f i e r s ，l e v i t a t i o n s t r u c t u r ea n ds oo n ，u s et w o d a r a l l e ll a s e rb e 锄so fd i f f e r e n tw a v e l e n g t hl i g h ts o u r c el i g h tt h es a m p l ep e r p e n d i c u l a r l y ，u s e t w ov e r t i c a lt w o d i m e n s i o n a lp o s i t i o n s e n s i t i v ed e t e c t o r s ( p s d ) d e t e c t t h el o c a t i o no ft h e s h a d o wo ft h es a m p l e ，a c h i e v et ot h ep o s i t i o nm e a s u r e m e n to ft h el e v i t a t i o ns a m p l e ；u s e s t c11f 3 2 x em i c r o c o m p u t e ra st h ec o r eo fc o n t i lu n i tt oa c h i e v et h et h r e e d i m e n s i o n a lp o s i t i o n s i g n a lc o l l e c t i o n ，p o s i t i o nc o n t r o lo p e r a t i o na n do u t p u to ft h r e e d i m e n s i o n a l c o n t r o ls i g n a l s ； s e l e c tf o rt h eh i g h v o l t a g ea m p l i f i e r sa n dd e s i g nt h ee l e c t r o d e ss t r u c t u r e ，f o r m a tt h eh a r d w a r e p l a t f o r mo f e l e c t r o s t a t i cl e v i t a t i o np o s i t i o nc o n t r o ls y s t e m f 3 ) i nt e n l l so fs o f t w a r e ，d e s i g na n di m p l e m e n tt h es o f t w a r eo fe l e c t r o s t a t i c l e v i t a t i o n p o s i t i o nc o n t r o ls y s t e m u s ecl a n g u a g ep r o g r a m m i n ge a c hp r o g r a mr u n n i n g i nt h es y s t e m ， a c h i e v et h ev a r i o u sf u n c t i o n so fp o s i t i o nc o n t r o ls y s t e m d e s i g na n di m p l e m e n to ft h em a i n 1 1 1 a b s t r a c t p r o g r a m ，s e r i a li n t e r r u p tr o u t i n e s ，c o n t r o lr o u t i n e sa n dd i g i t a li n t e r r u p tr o u t i n e sa n ds oo n i n t e r m so fa l g o r i t h m ，p r o c e s sd a t ao fp o s i t i o nm e a s u r e m e n ta c c o r d i n gt oc o o r d i n a t