（电路与系统专业论文）气体微量泄漏的恒压检测方法研究.pdf

中文摘要 摘要 随着汽车、摩托车、燃气具、食品、医药等行业的发展，对具有密闭容积的 产品的气体密封性( 简称气密性) 检测显得越来越重要。企业为确保其产品的质 量，每件产品在出厂前都要进行气密性检测。因此，研制一套测试准确、自动化 程度高、价格低廉的气密性测试系统，对企业提高生产效率、减轻工作强度、提 高产品质量、降低成本极具现实意义。 论文针对差压式检测法存在的不足，设计出一种符合欧美国家标准的基于恒 压检测方法的气体密封性检测方案，以提高检测的准确性和可靠性。整个设计以 f p g a 作为控制核心，用f r e e s c a l e 公司生产的一款高精度差压传感器m p x v 5 0 0 4 g 作为检测传感器，其输出经a d 转换电路转换成数字信号，通过数据处理、计算 得到步进电机控制量和泄漏率；然后利用得到的结果对步进电机进行控制，使步 进电机驱动活塞运动，对泄漏量进行自动补偿，最后通过l c d 显示出泄漏量和泄 露率。 论文共分六个部分，第一部分阐述了课题的背景及研究现状。第二部分在对各 种气密性检测方法进行比较的基础上，对可靠性强、精度高的恒压检测技术进行 了分析；通过公式的推导得出泄漏量的计算公式，给出了系统总体结构图，并对 系统总体工作模型进行了分析。论文第三部分阐述了步进电机控制系统的硬件结 构，并对相关的芯片和功能模块做了介绍；详细介绍了f p g a 开发相关技术以及 3 2 位n i o s 软核处理器的定制方法。第四部分介绍了硬件系统的总体设计方案及 各单元模块、主要的硬件器件的特点和实现方法等，给出详细的电路图解，并对 各个功能块的设计及其仿真测试进行详细的分析。第五部分介绍了系统软件总体 流程，采用模块化的设计思想将系统的软件进行功能块的划分，并给出软件总体 设计流程图，完成了n i o s 软核处理器的定制和程序设计。通过仿真与测试，证明 了该系统的检测精度和可靠性较高，各项功能达到设计及实用化要求。论文最后 部分针对系统的应用特点及其存在的不足，给出了进一步完善的措施，为快速和 准确地测量气体微量泄漏提供了现实依据。 关键词：恒压检测，步进电机，f p g a ，n i o s ，泄漏量 英文摘要 a b s t r a c t w i t ht h e d e v e l o p m e n t o ft h e i n d u s t r i e so f a u t o m o b i l e s ，m o t o r c y c l e s ， g a s a p p l i c a t i o n s ，f o o d ，p h a r m a c e u t i c a l ，t h e a i r t i g h t n e s s d e t e c t i o nf o r a i r t i g h t c u b a g e p r o d u c t sh a sb e c o m ei n c r e a s i n g l yi m p o r t a n t t oe n s u r et h eq u a l i t yo fp r o d u c t s ， t h ea i r t i g h t n e s so ft h ep r o d u c t sm u s tb ed e t e c t e d t h e r e f o r e ，t od e v e l o pas e to fh i g h a c c u r a c y , a u t o m a t i ca n dl o w p r i c ea i rt i g h t n e s sd e t e c t i n gs y s t e mi so fg r e a tp r a c t i c a l s i g n i f i c a n c e i ni m p r o v i n gp r o d u c t i o ne f f i c i e n c ya n dr e d u c i n gt h el a b o rl o a d sa n d i m p r o v i n gp r o d u c t q u a l i t y p a p e r s f o rt h el a c ko fd i f f e r e n t i a lp r e s s u r e t y p et e s t i n g ，t od e s i g nal i n e 谢t h e u r o p e a na n da m e r i c a nn a t i o n a ls t a n d a r dd e t e c t i o nm e t h o d sb a s e do np e r m a n e n t p r e s s u r ed e t e c t i n gp r o g r a m st oi m p r o v ed e t e c t i o na c c u r a c ya n dr e l i a b i l i t y f p g ac o r e d e s i g na st h ec o n t r o l ，f r e e s c a l ep