（信号与信息处理专业论文）多对象同步检测的新型嵌入式密封性能测试仪器研发.pdf

摘要 摘要 泄漏检测技术是当今重要的安全检测技术之一，它广泛应用于汽车、摩托车、燃 气用具、医疗仪器、航空航天、油气管道等行业。泄漏检测的目的在于对目标对象 进行密封性能测试，即保证目标对象的泄漏程度能够控制在允许的范围之内。针对 传统检漏仪和当今大部分检漏仪一次只能针对一个测试对象做检测的不足，本文提 出了一种多对象同步检测的新型嵌入式密封性能测试仪，它允许一次对多个目标对 象进行同步气密性检测。本文详细地介绍了新型气密仪硬件平台和软件系统的设计。 论文首先阐述了课题的背景及国内外研究现状，介绍了现代常用干式检漏法中 的绝对压力法和差压法，还介绍了泄漏测试中泄漏量和泄漏率的定义和在差压检漏 过程中的计算方法，并说明了差压检测流程中各个阶段的用处作用。 接着提出了气密仪硬件的总体设计方案，对气密仪的主机端( 上位机) 和采集 端( 下位机) 硬件电路的关键模块进行详细地设计和分析，同时还设计了差压检漏 检测气路并给出了其内部工作原理。 最后对选取的嵌入式l i n u x 操作系统、q t e 图形界面设计库等主机端上层软件 运行环境的搭建方法( 如配置方法、移植方法等) 进行介绍和说明；给出矩阵键盘和 r s 4 8 5 多串口设备驱动的具体设计方法；接着对主机端应用程序中各个线程所承担 的任务和要实现的功能进行分配、设计；随后还给出了采集端的软件总体设计和关 键模块程序设计。 软硬件设计完成后，论文对研发的新型气密仪进行调试和实验，并对实验结果 做出分析和比较。 本文设计实现的多对象同步检测的密封性能测试仪不但具有普通差压检漏仪 测试精度高的优点，同时还显著地提高了泄漏检测的效率，缩短了检测周期，增强 了检漏仪的自动化和智能化程度。论文最后的总结与展望中还给气密仪以后的改进 和完善工作提出了建议。 关键词：气密仪：泄漏测试；多对象同步检测：差压检测法；嵌入式l i n u x ： q t e ； 广东工业大学硕士学位论文 a b s t r a c t l e a kd e t e c t i o nt e c h n o l o g yi so n eo ft h ei m p o r t a n tt e c h n o l o g i e sf o r s a f e t y d e t e c t i o n i ti sw i d e l ya p p l i e dt oa u t o m o b i l ei n d u s t r y , m o t o r c y c l ei n d u s t r y , i n d u s t r i e so f g a sa p p l i a n c e ，m e d i c a li n s t r u m e n t ，a e r o s p a c e ，o i la n dg a sp i p e l i n ea n ds oo n ，i no r d e rt o i n s p e c tt h el e a k a g ef r o mt h eo b j e c tt e s t e d c o n s i d e r i n gt h es h o r t c o m i n gt h a to n l yo n e o b j e c tc a nb et e s t e da tat i m eb yt h et r o d i t i o n a ld e t e c t o r sa n dm o s to ft h em o d e m d e t e c t o r s ，ap r e s s u r e - d i f f e r e n c ea i r - t i g h t n e s sd e t e c t o rf o rs y n c h r o n o u sd e t e c t i o no f m u l t i o b j e c ti sp r e s e n t e db yt h ep a p e r f i r s t l y , t h eb a c k g r o u n do ft h es u b j e c ta n dt h es t a t u so fa i r - t i g h t n e s sd e t e c t i o n t e c h n i q u es t u d i e da th o m ea n da b r o a da r es u m m a r i z e db yt h i sp a p e r b o t ht h ed e f i n i t i o n s a n dm e t h o d sf o rc a l c u l a t i o no fl e a k a g ea n dl e a k a