基于PSD的靜電懸浮位置測量與控制系統設計

代 斌， 孫志斌， 王飛龍， 翟光杰

(1.中國科學院 復雜航天系統電子信息技術重點實驗室，空間科學與應用研究中心，北京 100190; 2.中國科學院大學，北京 100190)

基于PSD的靜電懸浮位置測量與控制系統設計

代 斌1,2， 孫志斌1， 王飛龍1,2， 翟光杰1

(1.中國科學院 復雜航天系統電子信息技術重點實驗室，空間科學與應用研究中心，北京 100190; 2.中國科學院大學，北京 100190)

建立了基于位置敏感探測器(PSD)的靜電懸浮三維位置信息測量與控制系統，分析了PSD的結構與靜電懸浮位置測量與控制原理。系統采用單片機STC12C5A60S2處理PSD輸出信號，得出懸浮樣品位置信息與PSD輸出電壓的對應關系，實現單片機與上位機的通信，對測量的位置數據進行分析、處理以及懸浮樣品位置控制。利用鋯材料進行懸浮實驗，實驗結果表明:建立的測量系統能實現樣品位置信息的非接觸測量與穩定懸浮，具有測量數據可靠，運行穩定等優點，為材料懸浮加熱和深過冷研究奠定了基礎。

位置敏感探測器; 靜電懸浮; 信號處理

0 引 言

深過冷(溫度遠低于熔點以下還保持液態)是材料科學重要的前沿課題之一，在金屬材料的研究過程中，發現深過冷不僅能夠獲得非晶相，而且能夠獲得超有序的單晶體，根據這種超有序的晶體結構可以獲得晶體內部的原子排列[1]。研究材料的微觀結構與性能的關聯關系對獲取新材料有重要意義[2]。

無容器材料加工是進行材料深過冷研究的重要手段，而靜電懸浮技術是無容器材料研究的重要方法之一。靜電懸浮技術是利用帶電樣品在靜電場中受到的庫侖力來抵消樣品重力，實現無容器狀態。無容器材料加工消除了容器壁對材料的污染、異質形核作用，有利于材料樣品獲得深過冷，對材料的研究和新材料的制備有重要的理論和現實意義[3～5]。為了實現靜電懸浮樣品的懸浮與深過冷研究，需要對樣品的位置信息進行非接觸測量。

位置敏感探測器(position sensitive detector,PSD)是基于非均勻半導體橫向光電效應[6]，對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、響應速度快、非接觸測量等優點，在精密尺寸測量、超高速光通信、兵工等領域具有廣泛的應用價值[7]。本文詳細介紹了一維PSD的結構和工作原理，并分析了靜電懸浮位置測量原理，最后提出了以德國SiliconSensor公司的二維PSD DL100—7PCBA3作為光電傳感器，STC12C5A60S2單片機作為信息處理單元，結合其他外圍處理電路和光源，設計了一種靜電懸浮位置測量控制系統。

1 測量系統原理

1.1 PSD工作原理

PSD對入射光在光敏面的光點位置敏感，可以通過各輸出電極上電流信號的比值來確定入射光的位置[8]。一維PSD的斷面結構如圖1所示。

圖1 一維PSD斷面結構

PSD由三層構成，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結構，此結構的特點是I層耗盡層寬，結電容小，光生載流子幾乎都在I層耗盡區產生，沒有擴散分量的光電流，因此，其響應速速比普通P-N結光電二極管要快得多。當光照射到PSD表面上時，在光斑位置處產生正比于光能量的電子—空穴對流過P層電阻，分別從P層相對的兩個電極上輸出電流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。運用Gear定理設計出來的枕型PSD具有暗電流小，位置線性度良好的特點，在實際二維測量設計中得到了廣泛的使用。本文設計的位置測量系統就是基于枕型PSD。

1.2 靜電懸浮位置測量原理

本測量系統中采用陰影法測量懸浮樣品位置，使用能量均勻的平行光照射到整個PSD的感光面上，若被測物體在PSD的前方，那么，被測物體的陰影就會留在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，對PSD的測量信號進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檢測懸浮材料的(x，z)坐標，另一片檢測懸浮材料的(y，z)坐標，當兩片PSD同時檢測時即可獲得懸浮材料的(x，y，z)坐標。

圖2 位置檢測結構示意圖

2 測量與控制系統設計

2.1 總體結構

靜電懸浮控制系統整體結構如圖3所示。系統包括位置檢測單元、處理控制單元、高壓放大器及電極結構。位置檢測單元使用PSD作為傳感器，獲得懸浮樣品的位置信號。處理控制單元對測量到的位置信號進行濾波處理并根據處理后的位置信號進行PID控制運算，將輸出的控制信號傳給高壓放大器，由高壓放大器對電壓控制信號進行放大，然后施加放大后的高壓到上下電極，通過改變帶電樣品所受到的電場力調整懸浮樣品的運動，實現對懸浮樣品的懸浮控制。