r o d u c e dah i g h p r e c i s i o nd i f f e r e n t i a lp r e s s u r es e n s o r m p x v 5 0 0 4 gw h i c hu s e da sad e t e c t i o ns e n s o r ，i t so u t p u tt h r o u g ht h ea | dc o n v e r s i o n c i r c u i tt oc o n v e r tad i g i t a ls i g n a l ，t h r o u g hd a t ap r o c e s s i n g ，s t e p p e rm o t o rc o n t r o lv o l u m e i sc a l c u l a t e da n dr a t eo fl e a k a g e ；t h e nu s et h er e s u l t so b t a i n e do nt h es t e p p e rm o t o r c o n t r o lt os t e p p e rm o t o r d r i v e np i s t o nm o v e m e n t ，a u t o m a t i cl e a k a g ec o m p e n s a t i o n ，t h e f i n a la d o p t i o no fl c ds h o w st h er a t eo fl e a k a g ea n dl e a k a g e p a p e ri sd i v i d e di n t os i xp a r t s ，t h ef i r s td e s c r i b e st h eb a c k g r o u n da n dt h es u b j e c to f r e s e a r c h t h es e c o n dp a r to ft h ev a r i o u sl e a kd e t e c t i o nm e t h o d sb a s e do nt h e c o m p a r i s o n ，f o rr e l i a b i l i 够a n dh i g ha c c u r a c yo ft h ec o n s t a n t v o l t a g e d e t e c t i o n t e c h n o l o g ya n a l y s i s ；t h r o u g ht h ef o r m u l ad e d u c e dt h ef o r m u l af o rc a l c u l a t i n gt h e a m o u n to fl e a k a g eo ft h es y s t e mw a sg i v e no v e r a l ls t r u c t u r eo ft h ed i a g r a m ，a n dt h e o v e r a l lw o r k i n gm o d e lo ft h es y s t e mw e r ea n a l y z e d t h et h j r dp a r to ft h ep a p e r d e s c r i b e ss t e p p e rm o t o rc o n t r o ls y s t e m sh a r d w a r es t r u c t u r e ，a n df u n c t i o nm o d u l e s r e l a t e dt oc h i p sa n dm a d ea ni n t r o d u c t o r y ；d e t a i l sr e l a t e dt ot h ed e v e l o p m e n to ff p g a t e c h n o l o g y ，a n da3 2 一b i tn i o ss o f t - c o r ep r o c e s s o rc u s t o m i z a t i o nm e t h o d s t h ef o u r t h s e c t i o nd e s c r i b e st h eo v e r a l ld e s i g no ft h eh a r d w a r es y s t e ma n dt h em o d u l a rp r o g r a m ， t h em a i nc h a r a c t e r i s t i c so ft h eh a r d w a r ed e v i c e sa n dr e a l i z a t i o no fm e t h o d sa r eg i v e n d e t a i l e dc i r c u i td i a g r a m s ，a n dv a r i o u sf u n c t i o n a lb l o c k so ft h ed e s i g na n ds i m u l a t i o n t e s t i n gf o rd e t a i l e da n a l y s i s 。