实验名称：静电悬浮位置检测与控制技术

　　测试目的：根据Earnshaw定理，静电场不存在最小三维静电势，所以要实现样品的稳定必须结合负反馈控制系统。要进行材料特性研究，还需要对材料样品进行加热与测温，因此还需配备加热和测温设备。所以，下文对静电悬浮实验装置中位置检测与控制、加热与温度检测技术进行介绍。

　　测试设备：高压放大器、位置控制器、探测器等。

　　实验过程：

　　图1：静电悬浮位置检测与控制结构图

　　静电悬浮位置检测与控制结构如图1所示。系统包括位置检测单元、处理控制单元、高压放大器及电极结构。位置检测单元使用PSD作为传感器，获得悬浮样品的位置信号。处理控制单元对测量到的位置信号进行滤波处理并根据处理后的位置信号进行PID控制运算，将输出的控制信号传给高压放大器，高压放大器根据输入的信号控制输出高压，输出的高压加载到电极板上下电极，通过改变带电样品所受到的电场力调整悬浮样品的运动，实现对悬浮样品的悬浮控制。

　　位置检测单元采用阴影法实现悬浮样品的位置测量，使用能量均匀的平行光照射到整个PSD的感光面上，若被测物体在PSD的前方，那么被测物体的阴影就会留在PSD上。如果光斑能量分布均匀，那么光斑重心位置同阴影位置线性相关，对PSD的测量信号进行反向放大即可得到悬浮小球的位置信息。要获得悬浮样品的三维位置信息，需要两片PSD平行z轴摆放并相互垂直。如图2所示，其中一片PSD检测悬浮材料的（x，z）坐标，另一片检测悬浮材料的（y，z）坐标，当两片PSD同时检测时即可获得悬浮材料的（x，y，z）坐标。

　　图2：位置检测结构示意图

　　实验结果：

　　重点分析介绍了静电悬浮实验装置中悬浮样品位置检测与控制技术，静电悬浮实验样品的位置检测与控制是悬浮实验的关键，实验装置中使用位置敏感探测器(PSD)进行样品位置的测量，使用PID控制算法对加载到电极板上的高压进行调节实现实验样品的稳定悬浮；根据悬浮材料实验情况及空间实验情况介绍了使用PSD进行位置测量时存在的缺陷，并提出了使用CCD进行样品位置测量的方法。

　　高压放大器推荐：ATA-7050

　　图：ATA-7050高压放大器指标参数

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