er o t a t i o n p r i n c i p l e ，p r o p o s e di n t e g r a t i o nd e t a c h m e n tp i dc o n t r o la l g o r i t h ma n dp a r a m e t e rt u n i n gm e t h o d f o re l e c t r o s t a t i cl e v i t a i o n p o s i t i o nc o n t r o ls y s t e m ( 4 ) i nt h i se x p e r i m e n t ，t h ec o n t r o ls y s t e ma c h i e v e dt os t e a d i l yc o n t r o lt h ep o s i t i o no f l e v i t a t i o ns a m p l e k e yw o r d s ：e l e c t r o s t a t i cl e v i t a t i o n ，p s d ，m c u ，p i d ，p o s i t i o nc o n t r o l i v h 录 目录 静电悬浮位置控制系统的设计i 摘要i 目录v 图目录v i i 表目录i x 1 绪论1 1 1 选题的背景、目的和意义1 1 2 国内外研究动向2 1 3 研究内容一4 2 静电悬浮位置控制系统综述7 2 1 静电悬浮原理：7 2 1 1 静电悬浮基本原理7 2 1 2 静电悬浮过程分析7 2 1 3 无控制静电悬浮过程实验1 0 2 2 静电悬浮位置控制系统原理及构成1 1 2 2 1 静电悬浮位置控制系统原理1 l 2 2 2 静电悬浮位置控制系统构成1 2 2 3 系统功能1 3 2 4 系统工作环境1 4 2 5 悬浮对象1 4 2 6 位置控制精度1 4 2 7 位置控制频率和控制周期1 5 3 系统硬件设计与实现1 7 3 1 静电悬浮位置控制系统1 7 3 2 位置测量设计与实现1 9 3 2 1 位置测量设计1 9 3 2 2 位置测量实现2 7 3 3 控制单元硬件设计与实现3 5 3 3 1s t c l1 f 3 2 x e 单片机及外围电路3 6 3 3 2 模数转换器a d 9 7 6 及接口电路3 9 3 3 3 数模转换器a d 7 2 4 7 及接口电路4 1 3 3 4 串口接口电路4 3 v f i 录 3 3 5 电源设计4 4 3 3 6 电磁兼容设计4 4 3 4 高压放大器的选择4 5 3 5 电极的设计4 7 3 6 系统硬件实现4 9 4 系统软件设计与实现5 1 4 1 编程语言和开发环境5 1 4 2 系统主程序5 1 4 3 控制子程序5 4 4 4 串 j 中断予程序5 6 4 5 开关量中断子程序5 7 4 6 控制算法设计5 7 4 6 1p i d 控制5 7 4 6 2 积分分离的p i d 控制算法5 9 4 6 3p i d 参数整定6 1 4 7 位置控制消耗时间6 2 5 位置控制系统悬浮实验6 5 5 1 位置控制系统实验装置6 5 5 2 悬浮过程6 6 5 2 1 悬浮起步实验6 6 5 2 2 悬浮位置控制6 7 5 3 实验结果分析6 8 6 工作总结6 9 参考文献7 0 附录1 发表文章7 2 附录2 三维控制板原理图7 3 附录3 三维控制板实物图7 4 致谢7 5 图h 录 图目录 图1j p l 早期进行空间材料实验所采用的电极结构3 图2 日本j a x a 目前使用的静电悬浮电极结构4 图3 静电悬浮基本原理7 图4 小球在极板间受到的作用力示意图8 图5 侧面电极电场力分析9 图6 半径1 4 7 m m 钢球在不同极板间距的起步电压1 0 图7 静电悬浮实验装置10 图8 钢球浮起状况图1 l 图9 静电悬浮位置控制系统组成示意图1 2 图1 0 静电悬浮位置控制系统组成1 3 图1 1 系统的控制周期18 图1 2 位置控制系统电原理框图1 8 图1 3 象限探测器原理图2 0 图1 4p s d 工作原理和等效电路2 1 图1 5 