f i f i as e c t i o nd e s c r i b e st h eo v e r a l lf l o wo ft h es y s t e m s o f t w a r e ，u s i n gam o d u l a rd e s i g nc o n c e p tf o rt h es y s t e m ss o f t w a r ed i v i s i o no ff u n c t i o n b l o c k sa n dg i v e st h eo v e r a l ld e s i g no ft h es o f t w a r ef l o wc h a r t ，c o m p l e t e dn i o s 1 1 1 重庆人学硕十学位论文 s o f t c o r ep r o c e s s o rc u s t o m i z a t i o na n d p r o g r a m m i n g t h r o u g hs i m u l a t i o na n dt e s t i n gt op r o v e t h es y s t e m sd e t e c t i o na c c u r a c ya n dr e l i a b i l i t yo ft h eh i g h e r ，t h ev a r i o u sf u n c t i o n st om e e tt h e d e s i g na n dp r a c t i c a lr e q u i r e m e n t s p a p e r s f o rt h el a s t p a r t o ft h e a p p l i c a t i o n c h a r a c t e r i s t i c so ft h es y s t e ma n di t ss h o r t c o m i n g s ，i sg i v e nt of u r t h e ri m p r o v em e a s u r e s f o rr a p i da n da c c u r a t em e a s u r e m e n to ft r a c eg a s e sp r o v i d ear e a l i s t i cb a s i sf o rl e a k s k e y w o r d s ：p r e s s u r em e s t i n g ，s t e p p e rm o t o r ，f p g a ，n i o s ，l e a k a g e i v 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的 士 学位论文 是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究 所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 即够 签字日期：沙护尹，2 。 签字日期：乃9 夕文。 学位论文使用授权书 本人完全了解重庆大学有关保留、使用学位论文的规定。本人完全同意中 国博士学位论文全文数据库、中国优秀硕士学位论文全文数据库出版章程( 以 下简称“章程”) ，愿意将本人的砒学位论文赔缉幽醒纽烂l 塑纭提 交中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社( c n k i ) 在中国博士学位论文全文数据 库、中国优秀硕士学位论文全文数据库以及重庆大学博硕学位论文全文数 据库中全文发表。中国博士学位论文全文数据库、中国优秀硕士学位论文 全文数据库可以以电子、网络及其他数字媒体形式公开出版，并同意编入c n k i 中国知识资源总库，在中国博硕士学位论文评价数据库中使用和在互联 网上传播，同意按“章程”规定享受相关权益和承担相应义务。本人授权重庆大学 可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公开论文的全部或部分内容。 作者签名：导师签名： 砌夕年从月日 备注：审核通过的涉密论文不得签署“授权书 ，须填写以下内容： 该论文属于涉密论文，其密级是，涉密期限至 年一月一日。 说明：本声明及授权书! 逝装订在提交的学位论文最后一页。 1 绪论 1绪论 1 1 研究背景 随着我国国民经济的快速发展，整个社会对汽车、燃气、家电等行业产品的 需求量同益扩大，这些相关行业已成为我国经济发展中的支柱产业。与此同时， 对这些行业相关产品的质量和安全性能检验也日显重要。气体密封性( 简称气密 性) 检测是保证产品质量和安全性能的重要手段之一l l j 【2 j ，国家质量技术监督局已 逐步开展对相关生产企业的产品生产资质认证，其中气密性检验设备已成为必需 设备之一。