[发明专利]基于电容器原理的超声纵振及扭振测量方法及装置

权利要求书

1.一种基于电容器原理的超声纵振及扭振测量方法，包括以下步骤：

(1).通过连接螺栓将反射端、压电陶瓷、铜电极和变幅杆连接在一起，压电陶瓷片外侧连接有电极片，电极片通过电源线与超声电源连接，变幅杆从左至右依次设置法兰盘、变截面段和右圆柱段，变截面段右端外径等于右圆柱段的外径，呈左粗右细结构，且沿圆周方向均匀开设使纵振转换为纵扭复合振动的螺旋槽，每个螺旋槽均沿轴向呈螺旋布置；

(2).刀具通过弹性夹头夹装后插入变幅杆右端的锥形孔内，用套在刀具外的压紧螺母将刀具与变幅杆连接；

(3).调节三爪夹紧机构位置，使其环形侧壁位于刀具的夹持部位，再调节三个螺栓夹持刀具，使三爪夹紧机构与刀具固定在一起；

(4).将圆盘型电容器的左极板固定在三爪夹紧机构的圆形固定板上，且保证左极板与水平面相垂直，由导线依次连接左极板、放大器、计算机和右极板，刀具发生纵振时，两极板的间距将发生高频周期性变化，极板之间电场强度E₀不变，距离d同频变化，电压发生周期性变化，经放大器将电压信号放大k倍，再由计算机输出电压波形图，为减小测量误差，取多组波峰与波谷的平均电压差ΔU，由ΔU＝kE₀Δd，可得纵振振幅a＝Δd/2＝ΔU÷2kE₀；Δd为电容器两个极板距离的变化量；

(5).将圆柱型电容器固定在三爪夹紧机构的圆形固定板上，由导线依次连接内圆柱接线端、放大器、计算机和外圆柱环接线端，刀具发生扭振时，极板间的正对面积将发生高频周期性变化，极板间电场强度E同频改变，距离d不变，电压发生周期性变化，经放大器将电压信号放大k倍，再由计算机输出电压波形图；若初始状态下内极板所对应的圆周角为θ₀，极板间的电场强度为E₀，正对面积S₀，扭转时板间正对面积为S，内外极板正对圆心角差值的绝对值为Δθ，则刀具扭转角为Δθ；极板带电量不变，则电场强度E与板间正对面积S成反比，内极板发生偏转时，S₀/S＝θ₀/(θ₀-Δθ),有E/E₀＝θ₀/(θ₀-Δθ)，则ΔE＝E₀θ₀/(θ₀－Δθ)－E₀，同样取多组波峰与波谷的平均电压差ΔU，由ΔU＝kΔEd，可得扭转的角度Δθ＝ΔUθ₀/(ΔU+kdE₀)，ΔE为电容器两个极板间电场强度的变化量，刀具上距离中心轴为r的任一点的扭转振幅a= 。

2.根据权利要求1所述的基于电容器原理的超声纵振及扭振测量方法，其特征在是：圆盘型电容器的两极板均为圆形，面积相等且带有等量异种电荷，既减弱了电荷在边缘处的集聚，且扭振不改变极板间电压，进而提高纵振测量精度。

3.根据权利要求1所述的基于电容器原理的超声纵振及扭振测量方法，其特征在是：圆柱型电容器由三对电极板组成，测量的ΔU是多次测量三对极板电压差的均值，且外极板长度比内极板稍长，使纵振不会引起极板间电压变化，提高扭振的测量精度。

4.根据权利要求1所述的基于电容器原理的超声纵振及扭振测量方法，其特征在是：三爪夹紧机构包括一个圆形固定板、三个支臂、三个螺栓，其中圆形固定板左端面带有锥形凸台，圆形固定板右端面与电容器固定连接，支臂及圆形固定板均由密度较小的材料制成，圆形固定板采用绝缘材料。

5.根据权利要求4所述的基于电容器原理的超声纵振及扭振测量方法，其特征在是：三个支臂均匀分布于中心锥形凸台周围，在空间上成锥形，左端直径小，右端直径大；支臂左端有环形侧壁，夹紧刀具时增大支臂左端与刀具的接触面积，支臂右端与圆形固定板左端面固连；每一支臂上均有一预紧螺栓，且距离圆形固定板等距，在中心圆柱的对应处有三个螺纹孔；旋转螺栓以调节三个支臂左端直径，使三爪夹紧机构夹紧刀具；在支臂上，螺栓周围标有刻度，以保证三个标准螺栓的旋转角度及预紧力相同，或采用力矩扳手预紧。