【正文】 面起著越來越重要的作用。特別是在汽車行業(yè)，能否保證汽缸的氣密性，直接影響著汽車的性能。隨著測漏技術(shù)的發(fā)展，氣體測漏儀的研究使測漏技術(shù)得到了更廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)的測漏方法操作不靈活，容易產(chǎn)生誤判，而且不利于數(shù)據(jù)的存儲分析。直壓式氣體測漏由于具有原理簡單、成本較低、方便實用、干凈無污染等優(yōu)點，在氣密性檢測領(lǐng)域受到廣泛的青睞。 本文設(shè)計了一種基于干式測漏法 (直接壓力測試法 )結(jié)合單片機技術(shù)的氣體測漏儀。利用高精度 A/D 對壓力和溫度信號進行檢測，通過 LCD 即時顯示采集的壓差數(shù)據(jù)，并提供了通訊接口，便 于數(shù)據(jù)儲存和分析?？朔藗鹘y(tǒng)方法易受主觀因素的影響等缺點，實現(xiàn)了氣密性檢測的自動化。論文首先闡述了課題的背景以及研究現(xiàn)狀，對各種氣密性檢測方法進行了比較。給出了系統(tǒng)的總體工作模型和總體框圖。并按模塊化的設(shè)計思想分別對系統(tǒng)的硬件電路和軟件程序進行了分析。硬件電路主要包括 :壓力信號采集電路、溫度信號采集電路、鍵盤及顯示電路、電磁閥驅(qū)動電路、電源電路和控制電路的設(shè)計和原理分析 。軟件設(shè)計主要包括 :主程序的實現(xiàn)、鍵值的輸出采集、液晶標(biāo)準(zhǔn)接口的讀寫、虛擬 I2C 總線的實現(xiàn)、零點漂移的克服以及自定義通訊協(xié)議的實現(xiàn)。同時，給 出了各程序模塊的設(shè)計思想和流程圖。最后根據(jù)實驗結(jié)果，對實驗數(shù)據(jù)進行分析，得出了系統(tǒng)的精度?？偨Y(jié)了本文的特點及不足，為快速性測量提供了現(xiàn)實依據(jù)。 關(guān)鍵詞 ： 測漏儀，單片機檢測，自動化，人機界面 1 緒論 現(xiàn)代生產(chǎn)技術(shù)的不斷進步，對檢測手段也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)量方面起著越來越重要的作用。特別是在汽車行業(yè)，能否保證氣缸的氣密性，直接影響著汽車的性能。隨著測漏技術(shù)的發(fā)展，氣體測漏儀的研究使測漏技術(shù)得到了更廣泛的應(yīng)用，如何快速檢測泄漏又稱氣密性試，長期以來一直是科研和實踐 領(lǐng)域的重要課題。 泄漏檢測也稱密封性檢測，屬性能指標(biāo)范疇，主要用于測試被測件的氣密性狀態(tài)。國內(nèi)外廣為采用的方法為水沒法，又稱濕式檢測法，就是將充入一定壓力氣體的工件浸沒在水中然后由人工觀察的方法，判斷是否有氣泡產(chǎn)生，并由氣泡產(chǎn)的多少估計其泄漏程度。這種方法雖然不需要操作人員較高的技術(shù)，且不需要配備特殊設(shè)備，且還能準(zhǔn)確找出泄漏位置，但是由于人的主觀性因素的影響很容易產(chǎn)生誤判，不能實現(xiàn)自動化效率很低，不能實現(xiàn)對泄漏的定量的判斷浸水后需對工件做表面處理，防腐，烘干等處理，這樣就加大了測量所需的費用很多對氣密性有 要求的產(chǎn)品，不能夠采用氣泡法進行測量，因此，迫切需要一種更好的方法來代替它，利用氣體的性質(zhì)來檢測氣密性的方法，就是現(xiàn)在常用的干式檢漏法。由于泄漏造成被測件內(nèi)氣體質(zhì)量減少，這樣必然引起被測件內(nèi)氣體的一些參數(shù)發(fā)生變化。可以對這些參數(shù)進行定性和定量的分析，從而判斷出泄漏量。其中最為常用的兩種方法就是直接壓力法和差壓法，它們都是以壓縮空氣來代替真實介質(zhì)，對被測工件充氣加壓或抽真空介質(zhì)為空氣，然后對其壓力或差壓與比較容器 2 2 之間進行取樣分析，從而判斷工件是否泄漏，這種方法清潔、無污染，而且簡單易行，給實際生產(chǎn)生活帶來了極 大的方便，得到了一定的推廣。 