現(xiàn)代化生產(chǎn)的不斷進(jìn)步，對(duì)檢測(cè)手段提出了越來(lái)越高的要求，氣密性檢測(cè)作為檢測(cè)方式的一種，在保證產(chǎn)品質(zhì)量等方面起著越來(lái)越重要的作用。對(duì)嚴(yán)格要求密封性的產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，如果在使用過(guò)程中發(fā)生泄漏且泄漏量超過(guò)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(cè)泄漏量，一直是相關(guān)企業(yè)關(guān)注且急待解決的問(wèn)題。國(guó)內(nèi)現(xiàn)有且常用的氣密性檢測(cè)方法主要有以下幾種[2]：水檢法、流量測(cè)量法、氦氣法、直壓式檢測(cè)法及差壓式檢測(cè)法等。由于差壓式檢測(cè)法檢測(cè)速度快且精度高，在此采用差壓式檢測(cè)法，并結(jié)合嵌入式開(kāi)發(fā)平臺(tái)設(shè)計(jì)了一款輕巧可攜帶的氣密性檢測(cè)儀。

1 檢測(cè)原理與系統(tǒng)氣路實(shí)現(xiàn)
    差壓式檢測(cè)儀的基本檢測(cè)原理與化學(xué)實(shí)驗(yàn)中所用的天平如出一轍。在該檢測(cè)方法中引入了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的對(duì)比器件，使用精密對(duì)稱的檢測(cè)氣路進(jìn)行測(cè)量。在檢測(cè)過(guò)程中，通過(guò)對(duì)稱氣路同時(shí)向兩個(gè)器件內(nèi)充入一定壓力的氣體。當(dāng)被檢測(cè)器件出現(xiàn)泄漏時(shí)，兩個(gè)器件間的差壓傳感器就能夠檢測(cè)出被測(cè)器件與標(biāo)準(zhǔn)器件之間的壓力差值，之后經(jīng)過(guò)一定的數(shù)據(jù)處理，計(jì)算出泄漏量。
    為計(jì)算泄漏量，根據(jù)玻意耳—馬略特定律可知，被測(cè)器件內(nèi)的氣壓值的變化為[2]：
    

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

2.1 中央處理模塊
    該部分為整個(gè)系統(tǒng)的控制中心，其主要功能是通過(guò)ARM9主控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)閥門(mén)的開(kāi)關(guān)控制，同時(shí)利用傳感器將系統(tǒng)各個(gè)階段的氣壓信號(hào)、溫度信號(hào)等轉(zhuǎn)變成電壓信號(hào)，再由ARM9主控器通過(guò)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(shí)現(xiàn)一次完整的差壓式氣密性檢測(cè)。本系統(tǒng)ARM9主控制器采用三星公司開(kāi)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(jià)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(shí)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(dú)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(cè)器件之間的差壓值、被測(cè)器件的絕對(duì)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(lái)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)器件與被測(cè)器件之間的氣壓差值。它具有如下特性[3]：信號(hào)輸出與差壓值成正比，在滿量程輸出時(shí)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(lì)，溫度補(bǔ)償范圍在0~60°，跨度校準(zhǔn)正高達(dá)2%，有零點(diǎn)校準(zhǔn)及溫度補(bǔ)償。
　  被測(cè)器件的絕對(duì)氣壓值是需要測(cè)量的另一個(gè)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(hào)輸出與氣壓值成正比，在滿量程輸出時(shí)最大可達(dá)到100 mV;具有1.0 mA激勵(lì)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(lì)，溫度補(bǔ)償范圍在0~70°，有零點(diǎn)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(huì)影響到測(cè)試系統(tǒng)的差壓值的絕對(duì)值，所以需對(duì)外部環(huán)境溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)的檢測(cè)。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(jiǎn)單和調(diào)試維護(hù)方便的特點(diǎn)。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(hào)調(diào)理模塊
    標(biāo)準(zhǔn)器件和被測(cè)器件之間的氣壓差信號(hào)經(jīng)過(guò)微差壓傳感器SM5651采集以及被測(cè)器件的絕壓信號(hào)經(jīng)過(guò)NPI-19型壓力傳感器后采集得到的微弱的電流信號(hào)，都不適宜直接進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換處理，需要通過(guò)信號(hào)調(diào)理電路對(duì)其進(jìn)行放大，并把電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，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(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的處理。AM401是一個(gè)帶有附加功能和電路保護(hù)功能的信號(hào)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(diǎn)信號(hào)。很少的外圍元器件使電路板的設(shè)計(jì)很快就可完成[4]。本系統(tǒng)的信號(hào)調(diào)理電路如圖3所示。

2.4 電磁閥控制和聲光報(bào)警模塊
    電磁閥控制部分的主要作用是通過(guò)控制電磁閥的自動(dòng)開(kāi)啟和關(guān)閉，從而控制氣流的通過(guò)和阻斷，實(shí)現(xiàn)測(cè)試過(guò)程的自動(dòng)化，是控制系統(tǒng)檢測(cè)參數(shù)的重要組成部分[5]。聲光報(bào)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(huì)發(fā)送報(bào)警命令啟動(dòng)聲光報(bào)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(hào)調(diào)理電路中的AM401芯片提供，電流大小可以通過(guò)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(dòng)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(jì)+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(jiǎn)單直觀。
3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
   Linux是一個(gè)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(kāi)放，使系統(tǒng)的整體開(kāi)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(shí)又是一個(gè)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(kāi)發(fā)平臺(tái)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(dòng)程序及嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)SQLite3的移植等。然后，編寫(xiě)相關(guān)驅(qū)動(dòng)程序，主要涉及到ADC驅(qū)動(dòng)、LCD驅(qū)動(dòng)以及DS18B20驅(qū)動(dòng)程序。這部分是開(kāi)發(fā)氣密性檢測(cè)儀平臺(tái)的基礎(chǔ)，為接下來(lái)的應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)做好了準(zhǔn)備。
4 應(yīng)用程序設(shè)計(jì)
    氣密性檢測(cè)儀的整體軟件流程圖如圖4所示。