表面分割型p s d 的结构和等效电路2 2 图1 6 表面分离型p s d 结构和等效电路2 3 图l7 枕形p s d 结构和等效电路2 4 图1 8 一维p s d 信号处理电路一2 4 图1 9 二维p s d 信号处理电路2 5 图2 0 检测阴影示意图2 6 图2 1 三维位置测量摆放示意图2 7 图2 2d l l 0 0 7 p c b a 3 夕 、观2 8 图2 3d l l 0 0 7 p c b a 3 的光谱响应曲线2 9 图2 4p s d 位置测量实验示意图3 0 图2 5p s d 位置测量实验装置图3 l 图2 6p s d 测量阴影结果3 2 图2 7y 方向和x 方向上的测量特性图一3 3 图2 8 位置信号放大电路3 4 图2 9 位置信号放大电路板3 5 图3 0 控制单元原理图3 6 图3 1s t c l l f 3 2 x e 单片机的外接电路原理图3 7 v i i 图目录 图3 2a d 9 7 6 内部结构一3 9 图3 3 转换控制和读转换结果时序4 0 图3 4 数据传输控制时序图4 0 图3 5s t c l1 f 3 2 x e 与a d 9 7 6 接u 电路4 1 图3 6a d 7 2 4 7 内部结构4 l 图3 7a d 7 2 4 7 写周期时序图4 2 图3 8s t c llf 3 2 x e 同a d 7 2 4 7 接l j 电路4 2 图3 9o p a 4 2 2 7 的内部结构和放大电路原理图4 3 图4 0m a x 2 3 2 内部结构及接l j 电路4 4 图4 1t r e 2 0 2 0 c h c e 外观4 6 图4 2t r e 一6 7 7 b h c e 外观4 6 图4 3 电压放大器的内部结构j 4 7 图4 4 不同直径上极板的等电位面4 8 图4 5 悬浮电极剖面图4 8 图4 6 侧面电极摆放位置图4 9 图4 7 静电悬浮位置控制系统结构图5 0 图4 8 位置控制过程5 2 图4 9 单片机位置控制过程，5 2 图5 0 单片机的一个循环周期5 3 图51 系统主程序流程图5 4 图5 2z 方向控制子程序流程图5 5 图5 3x ( y ) 方向控制子程序流程图5 5 图5 4 串口中断子程序5 6 图5 5 连续p i d 控制系统5 7 图5 6 控制系统控制过程5 9 图5 7p i d 控制子程序6 0 图5 8 用示波器检测单片机p i d 运算耗时图6 l 图5 9 竖直方向位置控制系统实验装置6 5 图6 0 悬浮情况图6 6 图6 l 悬浮起步过程6 6 图6 2 悬浮精度测定图6 7 图6 3 示波器观察悬浮起步过程6 7 图6 4 调整位置过程图6 8 v 1 1 1 表同录 表目录 表l 各种悬浮技术对比2 表2 各型号p s d 性能比较2 7 表3 临界振荡法6 1 i x 表日录 x 绪论 1 1 选题的背景、目的和意义 1 绪论 材料的熔化与凝固处理是研究材料的重要手段之一，低于熔点以下不同温度段凝固会 获得不同的微观结构而使材料性能产生差异，在深过冷条件下凝固时，晶体生长的速度很 快，发生快速凝固，从而可以获得均匀的成分分布、弥散细化的组织结构和新颖的相结构， 因此提高获取深过冷的能力对寻找新材料、研究材料的凝固过程具有重要意义。无容器加 工技术可以避免材料在凝固过程中受到容器壁的影响，抑制非自发形核，提高材料的过冷 度，为实现材料的深过冷和快速凝固创造了条件。无容器加工技术是空间材料科学发展的 一个重要研究方向，美国、日本、欧空局都相继进行了空间无容器材料加工技术的研究n 4 1 。 无容器加工技术主要有熔融玻璃支撑技术、自由落体技术和悬浮技术畸3 。其中前一种 处理方法是准无容器技术，它是以液一液界面代替液一固界面的处理技术。后两种方法是 严格意义上的无容器处理技术。自由落体技术主要分落管与落塔技术和抛物线实验飞机及 探空火箭。对于落管与落塔技术而言，可以实现无容器和微重力的结合，但是温度不宜测 量、不宜监测液滴的深过冷及快速凝固过程和样品体积过小都制约了它的应用，无容器试 验时间短( 通常小于5 秒) 。