基于激光位移傳感器實(shí)現(xiàn)電動牙刷振動測量的方法研究

高英杰 邢 軍 李岳洪

（1.中國機(jī)械工業(yè)聯(lián)合會 北京 100711； 2.威凱檢測技術(shù)有限公司 廣州 510663）

引言

隨著消費(fèi)升級地不斷加快，越來越多的消費(fèi)者追求更高品質(zhì)生活，其中對口腔衛(wèi)生健康護(hù)理的關(guān)注度直線上升，電動牙刷產(chǎn)品作為個人護(hù)理類家電產(chǎn)品之一，受到廣大消費(fèi)者尤其是年輕消費(fèi)群體的青睞。電動牙刷作為一種利用電能驅(qū)動牙刷毛自動往復(fù)、旋轉(zhuǎn)或振動運(yùn)動來清潔口腔牙齒的產(chǎn)品。按照振動方式，可以分為旋轉(zhuǎn)式電動牙刷、往復(fù)式電動牙刷等主要類型，如圖1所示。然而，市面上產(chǎn)品的質(zhì)量參差不齊，對于宣稱聲波或者超聲波電動牙刷的振動頻率能達(dá)到2～3萬次/分鐘或者超過聲波頻率等類似信息的真?zhèn)坞y辨。目前，比較常用的方法是通過LED頻閃儀進(jìn)行測量。頻閃儀是指控制光源發(fā)光，以特定頻率快速閃動的光學(xué)測量儀器。頻閃儀可以發(fā)出短暫又頻密的閃光，當(dāng)閃光頻率與被測物體的轉(zhuǎn)動或運(yùn)動速度接近或同步時，利用測量人員肉眼的視覺暫留或視頻同步，能輕易觀測到高速運(yùn)動物體的表面質(zhì)量或運(yùn)行狀況。但該方法受測量人員主觀因素制約，而且需要預(yù)先知道被測樣品的標(biāo)稱智，測量方法存在一定的局限性。

本文研究一種基于CCD激光位移傳感器測量電動牙刷振動參數(shù)的測量方法，通過激光位移傳感器利用其三角形測量法，檢測被測樣品某個運(yùn)動點(diǎn)的反射光的位置變化，并根據(jù)該位置變化數(shù)據(jù)計算振動振動頻率參數(shù)，通過與LED頻閃儀測試振動頻率方法進(jìn)行對比分析，驗(yàn)證本文方法的可行性和準(zhǔn)確性。

1 試驗(yàn)方法

1.1 激光位移傳感器

本文研究采用了基恩士的CCD激光位移傳感器，主要由激光二極管、若干光學(xué)鏡頭和光敏探測器組成，激光二極管向靶面發(fā)射光束，光束會從靶面通過接收鏡頭反射到探測器上,然后通過探測器記錄反射激光束的位置得出測量高度，當(dāng)靶面與探測器的相對位置發(fā)生變化時，反射光的運(yùn)動會在探測器中形成運(yùn)動軌跡陣列，探測器記錄并輸出靶面的準(zhǔn)確位置[1]。通過利用三角形測量法檢測反射光的位置變化原理，檢測電動牙刷刷頭上某一目標(biāo)點(diǎn)的位置變化，如圖2所示。本文采用的激光位移傳感器的參考距離和測量范圍為50±10 mm，重復(fù)精度可達(dá)到0.025 μm, 采樣速率高達(dá)50 kHz。

圖2 激光位移傳感器

1.2 試驗(yàn)布置

實(shí)驗(yàn)布置如圖3示意圖，試驗(yàn)系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)、控制器、激光位移傳感器、被測試樣品及其夾具組成，數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)軟件選用基恩士的LK-Navigator軟件，控制器選用LK-G5000控制器，激光位移傳感器選用LK-H055型號，控制器的I/O通信口與激光位移傳感器連接，以實(shí)現(xiàn)所述測試點(diǎn)位置變化的數(shù)據(jù)和控制指令的傳輸；控制器采用以太網(wǎng)通信與所述數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)連接，實(shí)現(xiàn)測試分析。