以汽车行业为例，中国汽车工业协会在关于“汽车行业2 0 0 7 年经济运 行情况的报告中指出，2 0 0 7 年以来，我国汽车市场保持快速增长势头，截至9 月底，产销量达到6 5 0 9 6 万辆，同比增长2 2 7 8 ，整体产销率达到9 9 2 ；从增 速看，前9 月的汽车销量增长基本上与2 0 0 6 年全年相当，呈现出高位稳定增长的 态势。而汽车的一些关键部件如冷凝器、各种气阀、气缸等出厂前，每样部件都 需要进行严格的气密性检测，才能保证产品的质量和工作过程的可靠性。同样， 其他相关行业对自己生产的产品进行气密性检测也必不可少。 气密性检测也称泄漏检测，属性能指标范畴1 3 j ，主要用于测试密闭容器的气密 性状态。目前，空气泄漏检测仪已经广泛应用于各种领域，比如：航空、航天、 化工、汽车、摩托车、燃气具、发动机、医药、电子、环保等等1 4 1 5 】【6 】【7 1 【引。国外一 些厂家的这项检测技术较为成熟，如德国的w f r o e h l c h 公司、法国的a t e q 公 司、美国的u - s o n 公司、i n t e r t e c h 公司，此外，还有r 本c o s m o 、长野等企业， 意大利的m i c r o c t r o l 公司等【9 】【1 0 】。在国内，泄漏测试技术的起步相对较晚，但随 着工业技术的进步，我国企业在也投入了大量的人力和物力开发相应的产品 f 2 l 【1 1 1 【1 2 1 ，比如广州科腾、浙江三花集团、新科精密仪器等等。 1 2 研究的意义 在工业化大规模生产的今天，企业为了保证产品的品质，他们已再不满足于 传统的、精确度不高的泄漏测量方法，但使用昂贵的检测设备对企业来说也是一 种成本负担。因此，他们急切需要一种性价比高、高效、简便、智能的新型检测 设备对泄漏量进行检测。 目前，理论界对于气密性检测技术的应用研究相对较少。在这方面，华中科 技大学的研究人员论证了检测过程中被测对象的气体压力变化规律与理论分析的 一致性，他们研发出的产品具有较好的重复性和较高的检测精度；其泄漏的程度 是用差压的大小来间接表示泄漏量1 1 1 1 。合肥智能机械研究所研发的泄漏仪，提出 重庆人学硕十学位论文 了基于模糊综合评判的、考虑诸多影响因素对检测结果进行综合判断，使测试结 果更加合理和智能化，使判断更为准确，为测量提供了种新的处理方法i l 引。南 京理工大学则以极限泄漏率作为产品气密性检测的报废标准，从而更准确地判断 测试产品的质量f i 钔。上海交通大学利用超声波检测气体泄漏的研究，实现了对气 体微泄漏量的估算功能【l5 1 。当然，还有许多文献和研究机构都是采用差压法来提 高测试精度，定性或定量的判断泄漏，然而，没有研究者在“压差式检测”的基 础上，采用“恒压式检测来准确、可靠地判断泄漏量。 本课题选择用f p g a 芯片对传统的检漏技术进行改造，符合未来检漏技术系列 化、可兼容性、可扩展性和易升级换代的不断发展要求，为研制一种高精度气密 自动检测系统提供了可能性。本研究通过分析比较常用的几种检测实现方法，选 择f p g a 芯片来实现任务要求，以一种新的途径、新的办法来开展研究，尽可能地 提高测试系统的准确性。因此，本课题的研究具有极高的实用价值。 1 3 气密性检测国内外研究状况 过去，生产厂家大多采用湿式检测法，比如，玻璃u 管法和水没法，即“水 检法。这种方法虽然不需要操作人员有较高的技术，不需要配备特殊设备，但 由于人的主观性因素的影响，很容易产生误判，而且浸水后还需对工件进行处理， 既增加了工人的工作强度，也增加了测量所需的费用。2 0 世纪7 0 年代中后期， 一些发达国家为了克服“水检的弊端，开始研究新工艺、新设备以代替“水检 。 9 0 年代初，逐渐成熟的干式检漏法代替了传统的湿式检测法【l 酬。 干式检漏法一般采用空气作为检测介质；也可以采用其它气体如氦气进行检 测。氦气泄漏检测法具有很高的精度，可达到1 0 一p am l s 。对气密性检测要求很 高的工件，这种方法是非常适合的。但这种检测方法除设备投入大外，运行检测 的费用也很高，而且，当容器体内残留的氦气除不尽时，在一定程度上会影响检 测的精度，所以目前工业上已很少采用氦气检测法。 干式检漏法清洁、无污染，而且简单易行，给实际生产生活带来了极大的方 便，所以得到了广泛的应用。干式检漏法是根据气体的泄漏将引起被测件内气体 质量减少，这样必然引起被测件内气体的一些参数发生变化，从而根据这些参数 的变化判断出泄漏量。 测量技术水平的提高对产品质量的提高有很大的促进作用，不仅提高了工作 效率，而且节省了大量的人力和物力，在保证产品品质方面有了质的飞跃。国外 的一些厂家在技术上较为成熟，这些厂家的系列产品将系统误差的自我校正、采 样数据的合理性处理与检测手段等方面有机结合起来，大大提高了产品的准确性 u 7 1 堪j 。比如，法国a t e q 公司的a t e q d 2 p 产品，是应用广泛的层流管式连续流 2 1 绪论 量泄漏检测仪，其产品使用的差压传感器、压力传感器都具有零点漂移自动补偿 的功能，从而提高了测试的准确性。还有日本c o s m o 公司的产品l s 1 8 4 2 ，其 检测产品具备了标准品自动取样修正和标准品误差修正功能，可以修正由于周围 温度变化引起的测试误差。此类泄漏测试产品不仅可以判断产品合格与否，也能 检测出被测产品的泄漏量。 我国的大多数检测泄漏的产品还比较落后，但随着工业技术的发展，我国的 泄漏测试技术也得到了飞速进步。