抛物线实验飞机及探空火箭的缺点则是实验成本过高，无容 器试验时间也较短，如抛物线实验飞机最多几十秒，探空火箭最多几一i 分钟。 悬浮技术可以使大体积试样长时间处于悬浮状态，这便于观察液滴的运动形式和凝固 过程，也易于控制过冷度和测量一些过冷熔体的热物理性质。目前技术较为成熟的悬浮方 法主要有： 1 ) 电磁悬浮：用交变磁场悬浮和加热金属材料，可在真窄中工作。缺点是只能悬浮 金属材料，并且悬浮和加热不能分离。 2 ) 声波悬浮：在高能量驻波声场中，使样品定位在最小声压节点上。缺点是不能在 真空中使用，也就无法避免外界对材料的污染，并且可能对悬浮体造成损伤。 3 ) 气动悬浮：通过喷管产生的高速气流来悬浮熔融的样品。特别适合于高熔点材料。 但它的噪音太大，对样品干扰较大，也难以实现位置的精确控制。 4 ) 磁悬浮：材料只限制于反磁性材料，使用局限性较大。 5 ) 静电悬浮：利用库仑力浮起样品，适合在真空中使用。 静电悬浮位置控制系统的设计 表1 为各种悬浮技术特点的对比情况。同上述几种悬浮技术相比，静电悬浮具有以下 优点：( 1 ) 适用范围广：适合于金属、半导体及绝缘体等所有能在表面保持足够实现悬浮 的静电荷的材料。( 2 ) 超高真空环境：材料的整个处理过程可在高真空( 1 0 。6 l o p a ) 中进 行，避免了介质对材料的影响。( 3 ) 加热与悬浮独立控制：样品可在很大的温度范围内保 持悬浮状态。( 4 ) 采用反馈控制系统，可使样品保持静止，有利于对其加热和其熔体获得 深过冷哺1 。 静电悬浮技术在悬浮时不对样品产生额外的能量输入，不对材料凝固过程产生额外的 干扰因素，易于结合其他非接触测量设备实现材料的热物性测量n 吲，更适合进行空间材料 科学试验，有期望成为我国未来空间材料科学的重要试验装置之一。 由于静电场不存在三维势阱阳1 ，所以要实现稳定悬浮必须结合负反馈控制，通过对样 品的位置控制实现稳定的静电悬浮。静电悬浮位置控制系统是静电悬浮材料加工技术的基 础，同时也是核心。本课题研究的静电悬浮位置控制系统是中国科学院创新项目“静电悬 浮材料实验装置的研制”项目的关键技术之一，它的研制有利于静电悬浮材料实验装置项 目研制工作。 1 2 国内外研究动向 美国、日本、欧空局都相继进行了空间无容器材料加工技术的研究，他们的静电悬浮 技术的研究时间较早，技术己较为成熟。1 9 8 3 年，美国喷气推进实验室( j p l ) 在太空中 利用静电悬浮进行了材料实验n0 l 。j p l 的静电悬浮位置控制系统先后设计了三种电极，分 别是碟形电极、环形电极和四面体形电极，如图1 所示。该系统采用1 2 0 帧秒的c c d 相机 对悬浮样品进行拍摄，然后由微型计算机进行图像分析得出样品的位置信号。由于c c d 速 度的限制，控制频率最高只能为1 2 0 t t z 。 绪论 碟形电极环形电极 四面体行电极 图1j p t 早期进行空间材料实验所采用的电极结构 1 9 8 4 年，r h i m 等人在此基础上详细研究了反馈控制系统，实现了地面条件下直径为 5 m m 左右镀银苯乙烯小球和金属球壳等物体的稳定悬浮；并且利用抛物线飞机实现了直径 约1 0 m m 的水滴在低重力环境中的稳定悬浮旧1 。1 9 9 3 年，r h i m 等人研制了地面条件下材料 高温无容器处理的静电悬浮设备n 。该设备的位置控制系统采用位置灵敏探测器( p s d ) 进行悬浮样品的三维位置探测，采用微机进行p i d 控制运算，位置控制频率为4 8 0 h z 。2 0 0 0 年，n a k a m u r a 等人详细研究了静电悬浮炉的控制系统n 引，该系统采用垂直放置的两台 5 0 0 h z 频率的高速c c d 进行悬浮样品三维位置探测，采用p i d 控制算法对样品进行位置控 制。2 0 0 1 年t m e i s t e r 等人研究了针对于静电悬浮的增益调度控制方法 4 1 。2 0 0 5 年i s h i k a w a 等人给出了日本j a x a 正在使用的静电悬浮炉结构口1 ，该装置悬浮样品尺寸范围为在 静电悬浮位置控制系统的设计 o 9 3 m m 之间，采用p s d 进行位置探测，控制算法为p i d 控制，其电极结构如图2 所示。 