現(xiàn)代化生產(chǎn)的不斷進(jìn)步，對檢測手段提出了越來越高的要求，氣密性檢測作為檢測方式的一種，在保證產(chǎn)品質(zhì)量等方面起著越來越重要的作用。對嚴(yán)格要求密封性的產(chǎn)品來說，如果在使用過程中發(fā)生泄漏且泄漏量超過了允許范圍，將直接影響產(chǎn)品的可靠性、經(jīng)濟(jì)性等，還可能引起火災(zāi)、爆炸、有害氣體溢出等嚴(yán)重后果，引發(fā)不可挽回的損失[1]。如何快速高精度地檢測泄漏量，一直是相關(guān)企業(yè)關(guān)注且急待解決的問題。國內(nèi)現(xiàn)有且常用的氣密性檢測方法主要有以下幾種[2]：水檢法、流量測量法、氦氣法、直壓式檢測法及差壓式檢測法等。由于差壓式檢測法檢測速度快且精度高，在此采用差壓式檢測法，并結(jié)合嵌入式開發(fā)平臺設(shè)計了一款輕巧可攜帶的氣密性檢測儀。

1 檢測原理與系統(tǒng)氣路實現(xiàn)
    差壓式檢測儀的基本檢測原理與化學(xué)實驗中所用的天平如出一轍。在該檢測方法中引入了一個標(biāo)準(zhǔn)的對比器件，使用精密對稱的檢測氣路進(jìn)行測量。在檢測過程中，通過對稱氣路同時向兩個器件內(nèi)充入一定壓力的氣體。當(dāng)被檢測器件出現(xiàn)泄漏時，兩個器件間的差壓傳感器就能夠檢測出被測器件與標(biāo)準(zhǔn)器件之間的壓力差值，之后經(jīng)過一定的數(shù)據(jù)處理，計算出泄漏量。
    為計算泄漏量，根據(jù)玻意耳—馬略特定律可知，被測器件內(nèi)的氣壓值的變化為[2]：
    

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計
　    系統(tǒng)主要由中央處理模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、信號調(diào)理模塊、電磁閥控制和聲光報警模塊、電源模塊和人機(jī)交互等模塊構(gòu)成。氣密性檢測儀的硬件設(shè)計框圖如圖2所示。

2.1 中央處理模塊
    該部分為整個系統(tǒng)的控制中心，其主要功能是通過ARM9主控制器實現(xiàn)對各個閥門的開關(guān)控制，同時利用傳感器將系統(tǒng)各個階段的氣壓信號、溫度信號等轉(zhuǎn)變成電壓信號，再由ARM9主控器通過A/D接口完成信息的采集，并完成最后的數(shù)據(jù)處理，進(jìn)而實現(xiàn)一次完整的差壓式氣密性檢測。本系統(tǒng)ARM9主控制器采用三星公司開發(fā)的S3C2440為主處理器。S3C2440微處理器為手持?jǐn)?shù)碼設(shè)備和一般類型應(yīng)用提供了低功耗、低價格、高性能微控制器的解決方案。S3C2440集成了豐富的內(nèi)部設(shè)備，從而降低了整體系統(tǒng)成本。S3C2440基于ARM920T內(nèi)核,采用了新的總線架構(gòu)AMBA(Advanced Micro controller Bus Architecture),實現(xiàn)了AMBA BUS、MMU和Harvard高速緩沖體系結(jié)構(gòu)，這一架構(gòu)具有獨立的16 KB數(shù)據(jù)cache和16 KB指令cache。
2.2 數(shù)據(jù)采集模塊
    該部分主要負(fù)責(zé)各種環(huán)境變量的采集工作，包括標(biāo)準(zhǔn)器件和被測器件之間的差壓值、被測器件的絕對氣壓值和外部的環(huán)境溫度值等。
　 選用SM5651/SM5652系列微壓量程是0.15 psi的SM5651微差壓壓力傳感器來檢測標(biāo)準(zhǔn)器件與被測器件之間的氣壓差值。它具有如下特性[3]：信號輸出與差壓值成正比，在滿量程輸出時最大可達(dá)到75 mV；芯片的遲滯性為±0.65%FS，線性度為±2.5%FS，靈敏度匹配性為±5.0%FS；采用恒流源激勵，溫度補(bǔ)償范圍在0~60°，跨度校準(zhǔn)正高達(dá)2%，有零點校準(zhǔn)及溫度補(bǔ)償。
　  被測器件的絕對氣壓值是需要測量的另一個重要參量，在此選用NovaSensor的NPI系列量程是15 psi的NPI-19型壓力傳感器。它具有如下特性：固態(tài)傳感器的高可靠性；信號輸出與氣壓值成正比，在滿量程輸出時最大可達(dá)到100 mV;具有1.0 mA激勵電流下100 mV FSO的高靈敏度,典型線性度為0.1%FS,典型的熱準(zhǔn)確度為0.2%FSO；采用1mA的恒流源激勵，溫度補(bǔ)償范圍在0~70°，有零點校準(zhǔn)及溫度補(bǔ)償。
    此外，由于微小的環(huán)境溫度變化也會影響到測試系統(tǒng)的差壓值的絕對值，所以需對外部環(huán)境溫度進(jìn)行實時的檢測。本系統(tǒng)選用了DS18B20溫度傳感器，主要是因其具有成本低、外圍電路簡單和調(diào)試維護(hù)方便的特點。DS18B20連入ARM9主控器的通用I/O端口GPF0， ARM9主控制器可直接控制DS18B20進(jìn)行溫度采集。
2.3 信號調(diào)理模塊
    標(biāo)準(zhǔn)器件和被測器件之間的氣壓差信號經(jīng)過微差壓傳感器SM5651采集以及被測器件的絕壓信號經(jīng)過NPI-19型壓力傳感器后采集得到的微弱的電流信號，都不適宜直接進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換處理，需要通過信號調(diào)理電路對其進(jìn)行放大，并把電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，才能提供給ARM主控制器的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路做進(jìn)一步的數(shù)據(jù)處理。由此，采用Analog Microelectronics GmbH（AMG）公司提供的電壓轉(zhuǎn)換集成電路AM401來實現(xiàn)信號的處理。AM401是一個帶有附加功能和電路保護(hù)功能的信號放大集成電路，具有極性保護(hù)和輸出短路保護(hù)功能，又可以輸出幾乎為零的零點信號。很少的外圍元器件使電路板的設(shè)計很快就可完成[4]。本系統(tǒng)的信號調(diào)理電路如圖3所示。

