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靜電懸浮技術(shù)是利用靜電場中帶電物體受到的庫侖力平衡重力以實現(xiàn)材料懸浮的一種無容器處理技術(shù)。因為電場不存在三維勢阱叮，所以要維持靜電場中材料的穩(wěn)定懸浮，必須結(jié)合負(fù)反饋控制系統(tǒng)對懸浮樣品的位置進(jìn)行實時探測并依此調(diào)節(jié)靜電場的電壓來實現(xiàn)。由于不論是導(dǎo)體還是絕緣體都可攜帶電荷，因此靜電懸浮的研究對象十分廣泛。并目，其具有懸浮穩(wěn)定性高，懸浮與材料處理過程相獨立，無外場擾動，以及視野開闊等特點。經(jīng)過三十多年的發(fā)展，靜電懸浮技術(shù)逐漸應(yīng)用于材料的熱物理性質(zhì)、深過冷快速凝固機理和液態(tài)金屬結(jié)構(gòu)等多個領(lǐng)域的研究。
懸浮控制子系統(tǒng)一般包括垂直懸浮電極組、水平穩(wěn)定電極組、定位HeNe激光、位置敏感探測器、控制電腦和高壓放大器。不同于聲懸浮和電磁懸浮，靜電場內(nèi)不存在三維最小作用勢且樣品表面所帶電荷在實驗過程中會變化，因此樣品無法穩(wěn)定懸浮在純靜電場中。因此靜電懸浮通過引入負(fù)反饋調(diào)節(jié)，根據(jù)樣品位置實時調(diào)節(jié)加載在垂直電極組之間的電壓來保證樣品穩(wěn)定懸浮在電極之間。
樣品的三維空間位置利用兩個二維位置敏感探測器(Position Sensitive Detective，PSD)探測，平行HeNe激光通過懸浮樣品后投射在PSD光敏面上的圓形光斑內(nèi)出現(xiàn)一個陰影，陰影的位置由PSD轉(zhuǎn)換成電壓信號，代表樣品在實際空間的懸浮位置。位置電壓信號傳入控制電腦后，通過PID算法計算出樣品運動到預(yù)定懸浮位置的電壓，并將其由高壓放大器放大后加載于上電極。另外，垂直電極的形狀對實驗中樣品的懸浮穩(wěn)定性也有很大影響，為了增加水平方向的束縛力，一般選取凸上電極和凹下電極作為垂直電極組。
靜電懸浮裝置示意圖
優(yōu)化設(shè)計靜電懸浮實驗系統(tǒng)，可實現(xiàn)材料熱物理性質(zhì)的測定以及凝固規(guī)律的探索;改進(jìn)位置探測模塊，提升懸浮能力;在控制算法中增加濾波模塊，提高熔融狀態(tài)下樣品懸浮的穩(wěn)定性;增加觸發(fā)形核和液淬的功能，實現(xiàn)凝固過程的控制;把激光加熱與紅外測溫相耦合，精確控制懸浮樣品的溫度。Aigtek高壓放大器被廣泛的應(yīng)用在靜電懸浮實驗中，最大輸出電壓10kv,最大功率10KW，頻率DC~25MHz，電壓增益數(shù)控可調(diào)，數(shù)字Monitor輸出電壓，電流實時顯示。
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