g er a t ea r ei n t r o d u c e dl a t e r s i g n i f i c a n c e so ft h es t a g e sw i t h i nt h ep r o c e s so fp r e s s u r e - d i f f e r e n c ed e t e c t i o na r ea l s ec l e a r l y s e c o n d l y , t h es c h e m e so ft h eo v e r a l ld e s i g nf o r t h eh a r d w a r ep l a t f o r mi sp u t f o r w o r d b o t hd e s i g na n da n a l y s i so nt h ek e yc o m p o n e n t so ft h eh a r d w a r ec i r c u i ti nt h e o v e r a l l d e s i g n a r em a d ei n d e t a i l s i m u l t a n e o u s l y , t h ed e t e c t i n gg a sp a t hb a s e do n p r e s s u r e - d i f f e r e n c em e t h o dw h i c ht h es y s t e mn e e d si sd e s i g n e da sw e l la n do p e r a t i n g p r i n c i p l eo ft h eg a sp a t hi sp r e s e n t e d f i n a l l y , s u r r o u n d i n g sf o rs o f t w a r ew h i c hc o n s i s te m b e d d e dl i n u xo sa n dq t g g r a p h i c a li n t e r f a c el i b r a r i e sa n do t h e r sa r ee s t a b l i s h e da n dt h ep r o c e d u r eo ft h e c o n f i g u r a t i o n ，s e r i n g ，c o m p i l i n g ，p o r t i n go p e r a t i o nf o rt h eo sa n dq t ea r ep r o v i d e d a f t - e r w a r d s ，t h ep a p e rd e s i g n e st h ed e v i c ed r i v e r sf o rm a t r i x - k e y b o a r da n dr s 4 8 5 m u l t i - s e r i a l - p o r ti nd e t a i l a f t e re s t a b l i s h n gt h es u r r o u n d i n g s ，t h ep a p e rm a k e sa nd e e p d e s i g n a n d a n a l y s i s o nt h e a p p l i c a t i o n i nt h e h o s t - s i d e ( u p p e rs y s t e m o ft h e d e t e c t o r ) w h i c hb a s e do nt h et h em e c h a n i s mo fm u l t i - t h r e a da n dt h e nt h eo v e r a l ld e s i g n a n dt h em o d u l e sd e s i g no ft h es o f t w a r es y s t e mt u n i n gi nt h es a m p l e - s i d e s ( 1 0 w e rs y s t e m o ft h ed e t e c t o r ) a r ei n t r o d u c e d f o l l o w i n gd e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no ft h ea i r - t i g h t n e s sd e t e c t o r , e x p e r i m e n t sa r e p e r f o r m e da n dt h em e a s u r e dr e s u l t sa r