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光电反馈式静电悬浮技术研究

作　者: 王新杰
导　师: 章海军
学　校: 浙江大学
专　业: 光学工程
关键词: 静电悬浮光电反馈技术研究悬浮技术悬浮体 PID控制系统静电极光学悬浮特色和创新悬浮系统
分类号: TN29
类　型: 硕士论文
年　份: 2002年
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内容摘要

随着现代工业与科学技术的发展，在精密机械工业、半导体工业、航空航天工业、交通与运输业以及空间材料科学、微电子学和军事科学等许多领域，需要采用悬浮技术对特定目标如精密元器件、光盘(CD)、液晶片(LCD)、硅基片(Wafer)、导航陀螺乃至列车等实现非接触式的操作或输运，因此，悬浮技术的发展具有重要的理论意义和实用价值。传统的悬浮技术包括：磁悬浮(Magnetic Levitation)、超声波悬浮(Acoustic Levitation)、气动悬浮(Aerodynamic Levitation)、光学悬浮(Optical Levitation)、射频悬浮(Radio-Frequency Levitation)、电悬浮(Electric Levitation)和超导悬浮(Super-conducting Levitation)等。这些悬浮技术各有其特定的优点，已经在一些特殊场合得到应用，但每一种悬浮技术均存在不同程度的局限性。例如，磁悬浮的工作原理决定了它不能对非磁性材料进行直接悬浮操作；超声波悬浮需要产生高频的受迫振动，可能对悬浮体造成损伤；气动悬浮的缺点是噪声太大，也难以实现精确的定位控制：射频悬浮要求被悬浮物为金属导体；光学悬浮则仅适用于分子级大小的微粒；常规的无源电悬浮仅靠自动调谐电路本身的参数来获得悬浮，因而调整速度慢，仅在偏离设定位置的一定范围内是稳定的，此外悬浮的刚度较低，不适合定位精度高的场合。针对现有悬浮技术的发展现状，本文研究一种新颖的悬浮方法——光电反馈式静电悬浮方法。利用该悬浮方法可以广泛实现导体(如金属片)、半导体(如硅Wafer)、常规绝缘体或电介质(如LCD片、CD片、玻璃片、纸片)等悬浮，进而对其进行非接触的无损操作。与常规电悬浮和磁悬浮相比，静电悬浮的突出优点是不受悬浮体的磁性和导电性的制约，因而应用领域更加广阔。本文的主要研究工作内容、研究特色和创新之处包括：在理论上，全面系统地揭示了静电悬浮的机理，即静电极与悬浮体之间的静电感应或极化机理及静电力的作用规律。首次正确解释了静电极与不同悬浮体(导体、半导体、电介质)之间的静电感应和静电极化规律。建立了悬浮过程中静电力作用的理论模型，并推导出适用于不同悬浮体的静电悬浮力的计算公式。此外，通过对悬浮系统进行数学建模分析，建立了静电悬浮姿态控制的浙江人学砸IJ学位论义状态方程。这是本文在理论方法上的创新。利用这些规律，结合光电检测及反馈控制技术，确立和发展了光电反馈式静电悬浮技术。在技术方法上，建立了光电反馈式静电悬浮的实验装置和设备。包括静电悬浮的操作电极的优化设计、多路激光测距探头的研制、PID反馈控制系统的设计制作以及高压放大系统的实现等。通过实验对不同操作电极下作用于悬浮体上的静电悬浮力进行了精确测定，实验结果与理论计算公式符合良好，据此获得了操作电极的优化设计参数。利用激光三角法测距原理，研制完成三路激光测距探头，可对悬浮目标的悬浮姿态进行实时监控。鉴于传统三角测距法的非线性，我们提出和发展了一种新的校正方法——采用硬件电路将其线性化，从而消除非线性带来的测量和控制误差。实验表明，在测量范围（即电极板与悬浮体之间的间距）为士l．5 mm内，测量精度优于 7 pm。另一方面，根据悬浮系统的状态方程，利用Matlab软件的模拟方法，对PID控制系统的参数进行了优化，据此建立了静电悬浮的高精度PID控制系统。此外，针对现有的直流高电压运算放大器价格昂贵的现状，我们自行设计了能实现直流低压——高压转换及跟随的高压脉动跟随模块，可将ZV～6V的直流电压放大到300V～900V，响应频率为 100 HZ，较好地满足了悬浮系统的要求。实验表明，整个光电反馈控制系统的可将悬浮间距稳定控制在250卜m～叩0 vin范围内的任一数值，控制精度可达 10 pm。在实验和应用方面，利用自行研制的静电悬浮装置，对不同电学特性的悬浮体进行了静电悬浮实验。成功地实现了铝片、硅Wafer片、CD片等代表性悬浮体的静电悬浮，并基于光电反馈控制系统获得平稳的悬浮状态。因此，静电悬浮方法可广泛应用于导体、半导体和常规绝缘体的悬浮，这是本文工作的预期目标，也是本课题的最主要的特色和创新之处。