2.4 電磁閥控制和聲光報警模塊
    電磁閥控制部分的主要作用是通過控制電磁閥的自動開啟和關(guān)閉，從而控制氣流的通過和阻斷，實現(xiàn)測試過程的自動化，是控制系統(tǒng)檢測參數(shù)的重要組成部分[5]。聲光報警部分是用戶能夠準(zhǔn)確操作的重要保證。當(dāng)泄漏量超出設(shè)定的壓差閾值，ARM主控制器則會發(fā)送報警命令啟動聲光報警。
2.5 電源模塊和人機(jī)交互模塊
    差壓傳感器SM5651和絕壓傳感器NPI-19使用的是電流源，由信號調(diào)理電路中的AM401芯片提供，電流大小可以通過圖3中的電阻RSET和RISET調(diào)整。而AM401本身是+12 V電壓源供電,在電磁閥驅(qū)動電路中需要+24 V電壓源，ARM主控制器部分需要+5 V電壓源供電。因此，選用W7824、W7812及W7805電壓轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計+24 V、+12 V和+5 V電源模塊電路。
　系統(tǒng)采用液晶顯示與觸摸屏接口作為人機(jī)交互模塊，使得輸入和輸出操作簡單直觀。
3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計
   Linux是一個成熟而穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)，它的源代碼完全免費(fèi)開放，使系統(tǒng)的整體開發(fā)、維護(hù)費(fèi)用很低，因此選用嵌入式Linux作為ARM主控制器的操作系統(tǒng)。Linux同時又是一個可定制的操作系統(tǒng)，其內(nèi)核最小只有約134 KB，適合在嵌入式系統(tǒng)上運(yùn)行。
　 首先，搭建嵌入式開發(fā)平臺基本環(huán)境,主要包括Linux-2.6.32的裁剪與移植、根文件系統(tǒng)的制作、Qtopia2.2.0移植、觸摸屏驅(qū)動程序及嵌入式數(shù)據(jù)庫SQLite3的移植等。然后，編寫相關(guān)驅(qū)動程序，主要涉及到ADC驅(qū)動、LCD驅(qū)動以及DS18B20驅(qū)動程序。這部分是開發(fā)氣密性檢測儀平臺的基礎(chǔ)，為接下來的應(yīng)用程序開發(fā)做好了準(zhǔn)備。
4 應(yīng)用程序設(shè)計
    氣密性檢測儀的整體軟件流程圖如圖4所示。