ea n a l y s e da n dc o m p a r e d a b s t r a c t t h en e wt y p eo fd e t e c t o rd e v e l o p e dn o to n l yh a sh i g hd e t e c t i o np r e c i s i o na sw e l la s t h eo r d i n a r yp r e s s u r e d i f f e r e n c ea i r - t i g h t n e s sd e t e c t o r , b u t a l s oh a sh i g hd e t e c t i o n e f f i c i e n c y w h a t sm o r e ，i ti sm o r ea u t o m a t i ca n di n t e l l i g e n tt h a na v e r a g e a tt h ee n do f t h i sp a p e r , b o t hs u m m a r ya n dp r o s p e c ta r eg i v e n k e d v o r d s ：a i r - t i g h t n e s sd e t e c t o r ；l e a kd e t e c t i o n ；s y n c h r o n o u sd e t e c t i o no fm u l t i - o b j e c t ； p r e s s u r e d i f f e r e n c em e t h o d ；e m b e d d e dl i n u x ；q t e i i i c o n t e n t s c o n t e n t s a b s t r a c t i i c o n t e n t s v i i c h a p t e r1i n t r o d u c t i o n 1 1 1s u b j e c tb a c k g r o u n da n dr e s e a r c h e sa th o m ea n da b r o a d 1 1 2p u r p o s e sa n ds i g n i f i c a n c eo fr e s e a r c ho ns u b j e c t 2 1 3c o m e m so fr e s e a r c ha n ds t r u c t u r eo ft h et h e s i s 2 1 3 1c o n t e n t so fr e s e a r c h 2 1 3 2s t r u c t u r eo ft h et h e s i s 3 c h a p t e r2d r yl e a k a g ed e t e c t i o nm e t h o d s 4 2 1d r yl e a k a g ed e t e c t i o nm e t h o d s 4 2 1 1a b s o l u t ep r e s s u r em e t h o d 5 2 1 2d i f f e r e n t i a lp r e s s u r em e t h o d 5 2 2c o m p a r i s o nb e t w e e nt h et w om e t h o d s 6 2 3c a l c u l a t i o n so fl e a k a g ea n dl e a k a g er a t eb a s e do np r e s s u r e - d i f f e r e n c em e t h o d 7 2 3 1d e f i n i t i o n sf o rl e a k a g ea n dl e a k a g er a t e 7 2 3 2c l a s s i f i c a t i o no f p r e s s u r e 7 2 3 3c a l c u l a t i o n so fl e a k a g ea n dl e a k a g er a t e 8 2 4p r o c e s s e si np r e s s u r e d i f f e r e n c el e a kd e t e c t i o n 9 c h a p t e r3d e s i g no fh a r d w a r es y s t e mo ft h ed e t e c t o r 1 1 3 1o v e r a l ld e s i g no fh a r d w a r es y s t e mo ft h ed e t e c t o r 11 3 