n d ：y a cl i s e r h f 譬hv o l t a 嚣i 图2 日本j a x a 目前使用的静电悬浮电极结构 目前日本宇航局( j a x a ) 的静电悬浮材料实验装置及基础研究方面处于国际领先水平， 已研制有地面用静电悬浮材料实验装置和航空机载静电悬浮实验装置n 3 。川，其发展目标是 成为空间无容器材料加工的重要装备。美国n a s a 采用静电悬浮技术的无容器材料加工能力 同日本相当。 我国在此领域的研究还处于起步阶段，尚未有资料报道已经完全掌握了静电悬浮位置 控制该项核心技术。2 0 0 9 年西北工业大学发表了一篇学术论文，给出了一种静电悬浮控制 系统的设计方案n 朝，他们的方案采用了虚拟仪器编程软件l a b v i e w 8 2 0 并f l p i d 算法对样品进 行悬浮位置控制，并且软件模拟了静电悬浮位置控制过程，硬件是否实现未见报道。 1 3 研究内容 静电悬浮位置控制系统由高速位置探测单元、p i d 控制单元、高压放大器、控制电极 板以及相互间的接口电路等组成。由高速位置探测单元检测出悬浮对象的三维位置信号， p i d 控制单元根据探测到的位置信号进行p i d 计算，然后将计算得出的控制电压信号输出 给高压放大器，高压放大器输出高压给位于悬浮对象上下前后左右侧的六个电极，静电悬 浮位置控制系统通过控制电场强度实现对悬浮对象的控制位置。 本课题研究内容为：提出位置控制的精度要求，设计实现一个静电悬浮位置控制系统 并进行实验。包括选择合适的测量方案，设计和实现p i d 算法的嵌入式处理单元，选择合 适的高压放大电源，设计悬浮电极以及对整个位置控制系统的运转调试，最终实现悬浮对 象的悬浮位置控制。 本课题以项目需求为参考，研制能够进行材料科学实验的静电悬浮位置控制系统，内 4 绪论 容主要包含以下几点： 1 ) 前期大量调研，阅读国内外最新相关文献资料及同日本j a x a 相关研究者进行经 验交流。 2 ) 通过原理和实验进行静电悬浮过程分析，分析静电悬浮的位置控制原理及控制过 程，提出系统的设计指标。 3 ) 根据实际需求确定合适的系统方案，包括三维位置测量、控制算法运行、高压放 大器的选择以及电极的结构和形状等。 4 ) 根据系统方案，设计实现位置控制系统的硬件和软件，搭建一个有效、能够满足 课题要求的静电悬浮位置控制系统。 5 ) 运行和调试位置控制系统，进行悬浮实验，验证系统的工作指标。 本课题来源于具体项目“静电悬浮材料实验装置的研制”，是该项目研制过程中的关 键技术之一。 本文的具体安排如下： l 第一章：绪论。阐述木课题的背景、目的和意义，国内外的研究进展以及本课题的 研究内容。 2 第二章静电悬浮位置控制系统综述。分析静电悬浮原理、探讨静电悬浮位置控制 系统原理和构成，提出静电悬浮位置控制系统的功能需求以及位置控制的精度要求。 3 第三章系统方案设计和硬件实现。设计位置控制系统各个组成部分，包括三维位 置测量、控制单元设计、电极设计和高压放大器选型等部分，并在硬件上实现整个系 统。 4 第四章系统软件设计。设计系统运行软件和控制算法。 5 第五章位置控制系统悬浮实验。进行位置控制实验，并测量该控制系统的位置控 制精度。 6 第六章工作总结。对论文中讨论的内容进行了总结。 静电悬浮位置控制系统的设计 6 静电悬浮位置控制系统综述 2 静电悬浮位置控制系统综述 本章进行静电悬浮原理及其位置控制原理的研究，分析悬浮样品悬浮的物理过程和位 置控制过程，提出位置控制系统的功能、位置控制精度要求和控制频率设计目标。 2 1 静电悬浮原理 2 1 1 静电悬浮基本原理 带电物体在静电场中会受到电场力的作用，如果电场力的大小能够克服自身的重力， 带电物体就会浮起来。如图3 所示，当半径为r 的小球处于竖直方向的两极板间，若上下 极板间加上负电压u ，两极板间会产生由下往上方向强度为e 的静电场，上极板带负电， 下极板带正电。小球在静电场中会感应上正电，其大小可以表示为g = 4 砜占，u 。带电 小球在电场的作用下会受到向上的库伦力f 。小球受到的电场力能够克服其所受到的重力 是带电小球悬浮的基本条件。 