實驗名稱：靜電懸浮位置檢測與控制技術

測試目的：根據Earnshaw定理，靜電場不存在最小三維靜電勢，所以要實現樣品的穩定必須結合負反饋控制系統。要進行材料特性研究，還需要對材料樣品進行加熱與測溫，因此還需配備加熱和測溫設備。所以，下文對靜電懸浮實驗裝置中位置檢測與控制、加熱與溫度檢測技術進行介紹。

測試設備：高壓放大器、位置控制器、探測器等。

實驗過程：

圖1：靜電懸浮位置檢測與控制結構圖

靜電懸浮位置檢測與控制結構如圖1所示。系統包括位置檢測單元、處理控制單元、高壓放大器及電極結構。位置檢測單元使用PSD作為傳感器，獲得懸浮樣品的位置信號。處理控制單元對測量到的位置信號進行濾波處理并根據處理后的位置信號進行PID控制運算，將輸出的控制信號傳給高壓放大器，高壓放大器根據輸入的信號控制輸出高壓，輸出的高壓加載到電極板上下電極，通過改變帶電樣品所受到的電場力調整懸浮樣品的運動，實現對懸浮樣品的懸浮控制。

位置檢測單元采用陰影法實現懸浮樣品的位置測量，使用能量均勻的平行光照射到整個PSD的感光面上，若被測物體在PSD的前方，那么被測物體的陰影就會留在PSD上。如果光斑能量分布均勻，那么光斑重心位置同陰影位置線性相關，對PSD的測量信號進行反向放大即可得到懸浮小球的位置信息。要獲得懸浮樣品的三維位置信息，需要兩片PSD平行z軸擺放并相互垂直。如圖2所示，其中一片PSD檢測懸浮材料的（x，z）坐標，另一片檢測懸浮材料的（y，z）坐標，當兩片PSD同時檢測時即可獲得懸浮材料的（x，y，z）坐標。

圖2：位置檢測結構示意圖

實驗結果：

重點分析介紹了靜電懸浮實驗裝置中懸浮樣品位置檢測與控制技術，靜電懸浮實驗樣品的位置檢測與控制是懸浮實驗的關鍵，實驗裝置中使用位置敏感探測器(PSD)進行樣品位置的測量，使用PID控制算法對加載到電極板上的高壓進行調節實現實驗樣品的穩定懸??；根據懸浮材料實驗情況及空間實驗情況介紹了使用PSD進行位置測量時存在的缺陷，并提出了使用CCD進行樣品位置測量的方法。

高壓放大器推薦：ATA-7050

圖：ATA-7050高壓放大器指標參數