2d e s i g no fc o n t r o lp l a t f o r mo fh o s t - s i d e 12 3 2 1h a r d w a r er e s o u r c e sf o rh o s t s i d e 12 3 2 2a r m m i c r o p r o c e s s o r 1 2 3 2 3d e s i g no fh a r d w a r es y s t e mo fh o s t - s i d e 13 3 3d e s i g no fd e t e c t i o np l a t f o r mo fs a m p l e s i d e s 18 3 3 1h a r d w a r er e s o u r c e sf o rs a m p l e s i d e 18 3 3 2a v r - a t m e g a l 2 8m i c r o c o n t r o l l e ri n t r o d u c t i o n 2 1 9 3 3 3o v e r a l ld e s i g no fh a r d w a r es y s t e mo fs a m p l e - s i d e 2 0 v h 广东工业大学硕士学位论文 3 3 3 1d e s i g na n dp r i n c i p l eo fg a sp a t h 21 3 3 3 2d e s i g no fd e t e c t i o np l a t f o r m 2 2 c h a p t e r 4 d e s i g no fs o f t w a r es y s t e mo ft h ed e t e c t o r 2 6 4 1s u r r o u n d i n g sf o ra p p l i c a t i o no nh o s t - s i d e 2 6 4 2c u s t o m i z a t i o n sa n dt r a n s p l a n t a t i o no fo sa n dq t e 2 7 4 2 1c o m p i l i n ga n dt r a n s p l a n t a t i o no fq t el i b r a r i e s 2 7 4 2 2c o n f i g u r a t i o n sa n dt r a n s p l a n t a t i o no fo s 2 8 4 3d e s i g no fk e y b o a r da n dr s 4 8 5s e r i a lp o r t sd r i v e r s 2 8 4 3 1m a t r i x k e y b o a r dd r i v e r 2 8 4 3 2r s 4 8 5m u l t i s e r i a l - p o r td r i v e r 3 0 4 4d e s i g no fa p p l i c a t i o no nh o s t - s i d e 3 2 4 4 1c o m m u n i c a t i o n sa m o n go b j e c t si nq t t 矧3 2 4 4 2m u l t i - t h r e a dc l a s s e si nq t 3 3 4 4 3d e s i g no fm u l t i - t h r e a ds t r u c t u r e 3 4 4 4 3 1g u im a i nt h r e a d 3 5 4 4 3 2r s 4 8 5s e r i a l - p o r tt h r e a d s 4 2 4 4 3 3d a t a b a s et h r e a d 4 5 4 4 3 4k e y b o a r dt h r e a d 4 6 4 4 3 5n e t w o r km o n i t o r i n gs e r v i c et h r e a d 4 6 4 5d e s i g no fd e t e c t i o ns o f t w a r eo ns a m p l e s i d e s 4 6 4 5 1d e s i g no fs e l f - c h e c k i n gm o d u l e 4 8 4 5 2d e s i g no fl e a k a g ed e t e c t i o nm o d u l e 5 0 4 5 3d e s i g no fo t h e rm o d u l e s 51 c h a p t e r5d e b u g g i n g a n de x p e r i m e