用公式表示： j f l ：q s e ：垒擎，昭， ( 2 一1 ) z 图3 静电悬浮基本原理 2 1 2 静电悬浮过程分析 带电小球在极板间不光受到静电场的库仑力，还受到上下极板对小球的镜像力。镜像 7 静电悬浮位置控制系统的设计 力是一种电荷感应力，当在接地平面无限大导体外( 距离为r ) 放置一个正电荷( + q ) 时， 那么该电荷将在导体表面上感应出负电荷( 一q ) ；这两个正、负电荷之问将要相互吸引，该 吸引力可以采用所谓镜像电荷的概念来计算：认为在导体表面以内离表面r 处有一个负电 荷( 一q ) ，这个( - q ) 与表面以外的( + q ) 的库仑作用力就是镜像力( 力的大小与r 成反l l ) 。 实际上小球在极板间受到的力如图4 所示。 f+： ， 冗 p p d j 1y o z m 9 r 。 。 。j j ”。i j?， 图4 小球在极板问受到的作用力示意图 小球会受重力、库仑力以及两极板对它的镜像力。若上下极板的距离d ，小球中心距 离下极板的距离为z ，上极板施加电压为u ：，小球的带电量为q 。，那么： 小球受到向上的力为： 丘= 南+ g 等【4 】， 小球受到向下的力为：砟= 瓦+ ，馏， 小球受到的合力为：f = g _ u z a + 嚣1万圭f 一吉卜馏， 0 7 陋i 口一zj z ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) 小球能够悬浮的条件：f = 酝了u z + 簧【面兰了一吉卜，增= 。， ( 2 - 5 ) 其中e o 为自由空间的电容率，= 8 8 5 4 1 0 - 1 2 f m ， 小球的电容为：c = 4 昭0 e yr ，又因为c = 争，得到小球能够浮起的临界电压： 静电悬浮位置控制系统综述 u o = 小球悬浮时的带电量为： g = c u = 4 j r c o 占，砜， o uy u ( 2 6 ) ( 2 7 ) 如果小球偏移中心位置为x ，若要使用侧面电极对小球的水平方向进行控制，使其回 复到中心位置，如图5 所示。 u l d 丁 x l 一 上 图5 侧面电极电场力分析 那么，小球受到侧面电极在x 方向的电场力为为： f j = 亍u qs ， 小球受到“像电荷”产生的回复力为【9 】： 只= 蔫 1 1 了+ 了 【x 2 + 4 ( d z ) 2 】2 ( x 2 + 4 2 2 ) 2 由式( 2 8 ) 和式( 2 8 ) 可知，小球受到电场在水平方向的合力为： 呢篮4ir苫：07rar-y 11 了+ 1 【x 2 + 4 ( d z ) 2 】2 ( x 2 + 4 2 2 ) 2卜 ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 由式( 2 4 ) 和( 2 9 ) 分析可知： 1 ) 竖直方向上，悬浮样品在上下极板间不同位置受到的电场力大小由下电极向上逐 渐增强，悬浮样品在上下电极间时十分不稳定。 2 ) 水平方向上，悬浮样品偏离中心位置时，电极的“镜像力”和静电场的电场力对 9 静电悬浮位置控制系统的设i 悬浮样品均产生向中心的回复力，凶此水平方向上悬浮有一个稳定点，那就是水 平方向的中间位置。 2 1 3 无控制静电悬浮过程实验 根据理论分析，进行静电悬浮实验。悬浮对象选择半径为1 4 7 m m 的钢球，根据式( 2 ，6 ) ， 离开下极板时的电压应为：= 、| i4 7 r e o r + x e o r 2 ( d l 1 - 】) ，因此在不同极 距时悬浮的理论起步电压如图6 所示。 ， 图6 半径1 4 7 m m 钢球在不同极板间距的起步电压 实验在真空度为1 0 。4 t o n 的真空腔内进行，下电极接地，上极板接高压放大器的输出 实验装置如图7 所示。 图7 静电悬浮实验装置 1 0 静电悬浮位置控制系统综述 上下极板间加直流电压并慢慢调高，当极板间电压约为9 4 0 0 v 时，钢球离开下极板在 上下极板间作高频的往复运动，并带有放电现象，如图8 所示。 图8 钢球浮起状况图 根据2 4 3 的理论分析，若考虑“镜像力”，钢球离开下极板时的电压应为 u 0 ig 4 ；r c o r 1 i f 】 = 1 2 1 4 5 6 y ；若不考虑镜像力”， j t t 板时的电压应为u ，= r 倒3 9 。