    差壓式氣密性檢測(cè)儀的基本操作步驟主要包括充氣階段、平衡階段、檢測(cè)階段和放氣階段。在設(shè)計(jì)氣密性檢測(cè)儀時(shí)采集的信號(hào)有模擬信號(hào)（如壓差信號(hào)）和數(shù)字信號(hào)。對(duì)于采集到的數(shù)據(jù)，不但需要存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中，在LCD屏上顯示被測(cè)器件和標(biāo)準(zhǔn)器件之間在各個(gè)檢測(cè)時(shí)期的氣壓差值的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)曲線。而且，最終還要對(duì)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(jiàn)。
4.1 人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)
    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(xiě)人機(jī)交互界面，再將其移植到ARM9主控平臺(tái)上。
    氣密性檢測(cè)儀是精密儀器，盡管其操作簡(jiǎn)單，但是非法的誤操作容易使傳感器的檢測(cè)精度受到影響，甚至直接損壞傳感器。因此，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了登錄界面，主要是對(duì)檢測(cè)儀的使用權(quán)限進(jìn)行管理。當(dāng)系統(tǒng)驗(yàn)證通過(guò)后就可以自動(dòng)跳轉(zhuǎn)到檢測(cè)儀的參數(shù)設(shè)置界面。在氣密性檢測(cè)儀的工作過(guò)程中，如果把標(biāo)準(zhǔn)器件和被檢測(cè)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(lái)，就更進(jìn)一步加強(qiáng)了氣密性檢測(cè)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(jì)的人機(jī)交互界面共分為4個(gè)子界面，它們分別是：登錄界面、參數(shù)設(shè)置界面、實(shí)時(shí)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(duì)被測(cè)器件是否滿足氣密性要求、是否可用，需要把檢測(cè)到的各種數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總處理。該數(shù)據(jù)處理過(guò)程采用模糊綜合評(píng)判方法實(shí)現(xiàn)。模糊綜合評(píng)判方法是以模糊數(shù)學(xué)理論為基礎(chǔ)，是對(duì)具有多種屬性的事物整體優(yōu)劣進(jìn)行評(píng)判，或者說(shuō)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(yǔ)言進(jìn)行評(píng)估時(shí)，可以考慮一種能合理地綜合這些屬性或因素的整體評(píng)判方法。
　在系統(tǒng)調(diào)試過(guò)程中，選擇0.06 MPa氣壓的空氣作為檢測(cè)介質(zhì)，4 L的潛水泵氣囊作為密封容器并對(duì)其進(jìn)行氣密性能檢測(cè)。測(cè)試結(jié)果如表1所示。

4.3 數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)
    由于每次測(cè)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(cè)結(jié)果等，這些數(shù)據(jù)都可以保存到數(shù)據(jù)庫(kù)SQLite3中，方便用戶日后使用。數(shù)據(jù)庫(kù)SQLite3功能強(qiáng)大、接口簡(jiǎn)單、體積小、速度快。本系統(tǒng)采用的數(shù)據(jù)庫(kù)版本是sqlite-3.5.9。首先建立1個(gè)名為chen.db的SQLite數(shù)據(jù)庫(kù)，在該數(shù)據(jù)庫(kù)中有5個(gè)數(shù)據(jù)表：1個(gè)user表，用來(lái)存儲(chǔ)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(gè)parameter表,用來(lái)存儲(chǔ)檢測(cè)參數(shù)信息；1個(gè)pressdate表，用來(lái)存儲(chǔ)采集到的氣壓信息；1個(gè)pressdif表，用來(lái)存儲(chǔ)采集的壓差信息；1個(gè)temperature表，用來(lái)存儲(chǔ)溫度信息。這些存儲(chǔ)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(cè)試與性能分析
    為驗(yàn)證整個(gè)系統(tǒng)的正確性，采用白盒測(cè)試和黑盒測(cè)試兩者相結(jié)合的方式進(jìn)行儀器性能的測(cè)試，以驗(yàn)證整個(gè)系統(tǒng)的正確性。首先是驗(yàn)證系統(tǒng)各部分單獨(dú)工作是否正常，包括信號(hào)調(diào)理、ADC、數(shù)據(jù)庫(kù)SQLite3數(shù)據(jù)存儲(chǔ)以及最終波形顯示等部分，其次驗(yàn)證系統(tǒng)在整體工作時(shí)的性能。測(cè)試結(jié)果表明，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的便攜差壓式氣密性檢測(cè)儀操作簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、精度高，通過(guò)ARM硬件平臺(tái)和Linux操作系統(tǒng)的結(jié)合控制，提高了檢測(cè)速度，同時(shí)達(dá)到了便攜性的要求、小巧實(shí)用，具有廣闊的應(yīng)用前景。
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