國內(nèi)外研究概況及發(fā)展趨勢 研究現(xiàn)狀 日前測漏儀的種類很多，而且應(yīng)用也越來越廣泛，在我們生產(chǎn)生活中的許多領(lǐng)域都有應(yīng)用。測漏技術(shù)的發(fā)展對我們產(chǎn)品質(zhì)量的提高有著很大的促進作用，同時提高了工作效率，節(jié)省了大量的人力物力，在泄漏測量自動化方面實現(xiàn)了質(zhì)的飛躍。當(dāng)前國外一些廠家在技術(shù)上較為成熟一些，例如，日本、法國、美國等在技術(shù)上具有較大的優(yōu)勢。而且他們的產(chǎn)品的性能也好一些，精度也要高一些。國內(nèi)目前也有一些生產(chǎn)測漏儀的廠家，雖然在測漏儀方面，技術(shù)比較成熟，而且推出了許多 新產(chǎn)品，但是很多技術(shù)主要來自國外，比如天津的福田公司、浙江的三花集團。它們的測量效率較低，很難應(yīng)用在生產(chǎn)線上，如何實現(xiàn)測量的快速性問題，是當(dāng)前氣體測漏儀所要解決的首要問題。 測漏檢測的發(fā)展方向 目前氣壓法測漏儀，技術(shù)上還存在著許多問題，仍需要不斷發(fā)展和完善。從檢測性質(zhì)的本身來看，發(fā)展方向主要在于如何縮短測量時間，提高測量精度，降低產(chǎn)品價格，再就是如何確定泄漏的位置。目前還沒有一種好的方法來確定泄漏的位置，一般還是采用測量精度較高的氣泡法，還可以判斷出泄漏的位置。還有一些廠家用特殊氣體來檢測泄漏 位置，但是特殊氣體泄漏會造成環(huán)境污染。這種采用特殊氣體進行泄漏檢測的方法雖然有較高的可靠性，但是需要采用價格昂貴的檢測儀器。氣壓法檢測由于采用空氣作為檢測介質(zhì)，因此不會產(chǎn)生污染，而且檢測方便、不需特殊儀器?？紤]提高測量精度的時候，主要分析如何克服外界環(huán)境的干擾主要是溫度，如何使被測件內(nèi)部的氣流快速趨于穩(wěn)定。從控制方法上來看，控制手段越來越多，如單片機控制、控制、計算機控制等等，測漏儀的操作界面也越來越人性化，而且操作越來越方便。如法國公司的產(chǎn)品，帶有顯示屏，可以顯示容器內(nèi)的壓力變化，同時可以給出測量的泄漏量 。 國內(nèi)外研發(fā)的相關(guān)產(chǎn)品及應(yīng)用 隨著測漏技術(shù)的發(fā)展，氣體測漏儀的應(yīng)用領(lǐng)域也越來越廣。從以前的汽車制造業(yè)己經(jīng)發(fā)展到了現(xiàn)在的一般日用品行業(yè)、家用電器、食品包裝、醫(yī)療器械等?，F(xiàn)在生產(chǎn)氣體測漏儀的廠家很多，產(chǎn)品也能滿足不同測試條件的要求。 （ 1）法國 ATEQ 公司 法國 ATEQ 為世界制造氣密性測試儀器的先驅(qū)，涉及汽車、醫(yī)藥、家電、壓鑄、包裝、閥門、煤氣、電子、建筑、航空等領(lǐng)域。它生產(chǎn)的測漏儀能找到零件上導(dǎo)致泄漏的孔的位置，泄漏量使用范圍自 10N9 毫升至升 10000 升 /小時 。還提供了多種檢測模式供操作者 選擇，使操作界面盡量適和操作者的使用。 （ 2）美國 USON 的公司 美國 USON也生產(chǎn)很多種類型的測漏儀，它的 4000系列提供了多種檢測模式，同時考慮到了測漏性能、泄漏量、以及針對實際中不同被測物的容積及泄漏大小提供了相應(yīng)的產(chǎn)品而且其操作界面非常友好、對操作者要求不高，其 4000 系列 3 3 還具有較快的測試速度和較高的靈敏度。 （ 3）日本 COSMOS 的公司 日本 COSMOS 的公司空氣測漏儀是對氣密部品成品進行加壓或抽真空后，通過測出被測件與標(biāo)準(zhǔn)件之間的微小差壓來判斷是否有泄漏的自動測試器。它由耐高壓的差壓傳感器， 高性能的氣動閥等構(gòu)成真空回路，功能齊全，性能可靠，能適應(yīng)各種不同條件下的測試。 （ 4）浙江三花通產(chǎn)實業(yè)有限公司 浙江三花通產(chǎn)實業(yè)有限公司該公司專業(yè)從事泄漏檢測儀及其它專用設(shè)備的設(shè)計制造和銷售。它研制、生產(chǎn)及銷售 ALT 系列泄漏檢測儀、檢測專機及自動化泄漏檢測線。 （ 5）福田天津儀器儀表公司 福田天津儀器儀表研究所承接國內(nèi)外客戶有關(guān)空氣壓測試、控制等方面的各種開發(fā)項目，但自己開發(fā)的項目較少，主要引進 FUKUDA 公司的技術(shù)。 常用氣體測漏方法 隨著測漏技術(shù)的發(fā)展，測漏儀的種類也越來越多。但在測 漏儀的原理方面，主要應(yīng)分為濕式和干式其中濕式檢測法主要是指氣泡法，干式檢測法主要包括下面提到流量測試法、直接壓力測試法、差壓測試法、氦氣測量方法等。下面對這幾種檢測原理分別作簡單介紹。 (1)氣泡法 (The leak detecting method by air bubble) 傳統(tǒng)的測漏方法主要是氣泡法。氣泡法是指將被測件密封后放入水中，然后觀察氣泡的產(chǎn)生情況來判斷泄漏量的大小的方法。為了能夠使測量更加明顯，一般也會向被測件內(nèi)充入一定壓力的氣體。如圖 11 所示 : 圖 11 氣泡檢測法 (2)流量測試法 (The leak detecting method by air flow meter) 當(dāng)氣源對被測件充氣完畢后，如果被測件有泄漏，整個密封系統(tǒng)就會有氣體的流動，泄漏量與流量相同，用微小流量測試儀就可以測出泄漏量。如圖 12所示 : 壓力表 空氣源 水槽 被測物件 4 4 圖 12 流量測試法 (3)直接壓力測試法 (The leak detecting method by air pressure decay) 加正壓或負(fù)壓后關(guān)閉閥門，由壓力表或壓力傳感器、壓力開關(guān)等測出因被測物泄漏引起的壓力下降值。而且由壓力的下降值就可以計算泄漏量的大小。這種方法簡單可靠，使用方便、價格便宜。如圖 13所示： 圖 13 壓力檢測法 (4)差壓測試法 (The leak detecting method by air pressure difference) 對被測件和標(biāo)準(zhǔn)件同時充入壓縮氣體，由高精度的差壓傳感器測出被測件與標(biāo)準(zhǔn)件之間的壓力差。在一般情 況下首選直接壓力法，在精度要求較高的場合才選用差壓法。 (5)氦氣測量方法 (The leak detecting method by helium mass measurement) 將混有氦元素的壓縮氣體充入被測件，且將被測件放入密封容器，通過氦元素檢測裝置測量密封容器里氦元素的含量來分析被測件泄漏量的大小。這種方法精度比較高，一般用在高精度場合。 上述檢測方法的測試性能對比見表 11: 表 11各種檢測方法的性能對比 序號測試方法 自動化 檢測能力 可靠性 壽命 適用性 經(jīng)濟性 氣泡檢測法 不好 好 不好 好 特好 不太好 流量檢測法 好 不好 好 好 好 好 直壓式檢測法 好 不太好 好 特好 不太好 好 差壓式檢測法 好 好 好 特好 特好 好 氦元素檢測法 好 特好 好 不太好 不太好 不好 論文主要內(nèi)容與本文結(jié)構(gòu) 本課題“基于單片機的氣體測漏儀的研究”是對傳統(tǒng)氣體測漏方法的一種改進和新的嘗試，其特色主要在以下幾點 : 一是加入了單片機作為控制核心。其豐富的外設(shè)如鍵盤輸入和液晶顯示輸出簡化了操作人員的操作，便于觀察結(jié)果，不易產(chǎn)生誤判。 被測件 空氣源 微小流量 泄露 壓力表 被測件 空氣源 5 5 二是提出了一種二次采集的控制方法，有效地克服了許 多模擬儀器無法克服的零點漂移的問題，提高了系統(tǒng)的測試精度。 三是將直接壓力測試法與差壓測試法集中到一種控制器中供用戶自由選擇，方便了 不同用戶的不同需求。 