代 斌， 孫志斌， 王飛龍， 翟光杰

(1.中國(guó)科學(xué)院 復(fù)雜航天系統(tǒng)電子信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心，北京 100190; 2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100190)

基于PSD的靜電懸浮位置測(cè)量與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

代 斌1,2， 孫志斌1， 王飛龍1,2， 翟光杰1

(1.中國(guó)科學(xué)院 復(fù)雜航天系統(tǒng)電子信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心，北京 100190; 2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100190)

建立了基于位置敏感探測(cè)器(PSD)的靜電懸浮三維位置信息測(cè)量與控制系統(tǒng)，分析了PSD的結(jié)構(gòu)與靜電懸浮位置測(cè)量與控制原理。系統(tǒng)采用單片機(jī)STC12C5A60S2處理PSD輸出信號(hào)，得出懸浮樣品位置信息與PSD輸出電壓的對(duì)應(yīng)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與上位機(jī)的通信，對(duì)測(cè)量的位置數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理以及懸浮樣品位置控制。利用鋯材料進(jìn)行懸浮實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:建立的測(cè)量系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)樣品位置信息的非接觸測(cè)量與穩(wěn)定懸浮，具有測(cè)量數(shù)據(jù)可靠，運(yùn)行穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，為材料懸浮加熱和深過(guò)冷研究奠定了基礎(chǔ)。

位置敏感探測(cè)器; 靜電懸浮; 信號(hào)處理

0 引 言

深過(guò)冷(溫度遠(yuǎn)低于熔點(diǎn)以下還保持液態(tài))是材料科學(xué)重要的前沿課題之一，在金屬材料的研究過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)深過(guò)冷不僅能夠獲得非晶相，而且能夠獲得超有序的單晶體，根據(jù)這種超有序的晶體結(jié)構(gòu)可以獲得晶體內(nèi)部的原子排列[1]。研究材料的微觀結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)聯(lián)關(guān)系對(duì)獲取新材料有重要意義[2]。

無(wú)容器材料加工是進(jìn)行材料深過(guò)冷研究的重要手段，而靜電懸浮技術(shù)是無(wú)容器材料研究的重要方法之一。靜電懸浮技術(shù)是利用帶電樣品在靜電場(chǎng)中受到的庫(kù)侖力來(lái)抵消樣品重力，實(shí)現(xiàn)無(wú)容器狀態(tài)。無(wú)容器材料加工消除了容器壁對(duì)材料的污染、異質(zhì)形核作用，有利于材料樣品獲得深過(guò)冷，對(duì)材料的研究和新材料的制備有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義[3～5]。為了實(shí)現(xiàn)靜電懸浮樣品的懸浮與深過(guò)冷研究，需要對(duì)樣品的位置信息進(jìn)行非接觸測(cè)量。

位置敏感探測(cè)器(position sensitive detector,PSD)是基于非均勻半導(dǎo)體橫向光電效應(yīng)[6]，對(duì)入射光或粒子位置敏感的光電器件，具有靈敏度高、位置分辨率高、響應(yīng)速度快、非接觸測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)，在精密尺寸測(cè)量、超高速光通信、兵工等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值[7]。本文詳細(xì)介紹了一維PSD的結(jié)構(gòu)和工作原理，并分析了靜電懸浮位置測(cè)量原理，最后提出了以德國(guó)SiliconSensor公司的二維PSD DL100—7PCBA3作為光電傳感器，STC12C5A60S2單片機(jī)作為信息處理單元，結(jié)合其他外圍處理電路和光源，設(shè)計(jì)了一種靜電懸浮位置測(cè)量控制系統(tǒng)。

1 測(cè)量系統(tǒng)原理

1.1 PSD工作原理

PSD對(duì)入射光在光敏面的光點(diǎn)位置敏感，可以通過(guò)各輸出電極上電流信號(hào)的比值來(lái)確定入射光的位置[8]。一維PSD的斷面結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 一維PSD斷面結(jié)構(gòu)

PSD由三層構(gòu)成，最上一層是P層，下面是N層，中間插入一較厚的高阻I層，形成P-I-N結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是I層耗盡層寬，結(jié)電容小，光生載流子幾乎都在I層耗盡區(qū)產(chǎn)生，沒(méi)有擴(kuò)散分量的光電流，因此，其響應(yīng)速速比普通P-N結(jié)光電二極管要快得多。當(dāng)光照射到PSD表面上時(shí)，在光斑位置處產(chǎn)生正比于光能量的電子—空穴對(duì)流過(guò)P層電阻，分別從P層相對(duì)的兩個(gè)電極上輸出電流I1和I2，由于P層電阻是均勻的，所以，電極輸出的光電流反比于入射光位置到各自電極之間的距離。

