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光电反馈式静电悬浮技术研究

王新杰  
【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。


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