靜電懸浮技術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。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，必須結合負反饋控制系統(tǒng)對懸浮樣品的位置進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，靜電懸浮技術逐漸應用于材料的熱物理性質、深過冷快速凝固機理和液態(tài)金屬結構等多個領域的研究。

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(PositionSensitiveDetective，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)化設計靜電懸浮實驗系統(tǒng)，可實現(xiàn)材料熱物理性質的測定以及凝固規(guī)律的探索;改進位置探測模塊，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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審核編輯：湯梓紅