n t s 5 3 s u m m a r i e sa n dp r o s p e c t s 5 5 r e f e r e n c e s 5 7 p u b l i s h e dp a p e 璐d u r i n gt h em a s t e rp e r i o d 5 9 d e c l a r a t i o n s 6 0 a c k n o w l e d g e m e n t s 6 1 v 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题背景及国内外研究现状 当今科学技技术迅猛发展，工业自动化和检测技术也取得了长足的进步，人们 对泄漏的认识以及要求对泄漏做出相应检测和控制的意识逐日增强。对具有密闭性 质的产品来说，如果在使用过程中发生了泄漏且泄漏超过了允许范围，不仅产品功 能会受到影响，严重时可能导致火灾、爆炸、有害气体溢出等严重后果，引发不可 挽回的损失i l 】。人们所熟悉的交通工具、电器等产品，如摩托车、汽车、空调、热 水器、燃气用具、油气管道等，它们的故障和危害也逐渐被人们所认识。比如：摩 托车、汽车的发动机漏油，汽车的散热器( 水箱) 漏水烧坏发动机，空调的蒸发器 泄漏导致冷却剂破坏臭氧层，燃气用具和油气管道漏气f 2 j 造成灾难等等。 为了提高这些产品的质量和安全性能，人们经过研究和实践提出了若干泄漏测 试方法。常用的气密性检测方法有气泡法、涂抹法、化学气体示踪检漏法【3 】、压力 变化法、流量阀、超声波法等。其中的气泡法就是采用浸水检测的方式对被测对象 进行检漏，这也是通常所说的“水检”，这种工艺已经有了近百年的历史。一些工业 技术发达的国家为了克服水检法和涂抹法等检漏方式对工件后续作业带来的一些弊 病，先后开始研究代替这些泄漏测试方式的新方法，如：示踪气体检漏法、差压测 漏法，绝对压力法，超声波检测法等。尤其是差压法和直压法，由于采用洁净干燥 空气作为工作介质，具有价格比较便宜且原理相对简单易于掌握和应用于日常生产 检测等特点，因此使用更为广泛和常见。 国内外众多厂家都开发出了各种型号的直压式和差压式气密性测试仪。国际上 知名的气密仪生产公司有美国的u s o n 友善，日本的c o s m o s ，法国的a t e q 艾 迪克，德国的j wf r o e h l i c h 佛罗里西等公司；国内有广州市番禺可腾工业有限 公司、天津市的福田公司、浙江省的三花集团等厂家。这些气密性检测仪，具有易 于控制，自动化程度高，适用于生产线的在线检测的优点。然而，随着工业生产的 快速发展，如何在多时间内准确、快速、高精度的对测试对象进行气密性测试，已 成为工业生产面临的迫切需求，也是质量检测行业亟待解决的一个重要问题之一。 目前绝大多数的国外气体检漏仪都是“一对一”进行泄漏检测的测试设备，不具 备多通道多对象同步检漏的功能，少数具有此功能的测漏设备由于技术不够成熟也 广东工业大学硕士学位论文 存在精度或同步性等问题。国内在泄漏检测技术领域的研究起步较晚，生产的气密 检漏设备还存在许多不足，因此使用的检漏设备多以国外引进的为主。进口的气密 测漏产品价格昂贵并且在技术上的收到很大限制，严重制约了我国国民企业的发展 步伐，从而有必要研究、开发一种新型的多对象同步检漏仪，以提高泄漏测试效率、 自动化智能程度，缩短检测周期。 1 2 课题研究目的及意义 气密性检测技术的发展对产品质量和安全性能的提高有很大的促进作用，其应 用领域从起初的汽车生产制造业发展到现在的食品包装、家用电器、医疗仪器、航 空航天工业等领域。 国外测漏设备生产厂家对泄漏检测技术的研究起步较早，技术较为成熟。国内 检漏仪的制造开始于上世纪六十年代初期，生产方式以仿制和进口国外先进仪器为 主，在几十年的应用实践当中，虽然取得了巨大的进步，但还存在很多方面的不足， 因此还远远不能满足实际的需要。另外，为了解决传统和当前大部分检漏仪一次仅 能对一个测试对象进行检测的问题1 4 ) ，本课题将对一种多对象同步检测的新型嵌入式 密封性能测试仪器进行研究和设计，以提高泄漏测试效率和自动化智能程度，缩短 测试流程时间，增强检漏仪器的稳定性及可靠性，降低设备的价格，提升国产化气 密性检漏仪的竞争力。 1 3 课题的研究内容和章节安排 1 3 1 课题的研究内容 本课题从多对象同步检测嵌入式气密性测试系统设计出发，主要进行以下几个 方面的研究工作： 1 研究泄漏检测技术的现状与发展趋势，选取适合本课题设计的泄漏测试方 案，并进一步研究其工作原理和应用。 2 根据多对象同步密封性能检测流程和检测系统设计中具体要实现的功能和 参数指标，提出本课题研究的气密仪软硬件系统的总体架构方案。 3 依据总体架构方案，对多对象同步检测密封性能测试仪上下位机的硬件系统 和软件系统进行详细设计。