二維PSD的工作原理與一維基本相同，分為四邊形PSD、二面型PSD和枕型PSD[9]。四邊形PSD具有很小的暗電流和較高的反向擊穿電壓，但其位置線性度差，而二面型PSD具有很好的位置線性度，但暗電流較大。運(yùn)用Gear定理設(shè)計(jì)出來(lái)的枕型PSD具有暗電流小，位置線性度良好的特點(diǎn)，在實(shí)際二維測(cè)量設(shè)計(jì)中得到了廣泛的使用。本文設(shè)計(jì)的位置測(cè)量系統(tǒng)就是基于枕型PSD。

1.2 靜電懸浮位置測(cè)量原理

本測(cè)量系統(tǒng)中采用陰影法測(cè)量懸浮樣品位置，使用能量均勻的平行光照射到整個(gè)PSD的感光面上，若被測(cè)物體在PSD的前方，那么，被測(cè)物體的陰影就會(huì)留在PSD上。如果光斑能量分布均勻，則光斑重心位置同陰影位置線性相關(guān)，對(duì)PSD的測(cè)量信號(hào)進(jìn)行反向放大即可得到懸浮小球的位置信息。

要獲得樣品的三維位置信息，需要兩片PSD平行z軸擺放并相互垂直。如圖2所示，其中一片PSD檢測(cè)懸浮材料的(x，z)坐標(biāo)，另一片檢測(cè)懸浮材料的(y，z)坐標(biāo)，當(dāng)兩片PSD同時(shí)檢測(cè)時(shí)即可獲得懸浮材料的(x，y，z)坐標(biāo)。

圖2 位置檢測(cè)結(jié)構(gòu)示意圖

2 測(cè)量與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 總體結(jié)構(gòu)

靜電懸浮控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖3所示。系統(tǒng)包括位置檢測(cè)單元、處理控制單元、高壓放大器及電極結(jié)構(gòu)。位置檢測(cè)單元使用PSD作為傳感器，獲得懸浮樣品的位置信號(hào)。處理控制單元對(duì)測(cè)量到的位置信號(hào)進(jìn)行濾波處理并根據(jù)處理后的位置信號(hào)進(jìn)行PID控制運(yùn)算，將輸出的控制信號(hào)傳給高壓放大器，由高壓放大器對(duì)電壓控制信號(hào)進(jìn)行放大，然后施加放大后的高壓到上下電極，通過(guò)改變帶電樣品所受到的電場(chǎng)力調(diào)整懸浮樣品的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)懸浮樣品的懸浮控制。

本系統(tǒng)中采用DL100—7PCBA3作為位置探測(cè)器，響應(yīng)精度為0.5 μm，線性度為±1 %，感光面積為10 mm×10 mm。采用波長(zhǎng)為660,532 nm波段的激光作為位置激光。

為了實(shí)現(xiàn)三維控制，本系統(tǒng)需要三臺(tái)高壓放大器。因此，本設(shè)計(jì)選用美國(guó)Trek公司的TRE—20/20C—H—CE作為z方向的高壓放大器，選擇Trek公司的TRE—677B—H—CE作為x，y方向的高壓放大器。

圖3 懸浮系統(tǒng)組成

2.2 數(shù)據(jù)采集

PSD測(cè)量得到的信號(hào)是微弱的電流信號(hào)，通常只有μA級(jí)，不能直接進(jìn)行信號(hào)采集，必須經(jīng)過(guò)PSD信號(hào)處理電路進(jìn)行處理，轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)并放大才能供控制系統(tǒng)使用。圖4所示為一維PSD信號(hào)轉(zhuǎn)換電路，圖中,IC1，IC2，IC3，IC4為高精度的運(yùn)算放大器，VR是給PSD施加的偏置電壓。位置和電流電壓的關(guān)系為

X/L=(I2-I1)(I2+I1)=(U2-U1)(U2+U1).