    差壓式氣密性檢測儀的基本操作步驟主要包括充氣階段、平衡階段、檢測階段和放氣階段。在設(shè)計氣密性檢測儀時采集的信號有模擬信號（如壓差信號）和數(shù)字信號。對于采集到的數(shù)據(jù)，不但需要存儲到數(shù)據(jù)庫中，在LCD屏上顯示被測器件和標(biāo)準(zhǔn)器件之間在各個檢測時期的氣壓差值的實時數(shù)據(jù)曲線。而且，最終還要對數(shù)據(jù)進(jìn)行一定的加工處理，把處理后的判斷結(jié)果提供給用戶，為用戶提供寶貴意見。
4.1 人機(jī)交互界面設(shè)計
    Qt/Embedded是面向嵌入式系統(tǒng)的Qt版本。在宿主機(jī)上使用Qtopia2.2.0編寫人機(jī)交互界面，再將其移植到ARM9主控平臺上。
    氣密性檢測儀是精密儀器，盡管其操作簡單，但是非法的誤操作容易使傳感器的檢測精度受到影響，甚至直接損壞傳感器。因此，系統(tǒng)設(shè)計了登錄界面，主要是對檢測儀的使用權(quán)限進(jìn)行管理。當(dāng)系統(tǒng)驗證通過后就可以自動跳轉(zhuǎn)到檢測儀的參數(shù)設(shè)置界面。在氣密性檢測儀的工作過程中，如果把標(biāo)準(zhǔn)器件和被檢測器件之間的氣壓微差壓值變化用數(shù)據(jù)曲線的形式表現(xiàn)出來，就更進(jìn)一步加強(qiáng)了氣密性檢測的準(zhǔn)確度，給用戶提供了更加直觀有效的數(shù)據(jù)形式。因此，設(shè)計的人機(jī)交互界面共分為4個子界面，它們分別是：登錄界面、參數(shù)設(shè)置界面、實時曲線顯示界面及最終結(jié)果顯示界面。
4.2 數(shù)據(jù)處理
    針對被測器件是否滿足氣密性要求、是否可用，需要把檢測到的各種數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總處理。該數(shù)據(jù)處理過程采用模糊綜合評判方法實現(xiàn)。模糊綜合評判方法是以模糊數(shù)學(xué)理論為基礎(chǔ)，是對具有多種屬性的事物整體優(yōu)劣進(jìn)行評判，或者說某事物總體優(yōu)劣受多種因素影響，難以直接用準(zhǔn)確的定性語言進(jìn)行評估時，可以考慮一種能合理地綜合這些屬性或因素的整體評判方法。
　在系統(tǒng)調(diào)試過程中，選擇0.06 MPa氣壓的空氣作為檢測介質(zhì)，4 L的潛水泵氣囊作為密封容器并對其進(jìn)行氣密性能檢測。測試結(jié)果如表1所示。

4.3 數(shù)據(jù)庫的設(shè)計
    由于每次測量系統(tǒng)都記錄了大量的數(shù)據(jù)，如差壓壓力值、環(huán)境溫度值及檢測結(jié)果等，這些數(shù)據(jù)都可以保存到數(shù)據(jù)庫SQLite3中，方便用戶日后使用。數(shù)據(jù)庫SQLite3功能強(qiáng)大、接口簡單、體積小、速度快。本系統(tǒng)采用的數(shù)據(jù)庫版本是sqlite-3.5.9。首先建立1個名為chen.db的SQLite數(shù)據(jù)庫，在該數(shù)據(jù)庫中有5個數(shù)據(jù)表：1個user表，用來存儲該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理者信息，保證系統(tǒng)的安全性；1個parameter表,用來存儲檢測參數(shù)信息；1個pressdate表，用來存儲采集到的氣壓信息；1個pressdif表，用來存儲采集的壓差信息；1個temperature表，用來存儲溫度信息。這些存儲的數(shù)據(jù)不僅提供給ARM9主控制器做后續(xù)的數(shù)據(jù)處理，還可以提供給用戶做數(shù)據(jù)考察和總結(jié)使用。
5 系統(tǒng)測試與性能分析
    為驗證整個系統(tǒng)的正確性，采用白盒測試和黑盒測試兩者相結(jié)合的方式進(jìn)行儀器性能的測試，以驗證整個系統(tǒng)的正確性。首先是驗證系統(tǒng)各部分單獨工作是否正常，包括信號調(diào)理、ADC、數(shù)據(jù)庫SQLite3數(shù)據(jù)存儲以及最終波形顯示等部分，其次驗證系統(tǒng)在整體工作時的性能。測試結(jié)果表明，本系統(tǒng)設(shè)計的便攜差壓式氣密性檢測儀操作簡單、穩(wěn)定性好、精度高，通過ARM硬件平臺和Linux操作系統(tǒng)的結(jié)合控制，提高了檢測速度，同時達(dá)到了便攜性的要求、小巧實用，具有廣闊的應(yīng)用前景。
參考文獻(xiàn)
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