研究上位机软件运行环境的搭建包括选择合适的操作系 2 第一章绪论 统、上层软件支撑库，配置编译移植操作系统、文件系统、图形工具库等到气密仪 硬件设备；设计硬件关键驱动程序模块：研究下位机的自检程序模块、和检漏核心 程序模块以及其它功能模块的设计。 4 对设计实现的新型气密性测试仪进行系统集成调试，并同普通检漏仪作比 较，验证新型气密仪的可行性。 1 3 2 本文章节安排 第一章，简要地论述了课题研究的背景和发展现状，以及本课题研究的目的和 意义。提出了一种对象同步检测的新型密封性能测试仪器，解决当前检漏仪器存在 的检测效率，自动化程度不高的问题。最后介绍了本文的研究内容并列出了整篇论 文各个章节的工作安排。 第二章，首先介绍了各种泄漏测试方法包括传统的和现代的，并着重分析比较 了两种常见的干式检漏法及其工作原理，从中选取适合本课题设计的差压式检漏法： 然后，介绍了泄漏量、泄漏率的定义和在差压检漏中它们的计算方法：最后说明了 差压法检漏各个流程如：充气阶段、等压阶段、平衡阶段、检测阶段等的作用和某 些阶段的增删条件。 第三章，这章分两大部分，第一部分中首先提出新型气密仪硬件系统的总体设 计方案：其次罗列出气密仪主机端( 上位机) 所使用到的主要硬件资源；最后最后 给出了主机端硬件设计框图，并对其中的存储模块、矩阵键盘模块、r s 4 8 5 串口收 发等模块进行探讨和设计。第二部分中也是先罗列出气密仪每个采集端( 下位机) 所使用到的硬件资源；然后给出采集端硬件系统的总体设计；最后对设计了采集端 的泄漏测试气路并阐述了其内部工作原理，同时设计了硬件控制电路的模数转换、 数模转换、串口通讯等模块。 第四章，第一部分首先描述了主机端上层软件的运行环境以及该环境的具体搭 建方法；然后针对主机端的键盘和多串口设备驱动程序进行分析设计；接着概述了 q t 对象间的通信方法和多线程编程技巧；最后提出了主机端的多线程软件架构并设 计各个线程所承担的具体功能。 第五章，对课题设计开发出来的新型气密仪器做集成调试和实验并对比分析析 试验所得结果。 最后，对本文的内容进行总结，对气密仪的发展前景进行展望。 广东工业大学硕士学位论文 第二章干式检漏方法 泄漏测试的目的就是在生产过程中尽早对产品能否保证在以后的使用条件下 不出现泄漏做出判断，避免对有漏的产品做进一步加工和装配，这也叫做“废品剔 除”。在泄漏测试技术中，需要特别指出的是泄漏与不泄漏只是一个相对的概念，理 论上讲，没有不泄漏的，只是泄漏的量不超过允许范围时，我们就认为它没有泄漏， 也就是说它是合格的。但为了使某产品的泄漏程度能够控制在允许的范围之内，泄 漏检测技术也就应运而生了。 在泄漏检测过程中，传统通常采用排水集气、法【s l ( 浸水法中的一种) 、火烛法、 表面喷涂法、液压测量法、流量检漏法、保压法等方式，其中尤以浸水法及液压检 测法简单易行，被检测行业广泛采用。但是这类试漏方法只能作定性判断，没法定 量判断检测结果，且存在以下明显不足1 6 】： 1 ) 零件必须浸入水中。对于尺寸、质量较大的零件不易操作，对于易生锈的零 件在检测完成后还需进行清洗吹干并作防锈处理。 2 ) 工作环境恶劣，成本高，为避免零件的生锈，一般还需在选择介质时作一定 的考虑和选择，通常要将防腐剂混入水溶液中火在没有腐蚀性的液体中进行检漏， 不仅对人体有害，而且还会增加生产成本。 3 ) 检测结果易受人为因素的干扰和影响。 4 ) 不能定量测量。对一些要求用泄漏或泄漏率的评定产品无法检测。 5 ) 检测周期长，自动化程度低。 随着密封性检测技术的发展和进步，气密检测技术经历了又湿式检测法到干式 检测法的转变过程，因此，现代常用的检漏方法有绝对压力法、差压检测法、质谱 式、同位素式、红外检漏，超声波定位检漏【7 】等新方式。本课题的研究也是以干式 检测法为依据，进行仪器系统的设计。 2 1 干式检漏法 干式检漏法同以往的湿式检漏法相比具有很多明显的优势，下面将对使用普遍 以干燥、洁净空气为工作介质的绝对压力气密性测试法和差压检测法以及它们的工 作原理作详尽的介绍。 4 2 1 1 绝对压力法 绝对压力法又称直压法【8 9 】，其检漏原理相当于电子天平进行微量称量，例如， 有一个充满气体的气球( 如同被测对象) ，在电子天平上称得质量后，假如气球( 被 测对象) 存在泄漏，则天平称出的质量会逐渐减少，将起初称出的质量和之后称出 的质量作差得出的差值就是气球( 被测对象) 的泄漏量，实际测试当中，采用绝对 压力检测法时，检测出来的被测对象的泄漏量就等于前后两次压力的差值。 基于绝对压力法的泄漏检测仪的气路原理如图2 1 所示。气源气体经过过滤器， 再经过减压阀调定测试压力后通过电磁阀v 1 给被测对象充气，此时电磁阀v 2 处于 端点关闭状态，充气完毕电磁阀v l 断电关闭，压力传感器读出规定时间内前后的 压力值交给处理系统处理，处理系统对两次压力值作差，若被测对象存在泄漏，必 然产生压降，上述差值作为被测对象的泄漏量自然也不为零，若结合检测时间做进 一步运算还可求出测试对象的泄漏率。