g ，= 5 7 8 8 5 v ；而实际上只有9 4 0 0 v ，分析其原因主要是因 为：当计算上下极板对悬浮样品产生的镜像力时，是把上下极板当做理想的无限大的导体 来看的，而实际上上下极板不是无限大的导体，因此镜像力也没有理论上的那么大，这就 导致理论上的悬浮起步电压和实际有些偏差。 由于静电场不存在三维势阱，感应带负电的钢球在下极板受到向上的合力小于在上极 板受到向上的合力，钢球在下极板充完电后会以加速度越来越大的运动状况碰撞到上极 板，放电的同时感应带正电，再向下做变加速运动碰撞下极板，钢球再一次放电并又感应 带负电，然后不断重复刚才的这个过程，这就是实验过程中所观察到的状况。 2 2 静电悬浮位置控制系统原理及构成 2 2 1 静电悬浮位置控制系统原理 根据e a m s h a w 定理【9 1 及前节描述的实验，静电场不存在三维势阱，所以要实现稳定悬 浮就必须结合负反馈控制系统，对悬浮材料进行位置控制。根据2 1 2 分析，小球受到电 场力的合力为： 静电悬浮位置控制系统的设i f f e = q n 等+ 蕞c 南一争 协 当z = d 2 时，两极板的镜像力相互抵消，此时疋= g 半；当z 耿弩。上下极板的镜像力其实是同两极板间中心位置相对称的一对力，因此， 悬浮引入反馈控制时，两极板的中心位置是悬浮的最佳位置。 静电悬浮位置控制系统的基本控制方法是：探测悬浮样品的实际位置，当悬浮样品偏 离两极板中心位置向下时控制系统输出控制信号增大极板电压，增大向上的浮力；当悬浮 样品偏离两极板中心位置向上时控制系统输出控制信号减小极板电压，减小向上的浮力。 2 2 2 静电悬浮位置控制系统构成 静电悬浮位置控制系统的实质是通过调整极板问电场的大小实现对悬浮材料的位置 控制，使悬浮材料在极板间能够稳定悬浮，是一个闭环反馈控制系统。静电悬浮位置控制 系统由位置检测单元、控制单元、高压放大单元、电极板以及悬浮材料等组成，如图9 所 示。 直流低 电压 图9 静电悬浮位置控制系统组成示意图 当悬浮材料放在电极板间时，由位置检测单元检测悬浮材料的位置，把材料的位置数 据输出给控制单元。控制单元比较位置检测单元输入的实际位置和控制系统的目标位置， 进行控制算法运算，把计算出的控制数据转换成电压信号输出给电压放大单元。电压放大 单元把电压控制信号进行放大，放大后的高压施加到极板间，就可通过调整静电场的大小 改变施加到悬浮材料的作用力，从而实现对悬浮材料的位置控制。 本课题的静电悬浮位置控制系统是静电悬浮材料实验装置的重要部分，其主要用途是 进行材料科学实验，进行深过冷条件下的材料制备与凝固理论研究。材料的凝固过程需要 先对其加热，而普通的固体材料熔点一般较高，要对其研究必须要通过激光加热等途径使 1 2 静电悬浮位置控制系统综述 固体材料变为液态。由于加热激光光束位置是固定的，这对静电悬浮的位置控制精度也提 出了相当高的要求。只有竖直方向一维的控制显然不能满足实际需求，必须要对悬浮材料 的三个方向进行位置控制。所以，实际使用的静电悬浮位置控制系统需要对悬浮材料进行 三维位置控制，也需要三路的直流高电压施加到三方向的电极间，控制悬浮材料的三维位 置。 图1 0 为静电悬浮位置控制系统组成图。系统以p s d 为位置测量传感器，以平行激光 光源作为p s d 的照明光源，当平行光通过悬浮样品照射到p s d 的感光面上时会留下悬浮 样品的阴影，p s d 会输出同阴影位置二维( z 、x ) 相关联的电压信号。控制单元根据p s d 测量到的二维( z 、x ) 位置信号，分别进行控制算法运算，将控制信号输出给高压放大器， 由高压放大器把电压控制信号进行放大，分别施加控制高压到上下电极和水平电极上，即 通过调整静电场的大小调整带电样品所受到的电场力，实现对悬浮样品在z 方向和x 方向 上的位置控制。另外一组测控y 方向的控制回路没有画出。 2 3 系统功能 图1 0 静电悬浮位置控制系统组成 静电悬浮位置控制系统的功能是在静电悬浮材料加工时对材料进行悬浮位置控制，材 料加工时的过程为：把材料样品悬浮至固定位置，开启外部加热激光对样品进行加热融化