高压放大器在位置控制系统悬浮实验中的应用

实验名称：位置控制系统悬浮实验

测试目的：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，我国尚未有已经完全掌握了该项核心技术的报道，本文在分析位置控制系统各组成部分的工作原理上，设计实现静电悬浮位置控制系统，并实现了对悬浮样品的稳定位置控制。

测试设备：高压放大器、悬浮电极、激光电源等。

图1：静电悬浮位置控制系统

实验过程：

竖直方向位置控制系统实验装置由650nm半导体激光光源、三维控制板、高压放大器、悬浮电极等组成，图2所示的上图为PSD、信号放大电路、悬浮电极、激光光源和高压放大器，下图为控制板和控制板供电电源。

图2：竖直方向位置控制系统实验装置

悬浮对象采用直径约3mm的镀石墨陶瓷小球，当系统加电后，镀石墨陶瓷小球立即被悬浮起来并逐渐稳定到上下极板间的中心位置，悬浮情况如图3所示。

图3：悬浮情况图

经放大后观察，可得到悬浮的精度在±0.05mm以内，如图4所示为0.7s内的悬浮情况。

图4：悬浮精度测定图

图5为示波器观察悬浮起步时PSD输出的Z方向位置信号和控制电压信号，其中CH1为位置信号，CH2为控制电压信号（实际值和观察值之比为2000：1）。可见，悬浮起步时的控制电压需大约7000V，而小球在两极板中心位置的悬浮控制电压只需约4000V。

图5：示波器观察悬浮起步过程

实验结果：

采用650nm光源的竖直方向位置控制系统的位置控制精度为±0.05mm，这已经达到本文静电悬浮位置控制系统的设计要求（±0.25mm）。将来用性能更好的808nm激光器做位置测量，竖直方向的控制精度必然更高。另外，水平方向的位置控制不需要克服重力，中心位置是悬浮样品在水平方向电场力的平衡点，水平方向的位置控制主要是为了防止外界的干扰，那么水平方向的位置控制能够达到更高的精度。

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审核编辑 黄宇