检测完毕，电磁阀v 2 通电放气，然后断电 进入下一个测试循环。 2 1 2 差压法 v 1 ；控梨篓理i v 2 ： 系统 ： 图2 1 直压式泄漏检测仪原理图 f i g 2 1s c h e m a t i cd i a g r a mo fd i r e c tp r e s s u r el e a kd e t e c t o r 声器 差压法 t o - 1 2 相对于绝对压力法在原理上要稍微复杂些，涉及到许多学科方面的 知识。差压法的检漏原理相当于杠杆天平，一端是标准参考物，另一端是被测对象， 测量过程中，标准参考物与被测对象同时充入相同压力的空气，使差压传感器得到 平衡，如果此时测试对象有泄漏，哪怕是微小泄漏，杠杆天平也将失去平衡，从而 检测出两端之间因泄漏产生的压力差。 5 广东工业大学硕士学位论文 o o 泄漏 电磁阀4 图2 2 差压式检漏仪原理图 f i g 2 - 2s c h e m a t i cd i a g r a mo fd i f f e r e n t i a lp r e s s u r el e a kd e t e c t o r 基于差压法的气密检漏仪的气路原理如图2 2 所示。电磁阀1 通电打开，电电 磁阀2 、3 处于通电打开状态，磁阀4 处于断电关闭状态，气源气体经过过滤器，减 压阀，电磁阀l 、2 、3 ，后给标准参考物和被测对象充气，充气完毕，电磁阀1 、2 、 3 断电，通过压差传感器检测标准参考物和被测对象两端的压差，并由控制处理系 统处理后可得出被测对象的泄漏量或泄漏率。检测完毕，电磁阀2 、3 、4 通电，气 路气体经过消声器排出，关闭电磁阀4 ，进入下一个泄漏测试循环。 2 2 两种干式检漏法的比较 绝对压力检漏法和差压检漏法各有各的优点。基于绝对压力法的直压检漏仪自 身容积下，结构紧凑，测量范围宽，工作性能可靠，检测时不需要基准参考物；而 差压检漏仪测试压力高，分辨率与使用的测试压无关，因此测量灵敏度和精度高， 适用于检测微小泄漏，同时由于基准参考物的接入，在接上相应参考物的前提下， 允许对容积或状态不稳定的被测对象进行测试。 两种检测法也存在不足和缺陷。比如，采用直压检测法做测试时，受传感器 技术的影响( 压力传感器的测试精度是以整个量程来标定的，一般在千分之2 到5 之间) 传感器总量程越大，测试出来的结果误差也越大，另外，绝对压力传感器量 程范围要比差压传感器的宽得多，因次，绝对压力检测法的测试精度自然也就没有 差压检测法的高；基于差压法的气密仪，检测时需要基准参考物辅助测试，而参考 物比较固定，一般随测试对象而变化，但采用差压法检测时，理论上要求被测对象 6 第二章干式检漏方法 和参考物在形状、材质、大小上接近一致，因此比较固定的参考物会给测试结果带 来一定的误差，此外，温度，湿度等环境因素也会影响差压检测结果。 直压法检漏虽然存在一些不足，但它的显著的优点足以让它胜任日常一般的检 漏工业工艺要求，从而在国内外的使用也很广泛。差压检测法由于检测速度快，测 试精度高，特别是检测微量泄漏时，有着普通检漏方式所不可替代的优势，因此， 在当今的泄漏检测行业中占有举足轻重的一席之地。本课题研究的嵌入式气密仪就 是依据差压检漏原理来做气密性测试的一种新型多对象同步检测仪。 2 3 基于差压检测法的泄漏量和泄漏率计算 2 3 1 泄漏率和泄漏量的定义 在计算差压式气密性检测的泄漏量和泄漏率之前，需要明确是什么事泄漏量? 什么是泄漏率? 按d i ne n1 3 3 0 0 8 定义泄漏率i - ，1 ： 泄漏率是单位时间内，在一定条件下从泄漏点流出流体p y 的值， q = 一 (21)l a ( p - v ) 一= 丁 ( 2 1 ) q ：泄漏率，s i 单位：p a m 3 厶，常用单位：m b a r s ； p ：压力； v ：体积： t ：时间。 泄漏量类似于泄漏率，指单位时间内通过主密封和辅助密封泄漏的流体总量， 通常表示单位时间内泄漏到大气压下的气体体积，此时单位为：m l s ，m l m i n 等。 2 3 2 压力的种类 压力根据它的性质可划分为差压，绝对压，相对压，正压，负压。 1 ) 差压是两个压力之间的相对差值。 2 ) 绝对压为相对于绝对真空的而言的压力。 3 ) 相对压力是相对于标准大气压而言的压力。 4 ) 正压指比常压( 当时的大气压) 的气压高的气体压力。 7 广东工业大学硕士学位论文 5 ) 负压指比常压( 当时的大气压) 的气压低的气体压力。 这几个不同性质的压力图示如图2 3 差压绝对压 想对压 丁 。l jl 正压 j - 负压 la l t o 标准大气压 一一当时的大气压 绝对真空 图2 - 3 各种性质的压力示意图 f i g 2 - 3k i n d so fp r e s s u r e 2 3 3 差压法检漏中泄漏量与泄漏率的计算 在差压检漏仪原理图2 2 中，被测对象泄漏前后状况如图2 4 所示。 