圖3 振動測量實(shí)驗(yàn)布置圖

1.3 試驗(yàn)方法

在被測樣品上選定測點(diǎn)，并在測點(diǎn)處設(shè)置反光貼，然后通過激光位移傳感器利用三角形測量法檢測振動中的被測樣品測點(diǎn)反射光的位置變化，根據(jù)該位置變化數(shù)據(jù)推算被測樣品的振動頻率。啟動待測樣品，以最強(qiáng)模式檔位工作，通信控制器設(shè)置采樣頻率5kHz控制指令傳輸給激光位移傳感器執(zhí)行采樣，并將采樣數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)通信輸給數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)軟件記錄待測樣品振動過程中測試點(diǎn)A的位置隨時間的變化關(guān)系，如圖4所示，0點(diǎn)位置表示A開始工作時的初始位置，Hmax表示A點(diǎn)在工作期間內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定周期性運(yùn)動過程中離開初始位置0的最大位移量。

圖4 振動待測點(diǎn)A位置-時間變化示意圖

調(diào)用Office Excel軟件，計算A點(diǎn)波形穩(wěn)定后1 min時段內(nèi)，周期運(yùn)動的次數(shù)即為振動頻率f振動，具體計算方法見式（1）：

被測樣品的振動頻率具體通過如下公式計算得到：

式中：

f振動—電動牙刷刷頭往復(fù)頻率或刷頭轉(zhuǎn)動頻率，以次/分鐘表示；

m—開始計算時記錄的A點(diǎn)位移時間波形圖基準(zhǔn)位置點(diǎn)所處的時間點(diǎn)格數(shù)；

n—1個周期后記錄的A點(diǎn)位移時間波形圖達(dá)到同一基準(zhǔn)位置點(diǎn)所處的時間點(diǎn)格數(shù)；

f采樣—激光位移傳感器采樣頻率，單位為kHz。

2 測量結(jié)果與分析

2.1 方法可實(shí)現(xiàn)性驗(yàn)證

為驗(yàn)證本文方法具有可行性，從市場上選取一款電動牙刷樣品進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。如圖5所示，為電動牙刷被測試點(diǎn)A的振動工況下的位置隨時間的變化波形圖，其中圖5（a）是數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)對被測試點(diǎn)A的振動工況進(jìn)行采樣處理后形成的波形圖，通過局部放大后的結(jié)果圖形如圖5（b）所示，可以看出，電動牙刷在正常工作時產(chǎn)生的振動點(diǎn)位置變化是具有類似于正（余）弦波變化規(guī)律的波形圖。通過軟件處理獲得圖5（c）計算求得振動周期時間點(diǎn)格數(shù)（nB-mA）為64，再依據(jù)式（1）計算求出為37 500（次/分鐘）。

圖5 電動牙刷被測試點(diǎn)A的振動工況測試數(shù)據(jù)圖

圖5 電動牙刷被測試點(diǎn)A的振動工況測試數(shù)據(jù)圖

2.2 方法可重復(fù)性驗(yàn)證

方法可重復(fù)性是指在相同測量條件下，測量方法對重復(fù)使用測量提供非常相近數(shù)值的能力。通過式（2）計算實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)偏差來體現(xiàn)，用s(x)表示。

式中：

n—獨(dú)立重復(fù)實(shí)驗(yàn)次數(shù)，j=1，2，…，n；

xj—第次試驗(yàn)的數(shù)據(jù)結(jié)果；

x—次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的平均值。

本文選取市場上額定振動頻率為3.8萬次/min的某款電動牙刷產(chǎn)品，分別采用LED頻閃儀和激光位移傳感器測量方法，在相同的測量條件下獨(dú)立重復(fù)測量6次，測得數(shù)據(jù)如表1所示。由表1所述兩種測量方法測量結(jié)果進(jìn)行對比分析，采用激光位移傳感器方法測得的振動頻率平均值為37 090，其對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)偏差為167，相比LED頻閃儀測量方法更加準(zhǔn)確和穩(wěn)定。

表1 兩種測量方法比對試驗(yàn)結(jié)果（單位：次/min）

3 結(jié)論

本文研究了一種無需預(yù)先知道被測樣品額定振動參數(shù)的電動牙刷振動頻率測量方法，與LED頻閃儀測試方法相比，具有如下測量優(yōu)勢：①本文方法只要激光位移傳感器的采樣頻率足夠高，就能達(dá)到很高的精度和良好的檢測重復(fù)性，而且無需預(yù)先知道被測樣品的額定參考值，局限性小；②本方法通過激光位移傳感器自動采集測量原始數(shù)據(jù)，并通過上位機(jī)軟件計算實(shí)現(xiàn)自動分析、計算，處理和保存，提升了測量的自動化程度；③本方法測試過程中受測量人員的主觀判定影響因素小，測試結(jié)果相對更準(zhǔn)確。