圖4 一維PSD信號(hào)轉(zhuǎn)換電路

經(jīng)過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)換電路處理后的位置信號(hào)為電壓信號(hào)，但電壓信號(hào)為模擬信號(hào)，其在傳輸?shù)倪^(guò)程中易受到外界影響，為了防止噪聲對(duì)位置信息的干擾，在信號(hào)采集之前在系統(tǒng)中加入A/D轉(zhuǎn)換器將信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后再加以處理。

2.3 數(shù)據(jù)處理與控制

本系統(tǒng)中采用宏晶科技有限公司生產(chǎn)的STC12C5A60S2單片機(jī)作為CPU，主要實(shí)現(xiàn)A/D采樣、PID算法、D/A轉(zhuǎn)換與上位機(jī)通信等功能。

A/D轉(zhuǎn)換主要實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換，PSD模塊輸出±10 V的模擬量信號(hào)，經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換，才能給單片機(jī)處理。本文設(shè)計(jì)的A/D轉(zhuǎn)換芯片采用具有16位精度的AD976，可轉(zhuǎn)換±10V的電壓。其采樣流程為初始化AD，設(shè)定濾波所需采樣次數(shù)后，啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換，延時(shí)20 μs左右的時(shí)間等待A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束，然后分別讀取16位數(shù)據(jù)的低8位和高8位重新組裝成16位數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)多次采樣讀取、一階濾波，得到最終AD采集結(jié)果。

PID控制的結(jié)果需要經(jīng)過(guò)D/A轉(zhuǎn)換才能作用到高壓放大器。本文設(shè)計(jì)采用AD7237作為D/A轉(zhuǎn)換芯片，該芯片具12位轉(zhuǎn)換精度，輸出范圍設(shè)定為±5 V。其數(shù)據(jù)輸出流程為首先對(duì)DA芯片初始化，對(duì)要輸出的參數(shù)作范圍限制，防止轉(zhuǎn)換時(shí)溢出發(fā)生錯(cuò)誤，然后把16位的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為高8位和低8位，分次寫入AD7237，硬件將自動(dòng)舍棄高8位的前4位。啟動(dòng)D/A轉(zhuǎn)后，等待D/A轉(zhuǎn)換結(jié)束。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

本實(shí)驗(yàn)中采用直徑2.5 mm的鋯球做懸浮實(shí)驗(yàn)，如圖5所示為懸浮實(shí)驗(yàn)實(shí)物圖，中間發(fā)光的小球就是懸浮樣品。懸浮過(guò)程中樣品的位置曲線和控制電壓曲線如圖6(a)所示。樣品穩(wěn)定懸浮的部分截取100 s的數(shù)據(jù)進(jìn)行放大得到如圖6(b)所示的位置誤差曲線，位置誤差的波動(dòng)范圍在+0.2～- 0.2 mm之間。

圖5 懸浮實(shí)驗(yàn)實(shí)物圖

圖6 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié) 論

本文采用枕型PSD作為位置探測(cè)器，利用陰影法測(cè)量懸浮樣品位置信息，結(jié)合PSD信號(hào)處理電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、D/A轉(zhuǎn)換電路、控制電路、高壓放大器以及電極結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了靜電懸浮位置信息測(cè)量與控制。利用鋯球進(jìn)行懸浮實(shí)驗(yàn)，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出：所建立的測(cè)量系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)樣品的非接觸測(cè)量與懸浮控制，具有測(cè)量數(shù)據(jù)可靠，運(yùn)行穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，位置控制誤差為+0.2～-0.2mm。本文的研究工作為材料懸浮加熱和深過(guò)冷研究奠定了基礎(chǔ)。

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Design of measurement and control system of position of electrostatic levitation based on PSD

DAI Bin1,2, SUN Zhi-bin1, WANG Fei-long1,2, ZHAI Guang-jie1

(1.Key Laboratory of Electronics and Information Technology for Space Systems,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100190,China; 2.University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100190,China)

A measurement and control system of three-dimensional(3D) position information of electrostatic levitation based on position sensitive detector(PSD) is setup and structure of PSD and position measurement and control principle of electrostatic levitation are analyzed.Output signal of PSD is processed by STC12C5A60S2 MCU,corresponding relationship between suspension sample position information and output voltage of PSD is obtained,and communication between MCU and upper PC,data analysis and processing,and position control on levitation sample are realized.Use zirconium materials to carry out suspension experiment and test results indicate that the system can realize non-contact measurement of sample position information and stable suspension of sample,and it has advantages of stable operation and reliable detecting data,and so on,and this measurement system laid foundation for material suspended heating and undercooling research.

position sensitive detector (PSD); electrostatic levitation; signal processing

10.13873/J.1000—9787(2015)03—0097—03

2014—07—23

TP 274

A

1000—9787(2015)03—0097—03

代 斌(1988-)，男，河南信陽(yáng)人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)閳D像處理與空間智能儀器。