森瑟傳感器在電動牙刷振動模態研究上的應用

背景介紹

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

工作原理：電池驅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。控制電路可以改變振動的頻率，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。

試驗目的

研究電動牙刷各級部件的振動模態，量化分析牙刷的性能指標。

測試設備

森瑟科技（Senther）710A-50微型振動傳感器及配線，3套。

森瑟科技IN-03傳感器（IEPE）信號調理器，1套。

穩壓直流電壓電源，1臺。

Tektronix TBS 1202B示波器，1臺。

Keysight 萬用表，1臺。

貝醫生電動牙刷，1臺。

試驗過程

將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燈，顯示綠燈之后確認振動傳感器狀態正常。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常可以進行測試了。

將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：

按壓牙刷的驅動按鈕，按照牙刷廠家的設定：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：

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，可能是由于自身結構干涉引起。采用傅里葉轉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，我們需要將刷頭的頂部側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：

開啟電機驅動，自由狀態下測試刷頭的振動信號，可以看出：自由狀態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構，彈性較大，振動引起了刷頭懸臂結構的自諧振，產生了衍生信號。這個狀態下刷頭產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動原理決定的。

模擬牙刷使用時的真實狀態，需要人體口腔的配合（或者人體肌肉的配合）。將刷頭用適當的力（正常刷牙按壓用的力）壓到測試工程師的臉頰上模擬這個狀態。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。

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

將振動傳感器安裝在牙刷的外殼上面測試人手的握感：

測試波形如下，可以看出，振動經過不同結構的多次傳遞和共振，已經明顯變形，但是依然可以看出原始波形的頻率特征。

試驗總結

通過本次試驗可以得知，該電動牙刷的使用體驗是通過調整振動電機的振動頻率以及幅值來實現的。設計者不但要選擇合適的振動電機參數及控制算法，還需要考慮不同結構之間的相互作用才行，這個過程中針對不同的結構進行模態分析是必要的。本實驗的收獲不但讓我們了解了電動牙刷的性能，還啟發了我們在結構開發當中需要考慮多種結構的共同作用，在不同的驅動模式下，同樣的結構也有可能出現*不同的模態響應。