被测对象被测对象 图2 4 泄漏图不 f i g 2 - 4d i a g r a m o fl e a k a g e 根据b o y l e c h a r l e 定律，气体的压力，容积，温度三者之间满足： 尸v = 锹丁( 2 2 ) 如果被测对象有泄漏，泄漏前的压力为弓，泄漏后的压力为罡，设压差 a p = 丑一昱 ( 2 3 ) 但被测对象的等效内容及不变( 一般这个体积包括被测对象本身的内容积和连接管 道等的综合体积) ，设它为圪，大气压为昂，泄漏到大气中去的气体体积为a v 。 8 第二章干式检漏方法 假设泄漏前、泄漏后和泄漏到大气中去的气体温度保持不变，结合图2 4 由( 2 2 ) 式可以得到： 丑圪= 昱圪+ p o a v ( 2 4 ) 再由( 2 3 ) 和( 2 4 ) 式容易推得： 昂a v = a p 圪 ( 2 5 ) 假设检出时间为a t ，设压强的单位为，体积的单位为m l ，时间的单位为s ，则 气体的泄漏率为： q = 百p o - a v = 警( 砌卅s ) ( 2 6 ) 泄漏量为： q = 警罟( 聊i n ) ( 2 7 ) 实际检漏时，a p = 一皑i a ，其中蛾或为检测阶段差压传感器采集到的压差 值，战l a 为平衡阶段差压传感器采集到的压差值( 检测阶段和平衡阶段的概念和作 用在下一节介绍) 。 这样实际的泄漏率、泄漏量公式应该更新为： 幺= 警= 警= 盥铲( 砌朋胁) 眩8 ， q = 盥半嚣( 优访) ( 2 9 ) 2 4 差压式泄漏检测流程 差压式气密性检测流程一般包括以下几个阶段： 1 ) 充气阶段，这个阶段气源给被测对象和标准参考物充气，充气的时间和压 力取决于最初的参数设置，一般被测对象的容积越大或检测压力越高，充气时间也 需越长。 2 ) 等压阶段，此时气源停止充气，被测对象和标准参考物经由检测气路仍处 于连通状态，刚刚经历充气阶段，气路中的气体会产生振荡，振荡强弱受被测对象 的形腔形状和材质的影响，而且充气压力越大，回路中的气体振荡幅度也越大，另 外，标准参考物和被测对象一般并不相同，它们的散热能力和充气变形量也不同， 9 广东工业大学硕士学位论文 因此当被测对象容积比较大，检测压力较大，被测对象充气变形量较大，形状很不 规则中的一个或多个条件满足时都须增设此阶段甚至延长这个阶段的时间，目的在 于补偿上述原因造成两边压力不一致的不足，最终提高检测的精度。 3 ) 平衡阶段，此阶段平衡阀关闭，被测对象和标准参考物之间的连通气路被 隔开，此阶段的目的也是为了稳定被测对象和参考物内的气体，为最后的检测阶段 做准备，当不需要增设等压阶段时，此阶段也是需要保留的。 4 ) 检出阶段( 检测阶段) ，该阶段根据差压检漏原理和差压传感器的压力变化 计算出被测对象的泄漏量和泄漏率，是泄漏检测流程的核心阶段。 5 ) 排气吹气阶段，这个阶段排气阀打开，检测气路的气体经消声器排出外界， 当需要清空检测气路长时间积累下来的废气杂物时，可以在排气的过程打开气源， 把气路中的气体和废气杂物一同吹出外界环境。 1 0 第三章气密仪硬件系统的设计 第三章气密仪硬件系统的设计 3 1 气密仪硬件系统的总体设计 普通气密性测试仪的m c u ( m i c r oc o n t r o lu n i t 微控制器) 都是由单片机来实 现的，功能和速度都受到了限制。因此，要实现气密仪的多通道多对象同步检测功 能，普通的单片机控制器是难以胜任的，只有选择一种处理速度和功能更加强大的 处理器，才能满足课题研究的气密仪的基本要求。本课题使用一种更高端的微处理 器即a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s 高级精简指令机器) 来实现上述功能。仪器 系统的总体结构如图3 1 。 壁苎兰堕l l c d a v r l 工2工 4r s 4 8 5 l u t t 黼 u s bi 墼堕 a v r 2 i 墼墅 a r m 9 l r s 4 8 5 远程主机陷0 i u - 4 5 n 医i 矿 a v l b 叫 r s 4 8 5i 士士 士 k 爿附 m a t r i xk e y b o a r d 图3 1 气密仪硬件平台结构 f i g 3 1s t r u c t u r eo f h a r d w a r ep l a t f o r mo f t h ed e t e c t o r 仪器系统采用基于a r m 9 核心微处理器的仪器主机端作为上位机，下位机是4 个基于a t m e g a l 2 8a v r 微控制器的仪器采集端。主机端通过4 个独立的r s 4 8 5 串 行通讯口与4 个采集端相连，建立上下位机之间的所