其中，广州科腾公司在技术上具有一定的优势， 其部分产品的检测无需平衡段，从而提高了检测速度，适合企业高效率的生产节 拍。在检测方法上也有新的突破，一些产品可以测量与被测容器的容积大小无关 的泄漏。如合肥智能机械研究所开发的产品也具有较强的优势，其产品结合模糊 检测和人工智能信息处理方法，使测试结果更加准确。 1 4 研究的目的及主要内容 1 4 1 研究的目的 本文研究的主要目的在于泄漏量的测量和测试准确度的提升，最终使开发出 的泄漏测试系统不仅具有环境适应性强、检测速度快、性价比高、使用方便等特 点，而且使测量的结果更准确、更可靠。 1 4 2 研究的主要内容 本课题“基于f p g a 的气体微量泄漏的恒压检测方法研究”是对传统气体测 漏方法的一种改进和新的尝试，其主要内容有以下几点： 检漏原理和检漏方案的选择。比较现有的各种气密检测方法，总结其优点 和缺点，选择合适的方案并且做出改进，达到准确、可靠地判断泄漏量，提高系 统的测试精度。 检漏系统总体方案的设计和论证，器件的选型。 采用f p g a 作为控制核心，通过容器间的差压传感器输出的电压信号对步 进电机的控制。 f p g a 整个定制功能电路的设计和v h d l 代码的编写。 1 5 论文内容安排 论文各章节的安排如下： 1 、第一章绪论，介绍课题的背景和意义，对泄漏测试的国内外研究现状进 行概括，从而明确论文的主要研究内容。 2 、第二章简要介绍几种常用检测泄露的方法，在介绍差压检测的基础上重点 介绍恒压检测的方法；提出本课题的总体设计构想，最后给出了整个系统的整体 重庆大学硕士学位论文 工作模型。 3 、第三章介绍气体微量泄漏的恒压检测实现及其相关技术，包括f p g a 的原 理及应用开发流程，f p g a 的原理及其开发流程，n i o s 软核处理器的相关技术； 介绍步进电机控制原理，步进电机的分类，以及本文涉及的二相混合式步进电机 相关介绍。 4 、第四章详细介绍系统硬件的总体设计方案，分模块介绍硬件电路的功能、 工作原理、器件的选取及实现方法等；给出电路图解，并对各个功能块的设计及 其仿真测试进行详细的分析。 5 、第五章介绍系统软件设计的实现，采用模块化的设计思想将系统的软件进 行功能块的划分，并给出软件设计流程图。 6 、第六章总结与展望，对本文提出的气体微量泄露检测系统和实验结果以及 性能做出总结，展望该系统未来可能的发展方向。 1 6 本章小结 本章介绍了课题的背景和意义，概述了泄漏测试的国内外研究现状，从而明 确了论文的主要研究内容。 4 2 气体微鼍泄露的恒压检测系统总体方案设计 2 气体微量泄漏的恒压检测系统总体方案设计 2 1 气密性检测方法简介 气密性检测常用的测试方法主要有：水检法、流量测量法、直接压力法、差 压法、氦气测量法、超声波测量法等等【1 9 】【2 0 】。在这几种方法中，水检法和氦气法 属于直接测量法，即直接测量泄漏量的大小来测定。而其他几种属于间接测量法。 压力、差压和流量测量法是利用气体流量公式，通过检测相关参数来检测气体的 泄漏。对于相关参数的选取，对检测泄漏的精度有很大的影响。对于超声波法， 是从物理特性出发，定性的测试泄漏的产生。 1 水检法 传统的测漏方法主要是水检法。水检法是指将被测容器密封后放入水中，然 后观察气泡的产生情况来判断泄漏量的大小的方法。为了能够使测量更加明显， 一般会向被测容器内充入一定压力的气体。这种方法可以检测出部件的具体泄漏 位置，而且操作简单，不需要较强的技术。但是，气泡法测量的结果受人为因素 影响比较大，不同的测量者测量出的结果会存在着差异。对于一些电子元件或一 些被测元件体积太大，或太小的，不适于采用气泡法测量。 2 流量测试法 因泄漏量与流量相同，因此可以利用微小流量测试仪对被测物加压从而测出 被测元件的泄漏量。 目前使用的流量传感器主要有层流管式、节流式、容积式、涡流式、动量式、 电磁式、热式、多相流式等许多种。由于这种测试方法测量的流量的大小与喷管 界面积成正比的。如果要求精度很高，必然要求测量的喷管小，而且泄漏小时， 气阻将变得很大，测试时间就会很长。因此，这种测试方法比较适合测量大泄漏 的场合。 3 直接压力测试法 直接压力测试法，是向被测容器内充入一定压力的气体，如果容器存在泄漏现 象，则经过一段时间后压力就会下降。根据测试f j 后的压力变化的大小，来判断 工件是否有泄漏，从而计算出泄漏量的大小。此方法由于受压力传感器精度的限 制，只能用在精度要求不高的场合。其优点是操作简单、成本低、测试快速等等。 4 差压测试法 差压法是同时向两个相同的容器内充入一定压力的气体，两个容器中一个为 标准件即无泄漏件，当被测件有泄漏，通过容器间的差压传感器测出泄漏被测件 与标准件之间的压力差，从而计算出泄漏量【1 7 】【2 1 1 【2 2 1 。在差压测试法中，由于被测 5 重庆人学硕士学位论文 件和标准件的结构完全相同，在测试过程中的各种误差因素，如绝热因素影响， 温度及汽化、蒸化的影响等都可以不予考虑，而且差压传感器的精度又比较高， 从而可以精确地检测出微小的泄漏。 5 氦气测试法 氦气测试法其原理是：把被测元件置入密闭容器内，向被测量内充入定压 力的氦气，如果被侧元件出现泄漏，氦气将泄漏到密闭容器内，通过测量密闭容 器内的氦气量来测量被测元件的泄漏量。