本系統中采用DL100—7PCBA3作為位置探測器，響應精度為0.5 μm，線性度為±1 %，感光面積為10 mm×10 mm。采用波長為660,532 nm波段的激光作為位置激光。

為了實現三維控制，本系統需要三臺高壓放大器。因此，本設計選用美國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 懸浮系統組成

2.2 數據采集

PSD測量得到的信號是微弱的電流信號，通常只有μA級，不能直接進行信號采集，必須經過PSD信號處理電路進行處理，轉換為電壓信號并放大才能供控制系統使用。圖4所示為一維PSD信號轉換電路，圖中,IC1，IC2，IC3，IC4為高精度的運算放大器，VR是給PSD施加的偏置電壓。位置和電流電壓的關系為

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

圖4 一維PSD信號轉換電路

經過信號轉換電路處理后的位置信號為電壓信號，但電壓信號為模擬信號，其在傳輸的過程中易受到外界影響，為了防止噪聲對位置信息的干擾，在信號采集之前在系統中加入A/D轉換器將信號轉換成數字信號后再加以處理。

2.3 數據處理與控制

本系統中采用宏晶科技有限公司生產的STC12C5A60S2單片機作為CPU，主要實現A/D采樣、PID算法、D/A轉換與上位機通信等功能。

A/D轉換主要實現模擬信號到數字信號的轉換，PSD模塊輸出±10 V的模擬量信號，經過A/D轉換，才能給單片機處理。本文設計的A/D轉換芯片采用具有16位精度的AD976，可轉換±10V的電壓。其采樣流程為初始化AD，設定濾波所需采樣次數后，啟動A/D轉換，延時20 μs左右的時間等待A/D轉換結束，然后分別讀取16位數據的低8位和高8位重新組裝成16位數據，經過多次采樣讀取、一階濾波，得到最終AD采集結果。

PID控制的結果需要經過D/A轉換才能作用到高壓放大器。本文設計采用AD7237作為D/A轉換芯片，該芯片具12位轉換精度，輸出范圍設定為±5 V。其數據輸出流程為首先對DA芯片初始化，對要輸出的參數作范圍限制，防止轉換時溢出發生錯誤，然后把16位的數據轉換為高8位和低8位，分次寫入AD7237，硬件將自動舍棄高8位的前4位。啟動D/A轉后，等待D/A轉換結束。

3 實驗結果與分析

本實驗中采用直徑2.5 mm的鋯球做懸浮實驗，如圖5所示為懸浮實驗實物圖，中間發光的小球就是懸浮樣品。懸浮過程中樣品的位置曲線和控制電壓曲線如圖6(a)所示。樣品穩定懸浮的部分截取100 s的數據進行放大得到如圖6(b)所示的位置誤差曲線，位置誤差的波動范圍在+0.2～- 0.2 mm之間。

圖5 懸浮實驗實物圖

圖6 實驗結果

4 結 論

本文采用枕型PSD作為位置探測器，利用陰影法測量懸浮樣品位置信息，結合PSD信號處理電路、A/D轉換電路、D/A轉換電路、控制電路、高壓放大器以及電極結構實現了靜電懸浮位置信息測量與控制。利用鋯球進行懸浮實驗，從實驗結果可以看出：所建立的測量系統能實現樣品的非接觸測量與懸浮控制，具有測量數據可靠，運行穩定等優點，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冷研究奠定了基礎。

[1]RulisonAJ,WatkinsJL,ZambranoB.Electrostaticcontainerlessprocessingsystem[J].RevSciInstrum,1997,68(7):2856-2863.

[2]SungYS,TakeyaH,ToganoK.ContainerlesssolidificationofSi,Zr,Nb,andMobyelectrostaticlevitation[J].ReviewofScientificInstruments,2001,72(12):4419-4423.

[3]ParadisP,IshikawaT,YodaS.ElectrostaticlevitationresearchanddevelopmentatJAXA:Pastandpresentactivitiesinthermophysics[J].InternationalJournalofThermophysics,2005,26(4):1031-1049.

[4]IshikawaT,KikōUKKK.Thermophysicalpropertiesofliquidandsupercooledrareearthelementsmeasuredbyanelectrostaticlevitator[M].Tsukuba:JapanAerospaceExplorationAgency,2008.

[5] 胡 亮,魯曉宇,侯智敏.靜電懸浮技術研究進展[J].物理,2007,36(12):944-950.

[6] 賀安之,閻大鵬.現代傳感器原理及應用[M].北京:宇航出版社,1995.

[7] 龐亞萍.位置敏感探測器的發展狀況及應用研究[J].科技情報開發與經濟,2007,16(24):183-185.

[8] 于麗霞,王福明.一維 PSD 器件及其在測量中的應用[J].現代電子技術,2007(7):143-144.

[9] 唐九耀,黃梅珍.二維 PSD 的結構和性能分析[J].功能材料與器件學報,2000,6(3):301-304.

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，河南信陽人，碩士研究生，主要研究方向為圖像處理與空間智能儀器。