基于激光位移传感器实现电动牙刷振动测量的方法研究

高英杰 邢 军 李岳洪

（1.中国机械工业联合会 北京 100711； 2.威凯检测技术有限公司 广州 510663）

引言

随着消费升级地不断加快，越来越多的消费者追求更高品质生活，其中对口腔卫生健康护理的关注度直线上升，电动牙刷产品作为个人护理类家电产品之一，受到广大消费者尤其是年轻消费群体的青睐。电动牙刷作为一种利用电能驱动牙刷毛自动往复、旋转或振动运动来清洁口腔牙齿的产品。按照振动方式，可以分为旋转式电动牙刷、往复式电动牙刷等主要类型，如图1所示。然而，市面上产品的质量参差不齐，对于宣称声波或者超声波电动牙刷的振动频率能达到2～3万次/分钟或者超过声波频率等类似信息的真伪难辨。目前，比较常用的方法是通过LED频闪仪进行测量。频闪仪是指控制光源发光，以特定频率快速闪动的光学测量仪器。频闪仪可以发出短暂又频密的闪光，当闪光频率与被测物体的转动或运动速度接近或同步时，利用测量人员肉眼的视觉暂留或视频同步，能轻易观测到高速运动物体的表面质量或运行状况。但该方法受测量人员主观因素制约，而且需要预先知道被测样品的标称智，测量方法存在一定的局限性。

本文研究一种基于CCD激光位移传感器测量电动牙刷振动参数的测量方法，通过激光位移传感器利用其三角形测量法，检测被测样品某个运动点的反射光的位置变化，并根据该位置变化数据计算振动振动频率参数，通过与LED频闪仪测试振动频率方法进行对比分析，验证本文方法的可行性和准确性。

1 试验方法

1.1 激光位移传感器

本文研究采用了基恩士的CCD激光位移传感器，主要由激光二极管、若干光学镜头和光敏探测器组成，激光二极管向靶面发射光束，光束会从靶面通过接收镜头反射到探测器上,然后通过探测器记录反射激光束的位置得出测量高度，当靶面与探测器的相对位置发生变化时，反射光的运动会在探测器中形成运动轨迹阵列，探测器记录并输出靶面的准确位置[1]。通过利用三角形测量法检测反射光的位置变化原理，检测电动牙刷刷头上某一目标点的位置变化，如图2所示。本文采用的激光位移传感器的参考距离和测量范围为50±10 mm，重复精度可达到0.025 μm, 采样速率高达50 kHz。

图2 激光位移传感器

1.2 试验布置

实验布置如图3示意图，试验系统由数据采集分析系统、控制器、激光位移传感器、被测试样品及其夹具组成，数据采集分析系统软件选用基恩士的LK-Navigator软件，控制器选用LK-G5000控制器，激光位移传感器选用LK-H055型号，控制器的I/O通信口与激光位移传感器连接，以实现所述测试点位置变化的数据和控制指令的传输；控制器采用以太网通信与所述数据采集分析系统连接，实现测试分析。

图3 振动测量实验布置图

1.3 试验方法

在被测样品上选定测点，并在测点处设置反光贴，然后通过激光位移传感器利用三角形测量法检测振动中的被测样品测点反射光的位置变化，根据该位置变化数据推算被测样品的振动频率。启动待测样品，以最强模式档位工作，通信控制器设置采样频率5kHz控制指令传输给激光位移传感器执行采样，并将采样数据通过以太网通信输给数据采集分析系统，数据采集分析系统软件记录待测样品振动过程中测试点A的位置随时间的变化关系，如图4所示，0点位置表示A开始工作时的初始位置，Hmax表示A点在工作期间内达到稳定周期性运动过程中离开初始位置0的最大位移量。

图4 振动待测点A位置-时间变化示意图

调用Office Excel软件，计算A点波形稳定后1 min时段内，周期运动的次数即为振动频率f振动，具体计算方法见式（1）：

被测样品的振动频率具体通过如下公式计算得到：

式中：

f振动—电动牙刷刷头往复频率或刷头转动频率，以次/分钟表示；

m—开始计算时记录的A点位移时间波形图基准位置点所处的时间点格数；

n—1个周期后记录的A点位移时间波形图达到同一基准位置点所处的时间点格数；

f采样—激光位移传感器采样频率，单位为kHz。

2 测量结果与分析

2.1 方法可实现性验证

为验证本文方法具有可行性，从市场上选取一款电动牙刷样品进行试验验证。如图5所示，为电动牙刷被测试点A的振动工况下的位置随时间的变化波形图，其中图5（a）是数据采集分析系统对被测试点A的振动工况进行采样处理后形成的波形图，通过局部放大后的结果图形如图5（b）所示，可以看出，电动牙刷在正常工作时产生的振动点位置变化是具有类似于正（余）弦波变化规律的波形图。通过软件处理获得图5（c）计算求得振动周期时间点格数（nB-mA）为64，再依据式（1）计算求出为37 500（次/分钟）。

图5 电动牙刷被测试点A的振动工况测试数据图

图5 电动牙刷被测试点A的振动工况测试数据图

2.2 方法可重复性验证

方法可重复性是指在相同测量条件下，测量方法对重复使用测量提供非常相近数值的能力。通过式（2）计算实验数据标准偏差来体现，用s(x)表示。

式中：

n—独立重复实验次数，j=1，2，…，n；

xj—第次试验的数据结果；

x—次实验数据的平均值。

本文选取市场上额定振动频率为3.8万次/min的某款电动牙刷产品，分别采用LED频闪仪和激光位移传感器测量方法，在相同的测量条件下独立重复测量6次，测得数据如表1所示。由表1所述两种测量方法测量结果进行对比分析，采用激光位移传感器方法测得的振动频率平均值为37 090，其对应的标准偏差为167，相比LED频闪仪测量方法更加准确和稳定。

表1 两种测量方法比对试验结果（单位：次/min）

3 结论

本文研究了一种无需预先知道被测样品额定振动参数的电动牙刷振动频率测量方法，与LED频闪仪测试方法相比，具有如下测量优势：①本文方法只要激光位移传感器的采样频率足够高，就能达到很高的精度和良好的检测重复性，而且无需预先知道被测样品的额定参考值，局限性小；②本方法通过激光位移传感器自动采集测量原始数据，并通过上位机软件计算实现自动分析、计算，处理和保存，提升了测量的自动化程度；③本方法测试过程中受测量人员的主观判定影响因素小，测试结果相对更准确。