这种方法精度比较高，一般用在高精度 场合。其缺点是：花费昂贵，而且测量消耗较大，在测量后，如果氦气不能清理 干净，将严重影响下一次测量的结果而且氦气的随意排放还会造成对环境的污染。 因此，一般不采用此种方法。 6 超声波测试法 超声波测试法其原理是：向被测容器内充入一定压力的气体，其内部压强大 于外部压强时，由于内外差压较大，一旦容器有泄漏，气体就会从漏孔冲出。当 漏孔尺寸较小且雷诺数较高时，冲出气体就会形成湍流，湍流在漏孔附近会产生 一定频率的声波，声波振动的频率与漏孔尺寸有关。根据此原理，就可以通过测 量声波的频率间接测量出泄漏。 除上述几种方法以外，还有用放射性元素作为测量介质的测量方法等等。 2 2 差压检测工作原理 差压泄漏检测采用高精度的差压传感器，测试标准件与被测件的压力差。测 试时，标准件和被测件同时充入相同压力的空气，先使整个气路系统达到平衡。如 果被测件有泄漏，则平衡被打破，由差压传感器检测出两端因泄漏而产生的压差。 根据理想气体状态平衡方程可推出泄漏率和压差之问的关系公式1 2 3 】： q = a p v 。p 口f m f 。 其中，q 为标准大气压下的泄露率 舯为在测试时间内被测工件因泄露产生的压力下降值 矿，为被测工件的有效容积 尸咖为标准大气压( 尸砌= 1 0 1 3 m b a r = 1 0 5 p a = 1 0 4 m m h 2 0 ) f 。为测量时间 差压泄漏检测过程大致分为充气、平衡、测量、排气四个阶段。充气阶段： 阀1 、阀2 都打开，气源充至规定压力；平衡阶段：阀l 关闭，阀2 打开，这一阶 段提供气体稳定和热交换时间，使充气阶段的波动平稳下来。平衡阶段结束时， 标准件和被测件内压力值相等；测量阶段：阀1 和阀2 都关闭，若工件有泄漏， 则其内的压力降低，产生的压差可有差压传感器测得，压差的值超过规定的门槛 6 2 气体微量泄露的恒乐检测系统总体方案设计 值，工件就不合格，由压差的值可以求得泄漏率；排气阶段：把工件中的气体排 入大气，常用松堵工件来排气。差压检测原理图如图2 1 所示。 泐f i 式压力 图2 1 差压检测原理 f i g 2 1d i f f e r e n t i a lp r e s s u r ed e t e c t i o np r i n c i p l e 在一个完整的检测周期内，压力、温度和时间的大致关系见图2 2 ，由于标准 件和被测工件材料导热、有效传热面积、内容积的影响，二者的温度变化不一定 相同，引起二者的压力变化也会不同，须将由温度影响引起的压差变化从实际测 试结果中除去，由温度引起的压差变化关系式【2 4 1 ： 丁 a p f = p 0 t o 其中，凡为基准物和被测物的初始平衡压力 丁为测试终止时基准物和被测物的温度差 丁。为基准物和被测物的初始温度 p t i i ，忙裂 l l 、 ； 小一温度毗 & 厂| 充气j 平 野 一 测量排气 t 一 一! 一 总植直则日= 搁一 图2 2 乐力、温度随时间变化曲线 f i g 2 2v a r i a t i o nc u r v eo fp r e s s u r ea n dt e m p e r a t u r ev e r s u st i m e 2 3 恒压检测工作原理 使用差压测试方法进行泄漏测试容易出现一个问题：当工件发生泄漏后，工 件中的气体压力会随之下降；泄漏越多，压力下降也越大。也就是说，在整个测 试过程中，工件内的气体压力并不恒定。而在美国、德国等发达国家，其汽车行 7 重庆人学硕十学位论文 业制定的测试标准是要求在规定的压力下测试工件的泄漏量，即测试过程要恒压。 显然，差压式检测方法不符合这种标准要求，得到的数据是不可靠的。为此，我 们在“差压式检测”的基础上，采用“恒压式检测来确定测试工件的泄漏量。 l 硅油2 活塞 4 卜步迸电机4 滚珠丝杆 图2 3 补偿原理 f i g 2 3c o m p e n s a t i o np r i n c i p l e 为了使工件内气体压力保持不变，必须在测试过程中对气体发生泄漏后的压 力进行补偿。泄漏多少，补偿多少，使泄漏量与补偿量相等，以保持工件容积内 气体压力不变。图2 3 是补偿原理示意图。当电磁阀d z 通电后，待测工件、活塞 左端以及气道组成待测空间，当然气道与活塞左端的容积和密封性不致于影响测 试精度。当工件发生泄漏时，压差传感器有相应的偏差信号输出，通过这个信号 可控制步进电机驱动活塞向左运动，以补偿泄漏的气体体积，使整个待测容积内 气体压力与标准容器气体压力相等，使压差传感器输出的偏差信号为零。这个补 偿过程是连续进行的，活塞的运动须跟踪泄漏的速率，即泄漏越快，补偿也越快， 但不能有超调。显然，只要合理地选择控制方案和调整系统参数，即可跟踪泄漏 速率，使测试过程中、工件容积内气体压力不变，满足恒压检测的工艺要求。同 时，根据活塞运动行程z ，活塞内径d ，换算出所补偿的空气体积，也就是泄漏量 l ： 三：够州 基于上述分析，得知恒压检测可解决检测受环境温度、湿度变化影响的问题。 