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森瑟傳感器在電動牙刷振動模態(tài)研究上的應(yīng)用

更新時間:2022-04-07   點擊次數(shù):365次

背景介紹

如今,家用電器行業(yè)里面比較流行的產(chǎn)品是電動牙刷的研發(fā)及制造,市面上各種電動牙刷的品質(zhì)以及價格差異都非常大。電動牙刷的工作原理其實并不復(fù)雜,去除刷頭和外殼之后,我們可以看到其內(nèi)部主要部件參考下圖:

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工作原理:電池驅(qū)動振動電機帶動振動頭以一定頻率和幅度做周期振動,振動頭帶動牙刷頭振動以達到清洗牙齒的目的??刂齐娐房梢愿淖冋駝拥念l率,幅度和工作周期來適配不同使用者的愛好。那么振動電機的驅(qū)動,電機-振動頭-刷頭的運動傳遞,以及最終與人體口腔的互動決定了牙刷的使用體驗及清洗效能。

試驗?zāi)康?/span>

研究電動牙刷各級部件的振動模態(tài),量化分析牙刷的性能指標(biāo)。


測試設(shè)備

森瑟科技(Senther710A-50微型振動傳感器及配線,3套。

森瑟科技IN-03傳感器(IEPE)信號調(diào)理器,1套。

穩(wěn)壓直流電壓電源,1臺。

Tektronix TBS 1202B示波器,1臺。

Keysight 萬用表,1臺。

貝醫(yī)生電動牙刷,1臺。


試驗過程

710A微型振動傳感器與線纜插頭對接,擰緊螺絲,將線纜的BNC接頭一端插到IN-03信號適配器的BNC插座上,IN-03以穩(wěn)壓直流電源供電(5Vdc),電源指示燈亮之后檢查傳感器工作狀態(tài)燈,顯示綠燈之后確認振動傳感器狀態(tài)正常。再將IN-03的輸出端口用同軸線纜連接到萬用表以及示波器的輸入端,萬用表顯示傳感器偏置電壓為10Vdc左右,手指輕敲傳感器頭部時示波器有跳躍波形輸出,則證明傳感器供電正??梢赃M行測試了。

710A傳感器的底部用瞬干膠粘貼在牙刷振動頭的端部平面,注意不能涂膠過多把電氣接頭粘上:

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按壓牙刷的驅(qū)動按鈕,按照牙刷廠家的設(shè)定:按一次為強勁振動,按兩次為輕柔振動。兩檔振動的波形如下圖:

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可以看出強勁檔的波形頻率為260Hz,輕柔檔的波形頻率為220Hz。強勁檔的峰值稍大,但是波形(較正弦波)有點變形,可能是由于自身結(jié)構(gòu)干涉引起。采用傅里葉轉(zhuǎn)換可以清晰的看到不同檔位的頻率能量有顯著差異。

1. 將振動頭插到刷頭的孔里面,按壓確認裝配緊密。為了全面地分析刷頭各方向的運動狀態(tài),我們需要將刷頭的頂部側(cè)面磨平以方便安裝橫向振動測試的傳感器,用快干膠將傳感器粘貼在刷頭互相垂直的兩個安裝面上,如下圖:

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開啟電機驅(qū)動,自由狀態(tài)下測試刷頭的振動信號,可以看出:自由狀態(tài)下刷頭振動波形里面包含的頻率成分很多,顯得波形比較凌亂。這是由于刷頭是懸臂梁結(jié)構(gòu),彈性較大,振動引起了刷頭懸臂結(jié)構(gòu)的自諧振,產(chǎn)生了衍生信號。這個狀態(tài)下刷頭產(chǎn)生的嗡嗡聲響也進一步證明了這個原因。兩個垂直方向的振動波形基本相同,這是由振動電機的驅(qū)動原理決定的。

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模擬牙刷使用時的真實狀態(tài),需要人體口腔的配合(或者人體肌肉的配合)。將刷頭用適當(dāng)?shù)牧ΓㄕK⒀腊磯河玫牧Γ旱綔y試工程師的臉頰上模擬這個狀態(tài)。由于人體肌肉的彈性有一定的阻尼作用,消除了刷頭的自諧振作用,測試出來的振動信號馬上清晰了很多,頻域曲線也驗證了這點。

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2、可以看出,真實使用中牙刷的在口腔內(nèi)部的振動基本跟電機的驅(qū)動頻率相符,振動幅值也基本與廠家的設(shè)計意圖一致。

將振動傳感器安裝在牙刷的外殼上面測試人手的握感:

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測試波形如下,可以看出,振動經(jīng)過不同結(jié)構(gòu)的多次傳遞和共振,已經(jīng)明顯變形,但是依然可以看出原始波形的頻率特征。

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試驗總結(jié)

通過本次試驗可以得知,該電動牙刷的使用體驗是通過調(diào)整振動電機的振動頻率以及幅值來實現(xiàn)的。設(shè)計者不但要選擇合適的振動電機參數(shù)及控制算法,還需要考慮不同結(jié)構(gòu)之間的相互作用才行,這個過程中針對不同的結(jié)構(gòu)進行模態(tài)分析是必要的。本實驗的收獲不但讓我們了解了電動牙刷的性能,還啟發(fā)了我們在結(jié)構(gòu)開發(fā)當(dāng)中需要考慮多種結(jié)構(gòu)的共同作用,在不同的驅(qū)動模式下,同樣的結(jié)構(gòu)也有可能出現(xiàn)*不同的模態(tài)響應(yīng)。


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