本文分為六部分 : 第一章緒論，首先闡述了提出本課題的背景，然后介紹了氣體測漏技術(shù)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，最后介紹了本課題的主要特色 。 第二章在介紹了系統(tǒng)所要實現(xiàn)的功能和各個功能塊的劃分，以及關(guān)鍵技術(shù)的選者等。提出了本課題的總體設(shè)計構(gòu)想，最后給出了整個系統(tǒng)的整體工作模型和框圖 。 第三章詳細(xì)介紹了系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計，分模塊的介紹了硬件電路的功能、工作原理、器件的選 取等。給出了詳細(xì)的電路圖解，并對其中的相關(guān)技術(shù)給出了詳細(xì)的介紹 。 第四章詳細(xì)的介紹了系統(tǒng)軟件的實現(xiàn)，采用模塊化的設(shè)計思想將系統(tǒng)的軟件進行功能塊的劃分，詳細(xì)的介紹了各個功能塊的具體實現(xiàn)，并給出了軟件流程圖 。 第五章介紹了試驗結(jié)果分析，提出了系統(tǒng)的創(chuàng)新點以及發(fā)展方向。 最后是本文的結(jié)論，對全文進行了總結(jié)。 本章小結(jié) 本章概述了氣體測漏技術(shù)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和目前的發(fā)展方向。傳統(tǒng)的氣泡法仍是目前氣密性檢測的主要手段，檢測方式復(fù)雜、容易產(chǎn)生誤判、無法實現(xiàn)檢測自動化。常用的氣體測漏方法還有流量法、直接壓力法、差壓 法、和氦元素法。氣體測漏儀是基于被測件內(nèi)氣體的泄漏必將導(dǎo)致壓力的變化而提出的一種新型檢測手段。具有方便、無污染等優(yōu)點。最后提出了課題的主要研究內(nèi)容文章結(jié)構(gòu)。 6 6 2 系統(tǒng)總體設(shè)計 系統(tǒng)整體功能介紹 對直壓法和差壓法的分析 直接壓力法和差壓法為目前較為常用的兩種方法，它們的測量原理相同，都是在氣體泄漏會導(dǎo)致被測件內(nèi)壓力變化的條件下，基于被測件內(nèi)壓力變化原理進行測量。同時它們之間存在著較大差別，對于直接壓力法，隨著壓力升高，分解能力降低。而且檢出時間長，受溫度影響和變形影響大，對于不同的測試壓 力要求，要采用適用壓力范圍不同的傳感器。對于差壓法，則不論檢測壓力多大，均能進行高精度泄漏測量檢測。因分解能力高，即使測量時間短也可高效的檢出，因此，通過足夠長時間的加壓穩(wěn)定，對由氣體溫度和變形等引起的誤差將減少。即使測試壓力變化，但由于同時對工件和標(biāo)準(zhǔn)件充氣，差壓傳感器仍能精確工作。 從以上比較不難看出，差壓法的精度遠高于直接壓力法，但由于差壓法結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且還必須有一個全密封的標(biāo)準(zhǔn)件來配合使用，給測量帶來了很大的不便。同時在價格上也比直接壓力法高出了很多。因此在我們對測量精度要求不高時我們還是應(yīng)該盡量 選擇直接壓力法，但當(dāng)我們對精度有較高要求時我們就應(yīng)該考慮采用差壓法。對于直接壓力法和差壓法，它們的測量過程基本相似。都是由充氣、平衡、測量和放氣四個過程組成。本文重點以直接壓力為例來介紹氣體測漏的具體實現(xiàn)過程。圖給出了測量的四個階段被測件內(nèi)的壓力變化。 直接壓力法檢測如圖所示。測量主要分為四個過程，即充氣過程、平衡過程、測量過程和放氣過程。當(dāng)測量開始時，打開電磁閥、對被測件進行充氣也就是充氣過程，充氣過程以設(shè)定的壓力向被測工件充氣，充氣階段結(jié)束后，關(guān)閉電磁閥，進入平衡階段。為了在測量階段獲得可重現(xiàn)的測量條件 ，檢測系統(tǒng)在充氣后必須經(jīng)過一段時間的穩(wěn)定，以便消除被測腔內(nèi)氣流紊亂造成的誤差，以及由檢測氣體所