因检测过程中两端的外部环境状态完全一样，所以这种测试方法可以消除温度、震 动等环境因素的影响，测试精度高，抗干扰能力强，且具有以下优点：( 1 ) 基于 差压法的气密性恒压测试系统更适用于低压、小容积的微小泄漏的检测；( 2 ) 通 过对差压的间接测量也可以定量的判断泄漏的程度；( 3 ) 在恒定压力下检测，对 提高系统的测试准确度是有效的；( 4 ) 具有价格低、测试精度高、操作简单等特 8 2 气体微餐泄露的恒压检测系统总体方案设计 点。 2 4 气体微量泄漏的恒压检测的功能及需求分析 根据上述对各种检测方法的分析和恒压检测原理的分析可知，要实现气体微 量泄漏的检测，其最佳方法是采用恒压检测技术。气体微量泄漏的恒压检测实现 的功能有：实现对密封容器微量泄露的自动检测和泄露气体自动补偿，准确可靠 地判断泄漏量，提高系统的测试精度。 要实现以上功能，系统应具有检测控制、人机界面控制、数据处理、自动补 偿控制等功能部件，各个部件的作用如下： 1 检测控制 该部分为整个系统的控制核心，其主要功能是通过f p g a 来控制各个阀门的开 关进而完成恒压测漏，同时利用传感器压差信号转变成电压信号，再由f p g a 控制 a d 转换得到数字量，进一步通过运算处理得到其泄漏量，进而完成一次完整的检 测。 2 人机界面控制 传统的检测手段都是由人来做判断，容易产生误判。该系统加入液晶显示和 按键输入模块，使得输入和输出变得直观且操作简单。 3 数据处理 数据处理算法目的是把压差传感器测出的压差信号经特定运算公式转化成气 体泄漏量和电机补偿的步进数。 4 自动补偿控制 控制步进电机驱动活塞向左运动，以补偿泄漏的气体体积，使整个待测容积 内气体压力与标准容器气体压力相等，使压差传感器输出的偏差信号为零。这个 补偿过程是连续进行的，活塞的运动须跟踪泄漏的速率，即泄漏越快，补偿也越 快。 2 5 系统总体结构设计 2 5 1 系统总体框图 整个气体微量泄露恒压检测系统的总体结构框图( 图2 4 ) 所示，其主要由以下 几部分组成部分： 气动组件； 检测部分； 控制部分； 人机界面； 9 重庆大学硕士学位论文 自动补偿机构。 以上各部分组成一个完善的装置，可以用于工厂生产线。但对于不同工件有 所差别，检测的步骤、实法也会有细小的差异，可根据具体工件的不同要求对相 关设备及系统的运作过程进行增减和更改。 图2 4 系统总体：框图 f i g 2 4t o t a lf r a m eo fs y s t e m 2 5 2 系统总体工作模型 根据微量泄漏的恒压检测的功能及需求分析，结合实际应用的需要，本文设 计了气体微量泄漏的恒压检测总体工作模型示意图( 如图2 4 所示) 。整个测试过 程包括充气、平衡、检测、排气四个环节，具体过程如下； 充气环节 充气一：打开气控阀y 1 、y 5 ，测试压缩空气通过y 1 、y 5 充入标准件和测试件 内。 充气二：关闭阀y 1 ，打开阀y 2 、y 3 、y 4 ，使测试压缩空气通过电气比例阀b y 对标准件与测试件充气。经过反复实验比较所得的结果，此阶段充气压力应在 3 8 , - 一1 2 k p a 之间，这是因为若是压力太大会使系统在平衡阶段需要更长的时间，同 时会产生较大的温度升高而影响测试精度而若压力太小则在测试泄漏时，漏出的 1 0 2 气体微量泄露的恒乐检测系统总体方案设计 气体也会较少，压降不明显：当泄漏较小时，系统无法检测出泄漏，从而使系统测试 精度降低。 平衡环节 在平衡环节，阀门y 2 关闭，切断气源，等待测试件和标准件内的空气趋于稳定。 这个环节有两个作用：1 ) 使得标准件和测试件内的压力与温度状态完全一致，从 而在检测环节才能准确判断因泄漏而在标准件和测试件内产生的压力差；2 ) 对系 统囚充气而引起的温度升高而产生的误差经过此环节后有一定的补偿作用。 在该环节还要判断是否存在大泄漏。当测试件存在大泄漏时系统报警，并直接 进入排气环节：若没有大泄漏，则继续进行下一环节检测坏节。 活塞 图2 5 系统总体t 作模型示意图 f i g 2 5s c h e m a t i cd i a g r a mo fo v e r a l ls y s t e mw o r k i n gm o d e l 检测环节 在检测环节中做出有无微小泄漏的判断。检测环节开始时差压信号回零，并 开始检测泄漏引起的差压变化。当电磁阀y 6 通电后，待测工件、活塞左端以及气 道组成待测空间，当然气道与活塞左端的容积和密封性不致于影响测试精度。当 重庆人学硕士学位论文 工件发生泄漏时，压差传感器有相应的偏差信号输出，通过这个信号可控制步进 电机驱动活塞向右运动，以补偿泄漏的气体体积，使整个待测容积内气体压力与 标准容器气体压力相等，使压差传感器输出的偏差信号为零。这个补偿过程是连 续进行的，活塞的运动须跟踪泄漏的速率，即泄漏越快，补偿也越快，但不能有 超调。根据采集的压差信号进行数据处理，从而作出待测件合格或不合格的判断。 排气环节 在排气环节，阀门y 7 打开，进入排气环节的瞬间，输出合格不合格判定信号， 显示泄漏量或压差，同时将检漏仪内部以及测试件和标准件内的空气排放到大气 中。当实际泄漏量大于设定泄漏标准时，判定为不合格，否则判定为合格。 2 6 本章小结 本章首先简要介绍几种常用检测泄露的方法，然后重点介绍差压检测的基本 原理，结合差压检测提出恒压检测的方法，从而实现微量气体泄漏的检测；最后 通过公式推导，得出了恒压测试法的泄漏量的计算方法，最后给出了系统总体结 构图，并对系统总体工作模型进行了分析。 