基于激光位移傳感器實(shí)現(xiàn)電動(dòng)牙刷振動(dòng)測(cè)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(huì) 北京 100711； 2.威凱檢測(cè)技術(shù)有限公司 廣州 510663）

引言

隨著消費(fèi)升級(jí)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(duì)口腔衛(wèi)生健康護(hù)理的關(guān)注度直線上升，電動(dòng)牙刷產(chǎn)品作為個(gè)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(dòng)牙刷作為一種利用電能驅(qū)動(dòng)牙刷毛自動(dòng)往復(fù)、旋轉(zhuǎn)或振動(dòng)運(yùn)動(dòng)來清潔口腔牙齒的產(chǎn)品。按照振動(dòng)方式，可以分為旋轉(zhuǎn)式電動(dòng)牙刷、往復(fù)式電動(dòng)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(duì)于宣稱聲波或者超聲波電動(dòng)牙刷的振動(dòng)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(cè)量。頻閃儀是指控制光源發(fā)光，以特定頻率快速閃動(dòng)的光學(xué)測(cè)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(cè)物體的轉(zhuǎn)動(dòng)或運(yùn)動(dòng)速度接近或同步時(shí)，利用測(cè)量人員肉眼的視覺暫留或視頻同步，能輕易觀測(cè)到高速運(yùn)動(dòng)物體的表面質(zhì)量或運(yùn)行狀況。但該方法受測(cè)量人員主觀因素制約，而且需要預(yù)先知道被測(cè)樣品的標(biāo)稱智，測(cè)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(cè)量電動(dòng)牙刷振動(dòng)參數(shù)的測(cè)量方法，通過激光位移傳感器利用其三角形測(cè)量法，檢測(cè)被測(cè)樣品某個(gè)運(yùn)動(dòng)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(jì)算振動(dòng)振動(dòng)頻率參數(shù)，通過與LED頻閃儀測(cè)試振動(dòng)頻率方法進(jìn)行對(duì)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(cè)器組成，激光二極管向靶面發(fā)射光束，光束會(huì)從靶面通過接收鏡頭反射到探測(cè)器上,然后通過探測(cè)器記錄反射激光束的位置得出測(cè)量高度，當(dāng)靶面與探測(cè)器的相對(duì)位置發(fā)生變化時(shí)，反射光的運(yùn)動(dòng)會(huì)在探測(cè)器中形成運(yùn)動(dòng)軌跡陣列，探測(cè)器記錄并輸出靶面的準(zhǔn)確位置[1]。通過利用三角形測(cè)量法檢測(cè)反射光的位置變化原理，檢測(cè)電動(dòng)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(cè)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(cè)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(hào)，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(cè)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(cè)試分析。

圖3 振動(dòng)測(cè)量實(shí)驗(yàn)布置圖

1.3 試驗(yàn)方法

在被測(cè)樣品上選定測(cè)點(diǎn)，并在測(cè)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(cè)量法檢測(cè)振動(dòng)中的被測(cè)樣品測(cè)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(cè)樣品的振動(dòng)頻率。啟動(dòng)待測(cè)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(cè)樣品振動(dòng)過程中測(cè)試點(diǎn)A的位置隨時(shí)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(shí)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(dòng)過程中離開初始位置0的最大位移量。

圖4 振動(dòng)待測(cè)點(diǎn)A位置-時(shí)間變化示意圖

調(diào)用Office Excel軟件，計(jì)算A點(diǎn)波形穩(wěn)定后1 min時(shí)段內(nèi)，周期運(yùn)動(dòng)的次數(shù)即為振動(dòng)頻率f振動(dòng)，具體計(jì)算方法見式（1）：

被測(cè)樣品的振動(dòng)頻率具體通過如下公式計(jì)算得到：

式中：

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

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

n—1個(gè)周期后記錄的A點(diǎn)位移時(shí)間波形圖達(dá)到同一基準(zhǔn)位置點(diǎn)所處的時(shí)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(cè)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(dòng)牙刷樣品進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。如圖5所示，為電動(dòng)牙刷被測(cè)試點(diǎn)A的振動(dòng)工況下的位置隨時(shí)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(duì)被測(cè)試點(diǎn)A的振動(dòng)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(dòng)牙刷在正常工作時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)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(jì)算求得振動(dòng)周期時(shí)間點(diǎn)格數(shù)（nB-mA）為64，再依據(jù)式（1）計(jì)算求出為37 500（次/分鐘）。

圖5 電動(dòng)牙刷被測(cè)試點(diǎn)A的振動(dòng)工況測(cè)試數(shù)據(jù)圖

圖5 電動(dòng)牙刷被測(cè)試點(diǎn)A的振動(dòng)工況測(cè)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(cè)量條件下，測(cè)量方法對(duì)重復(fù)使用測(cè)量提供非常相近數(shù)值的能力。通過式（2）計(jì)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(dòng)頻率為3.8萬次/min的某款電動(dòng)牙刷產(chǎn)品，分別采用LED頻閃儀和激光位移傳感器測(cè)量方法，在相同的測(cè)量條件下獨(dú)立重復(fù)測(cè)量6次，測(cè)得數(shù)據(jù)如表1所示。由表1所述兩種測(cè)量方法測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，采用激光位移傳感器方法測(cè)得的振動(dòng)頻率平均值為37 090，其對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)偏差為167，相比LED頻閃儀測(cè)量方法更加準(zhǔn)確和穩(wěn)定。

表1 兩種測(cè)量方法比對(duì)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(cè)樣品額定振動(dòng)參數(shù)的電動(dòng)牙刷振動(dòng)頻率測(cè)量方法，與LED頻閃儀測(cè)試方法相比，具有如下測(cè)量優(yōu)勢(shì)：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(cè)重復(fù)性，而且無需預(yù)先知道被測(cè)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(dòng)采集測(cè)量原始數(shù)據(jù)，并通過上位機(jī)軟件計(jì)算實(shí)現(xiàn)自動(dòng)分析、計(jì)算，處理和保存，提升了測(cè)量的自動(dòng)化程度；③本方法測(cè)試過程中受測(cè)量人員的主觀判定影響因素小，測(cè)試結(jié)果相對(duì)更準(zhǔn)確。