[发明专利]基于化学蒸气的半球谐振子修形系统及修形方法

权利要求书

1.基于化学蒸气的半球谐振子修形系统，其特征在于：所述基于化学蒸气的半球谐振子修形系统由蒸气产生装置以及谐振子反应装置两部分组成，所述蒸气产生装置由温控加热装置(1)、化学修形溶液(2)、蒸气导管a(3)、抽气装置(4)、蒸气导管b(5)、吹气装置(6)、蒸气导管c(7)、流速控制装置(8)、蒸气导管d(9)、出气端口(10)组成；所述谐振子反应装置由熔融石英半球谐振子(11)、谐振子姿态控制装置(12)组成；

所述温控加热装置(1)用于对化学修形溶液(2)进行加热，并在实验过程中保持恒温；

所述化学修形溶液(2)由质量百分比49％的HF溶液以及质量百分比40％的NH4F溶液以体积比10:1混合而成；

所述蒸气导管a(3)用于传输化学修形溶液(2)经温控加热装置(1)加热产生的化学蒸气至抽气装置(4)；

所述抽气装置(4)通过蒸气导管a(3)将化学修形溶液(2)经温控加热装置(1)加热产生的化学蒸气抽出，送至蒸气导管b(5)；

所述蒸气导管b(5)用于传输经抽气装置(4)抽出的化学蒸气至吹气装置(6)；

所述吹气装置(6)将抽气装置(4)抽出的化学蒸气传递至蒸气导管c(7)；

所述蒸气导管c(7)用于传输化学蒸气由吹气装置(6)至流速控制装置(8)；

所述流速控制装置(8)用于对吹气装置(6)吹出的化学蒸气的流速进行控制，确保熔融石英半球谐振子(11)的去除速率的稳定；

所述蒸气导管d(9)用于传输由流速控制装置(8)产生的浓度均一、流速恒定的化学蒸气至出气端口(10)；

所述出气端口(10)用于控制蒸气作用于熔融石英半球谐振子(11)的面形以及大小，蒸气与谐振子反应的面形和大小影响修形的效果；

所述谐振子姿态控制装置(12)用于控制谐振子的姿态，与出气端口(10)配合以调节谐振子的修形效果，同时谐振子姿态控制装置(12)上安装有旋转基座，实现谐振子绕其主轴的旋转。

2.基于化学蒸气的半球谐振子修形方法，其特征在于：采用如权利要求1所述的基于化学蒸气的半球谐振子修形系统对半球谐振子进行修形，该方法包括如下步骤：

S1：确定半球谐振子两个振动主轴的方向及频率裂解；

为了配合系统减小半球谐振子的频率裂解，需先确定半球谐振子的振动主轴方向以及频率裂解的大小；首先通过对谐振子进行扫频确认谐振子的激励模态和检测模态频率，然后用两组频率分别与激励模态和检测模态频率相同的正弦信号，激励谐振子产生自由振动，当振动分别达到稳定时的两个主轴方向即为谐振子振动的主轴方向；谐振子激励模态和检测模态下各自频率的差值即为频率裂解Δf；

S2：确定去除质量与频率裂解Δf间的斜率；

S(2a)确定有缺陷的半球谐振子的频率裂解

将有缺陷的半球谐振子等价为一个质量为M₀的等效圆环，其上有质量为m的附加质量点缺陷；理想圆环在工作模式下作自由振动时的圆频率为ω₀，其径向振幅与切向振幅之比为振幅比α₂；此时谐振子高低频方向上的圆频率ω₁、ω₂分别为：

圆频率失配量Δω＝│ω₁-ω₂│可通过上述两式得到：

当缺陷点的质量m很小时，有以下的近似：

根据圆频率失配量Δω与频率裂解Δf之间的关系：以及圆频率ω₀与频率f₀之间的关系：确定频率裂解与不平衡质量的关系为即确定了有缺陷的半球谐振子的频率裂解Δf；

S(2b)确定消除半球谐振子频率裂解所需的质量

为降低半球谐振子的频率裂解，在低频轴方向上去除四个质量点ΔM，此时谐振子高低频方向上的圆频率ω’₁、ω’₂分别为：

根据式(5)、式(6)得到圆频率失配量Δω’＝│ω’₁-ω’₂│：

当前圆频率失配量Δω′与初始频率失配量Δω有如下关系：

当前频率裂解Δf′与初始频率裂解Δf满足：

为了消除谐振子的频率裂解，即谐振子最终的频率裂解Δf′为0Hz，故总的去除量表示为：

S(2c)确定去除质量与频率裂解Δf间的斜率

根据式(10)中去除质量4ΔM与频率裂解Δf之间存在的一次函数关系，确定去除质量与频率裂解Δf间的斜率其与初始频率裂解有关，同时还受到蒸气流速、谐振子表面状态、谐振子结构尺寸影响，实验中可通过多次少量分步去除质量标定在一定蒸气流速下斜率的大小；

S3：根据剩余频率裂解的大小以及测定的斜率K，确定使用所述基于化学蒸气的半球谐振子修形系统对熔融石英半球谐振子(11)开展化学蒸气修形的去除质量，进而确定所需化学蒸气修形的时间；

S4：将熔融石英半球谐振子(11)的内表面以及外表面不需要进行修形的部位保护起来，将谐振子固定在谐振子姿态控制装置(12)上，根据实际应用的需要选择相应的出气端口(10)，并调节出气端口(10)使其与谐振子待修形区域对准；

S5：对化学修形溶液(2)进行加热产生蒸气，抽气装置(4)将密闭容器内盛放的化学蒸气抽出至吹气装置(6)，吹气装置(6)将化学蒸气送至流速控制装置(8)，流速控制装置(8)对蒸气的流速进行控制，流速稳定的化学蒸气由出气端口(10)达到熔融石英半球谐振子(11)表面待修形区域，开始计时；

S6：到达预设的修形时间的四分之一后，迅速关闭蒸气，使化学蒸气远离谐振子，并立即用去离子水和无水乙醇对谐振子进行反复清洗后吹干；

S7：通过谐振子姿态控制装置(12)将谐振子沿其中心轴旋转90度，重复步骤S5和S6；

S8：重复步骤S7两次，直到四个待修形区域修形完毕，用去离子水和无水乙醇对谐振子进行反复清洗后烘干；

S9：待谐振子表面状态达到稳定时，测量谐振子的频率裂解，若达到设定的目标值，则停止修形，若没有，重复步骤S1-S8直到频率裂解达到要求为止。