1 2 3 气体微量泄漏的恒压检测实现及其相关技术 3 气体微量泄漏的恒压检测实现及其相关技术 气体微量泄漏的恒压检测系统是一个多任务处理系统，其核心是选取合适的 控制器，控制器设计的主要任务在主控芯片的选取。从实现角度考虑，p l c 、d s p 、 a r m 、单片机、f p g a 等都能实现。由于f p g a 是并行处理，能快速准确的做出控 制，实时性非常高。因此采用f p g a ( 现场可编程门阵列) 为系统目标器件，以v h d l 设计方法为目标系统逻辑设计的基本方法，采用a l t e r a 公司c y c l o n e i i 系列的 e p 2 c 3 5 f 6 7 2 c 6 为控制核心来设计实现前面所述的气体微量泄露的检测。 3 1f p g a 技术介绍 3 1 1f p g a 简介 f p g a 是英文f i e l d - - p r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y 的缩写，即现场可编程门阵列， 它是在p a l 、g a l 、c p l d 等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为 专用集成电路( a s i c ) 领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的 不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。f p g a 采用了逻辑单元阵 列l c a ( l o g i cc e l la r r a y ) 这样一个概念，内部包括可配置逻辑模块c l b ( c o n f i g u r a b l el o g i cb l o c k ) 、输出输入模块i o b ( i n p u to u t p u tb l o c k ) 和内部连 线( i n t e r c o n n e c t ) 三个部分。f p g a 的基本特点主要有： 采用f p g a 设计a s i c 电路，用户不需要投片生产，就能得到合用的芯片。 ( 室) f p g a 可做其它全定制或半定制a s i c 电路的中试样片。 ( ) f p g a 内部有丰富的触发器和i o 引脚。 ( 至) f p g a 是a s i c 电路中设计周期最短、开发费用最低、风险最小的器件之一。 ( 鸯) f p g a 采用高速c h m o s 工艺，功耗低，可以与c m o s 、t t l 电平兼容。 可以说，f p g a 芯片是小批量系统提高系统集成度、可靠性的最佳选择之一。 3 1 2f p g a 原理 f p g a 采用了逻辑单元阵列l c a ( l o g i cc e l la r r a y ) 这样一个概念，内部包 括可配置逻辑模块c l b ( c o n f i g u r a b l el o g i cb l o c k ) 、输出输入模块i o b ( i n p u t o u t p u tb l o c k ) 和内部连线( i n t e r c o n n e c t ) 三个部分。 现场可编程门阵歹l j ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a yf p g a ) 的电路结构是由若干 独立的可编程逻辑模块组成，用户可以通过编程将这些模块连接成所需要设计的 数字系统。基十查找表( l o o k u p t a b l e ，l u t ) 的f p g a 结构为现在主流的f p g a 结 构。f p g a 结构一般由二个部分组成：可配置逻辑功能模块( c o n f i g u r a b l e l o g i c b l o c k s ，c l b ) 、输入输出模块( i n p u t o u t p u tb l o c k s ，i o b ) 、可编程i 匀部互连资源 重庆人学硕士学位论文 ( p r o g r a m m a b l e i n t e r c o n n e c t i o n ，v i ) 。查找表l u t 本质上就是一个r a m 。目前f p g a 中多使用4 输入的l u t ，所以每一个l u t 可以看成一个有4 位地址线1 6 1 的r a m 。 当用户通过原理图或h d l 语言描述了一个逻辑电路以后，p l d f p g a 开发软件会 自动计算逻辑电路的所有可能的结果，并把结果事先写入r a m 。这样，每输入一 个信号进行逻辑运算就等十输入一个地址进行查表，找出地址对应的内容，然后 输出即可。 3 1 3f p g a 的开发流程 完整的f p g a c p l d 的设计流程包括电路设计与输入、功能仿真、综合、综合 后仿真、实现、布线后仿真写验证、板级仿真与调试等主要步骤，如图3 1 所示2 5 1 。 电路的设计与输入 电路的设计与输入是指通过某些规范的描述方法将工程师的电路构思输入给 e d a 工具一般的设计输入方法有：硬件描述语言( ( h d l ) 、原理图设计输入法、波型 输入