全文目录

中文摘要  2-4
英文摘要  4-8
第一章引言  8-19
  §1．1 悬浮技术的研究和应用概况  8-14
  §1．2 现有悬浮技术的局限性及静电悬浮的新发展  14-16
  §1．3 本论文的主要内容  16-17
  参考文献  17-19
第二章光电反馈式静电悬浮方法的总体方案  19-25
  §2．1 光电反馈式静电悬浮技术的原理与方法  19-21
  §2．2 静电悬浮的电极板设计  21-23
  §2．3 静电悬浮及静电搬运技术  23-24
  参考文献  24-25
第三章静电悬浮的机理及静电悬浮力的理论和实验研究  25-39
  §3．1 静电场与静电力  25-28
    §3．1．1 固态绝缘体的带电方法  25
    §3．1．2 静电力的种类  25-27
    §3．1．3 静电力引起的力学现象  27-28
  §3．2 静电悬浮的机理研究  28-30
    §3．2．1 导电悬浮体的静电感应  28-29
    §3．2．2 绝缘悬浮体的静电极化  29-30
  §3．3 静电悬浮力的理论研究及推导  30-34
  §3．4 静电悬浮力的实验研究  34-38
    §3．4．1 静电悬浮力的测量原理及装置  34-35
    §3．4．2 不同电极板时的静电悬浮力测量结果  35-38
    §3．4．3 实验结果分析  38
  参考文献  38-39
第四章悬浮体的姿态分析及悬浮间距的光电检测探头研究  39-51
  §4．1 悬浮体的姿态及其与悬浮间距的相互关系分析  39-41
  §4．2 悬浮间距的光电检测探头研究  41-49
    §4．2．1 微小间距或微位移的测量方法概述  41-42
    §4．2．2 光电位置敏感元件（PSD）的工作原理  42-43
    §4．2．3 激光三角法测距原理  43-45
    §4．2．4 光电检测探头的设计及非线性校正  45-49
  参考文献  49-51
第五章静电悬浮的光电反馈控制理论及控制系统研究  51-68
  §5．1 反馈控制理论概述  51-53
    §5．1．1 控制系统  51-53
    §5．1．2 控制系统的根轨迹设计方法  53
  §5．2 PID反馈控制技术及系统建模研究  53-61
    §5．2．1 PID反馈控制方法  53-55
    §5．2．2 反馈控制系统建模  55-61
  §5．3 静电悬浮的光电反馈控制系统设计  61-67
    §5．3．1 反馈控制系统参数的仿真设计  61-64
    §5．3．2 光电反馈控制系统的建立  64-67
  参考文献  67-68
第六章高电压放大电路——高压脉动跟随模块的设计  68-76
  §6．1 电极板的高电压控制  68-69
  §6．2 低压——高压转换与跟随电路的工作原理  69-71
  §6．3 高压脉动跟随模块的研制  71-72
  §6．4 高压放大电路的实验结果  72-75
  参考文献  75-76
第七章光电反馈式静电悬浮装置的研制及其实验研究  76-81
  §7．1 实验装置的总调试  76-78
  §7．2 导电性悬浮体的静电悬浮  78-79
  §7．3 常规绝缘体的静电悬浮  79-80
  §7．4 半导体的静电悬浮  80-81
第八章总结与展望  81-83
硕士期间发表的论文  83-84
致谢  84

光电反馈式静电悬浮技术研究

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