【正文】 面起著越來(lái)越重要的作用。特別是在汽車(chē)行業(yè)，能否保證汽缸的氣密性，直接影響著汽車(chē)的性能。隨著測(cè)漏技術(shù)的發(fā)展，氣體測(cè)漏儀的研究使測(cè)漏技術(shù)得到了更廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)的測(cè)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(chǔ)分析。直壓式氣體測(cè)漏由于具有原理簡(jiǎn)單、成本較低、方便實(shí)用、干凈無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，在氣密性檢測(cè)領(lǐng)域受到廣泛的青睞。 本文設(shè)計(jì)了一種基于干式測(cè)漏法 (直接壓力測(cè)試法 )結(jié)合單片機(jī)技術(shù)的氣體測(cè)漏儀。利用高精度 A/D 對(duì)壓力和溫度信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，通過(guò) LCD 即時(shí)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(chǔ)存和分析?？朔藗鹘y(tǒng)方法易受主觀因素的影響等缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了氣密性檢測(cè)的自動(dòng)化。論文首先闡述了課題的背景以及研究現(xiàn)狀，對(duì)各種氣密性檢測(cè)方法進(jìn)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(jì)思想分別對(duì)系統(tǒng)的硬件電路和軟件程序進(jìn)行了分析。硬件電路主要包括 :壓力信號(hào)采集電路、溫度信號(hào)采集電路、鍵盤(pán)及顯示電路、電磁閥驅(qū)動(dòng)電路、電源電路和控制電路的設(shè)計(jì)和原理分析 。軟件設(shè)計(jì)主要包括 :主程序的實(shí)現(xiàn)、鍵值的輸出采集、液晶標(biāo)準(zhǔn)接口的讀寫(xiě)、虛擬 I2C 總線的實(shí)現(xiàn)、零點(diǎn)漂移的克服以及自定義通訊協(xié)議的實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，給 出了各程序模塊的設(shè)計(jì)思想和流程圖。最后根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出了系統(tǒng)的精度?？偨Y(jié)了本文的特點(diǎn)及不足，為快速性測(cè)量提供了現(xiàn)實(shí)依據(jù)。 關(guān)鍵詞 ： 測(cè)漏儀，單片機(jī)檢測(cè)，自動(dòng)化，人機(jī)界面 1 緒論 現(xiàn)代生產(chǎn)技術(shù)的不斷進(jìn)步，對(duì)檢測(cè)手段也提出了越來(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)量方面起著越來(lái)越重要的作用。特別是在汽車(chē)行業(yè)，能否保證氣缸的氣密性，直接影響著汽車(chē)的性能。隨著測(cè)漏技術(shù)的發(fā)展，氣體測(cè)漏儀的研究使測(cè)漏技術(shù)得到了更廣泛的應(yīng)用，如何快速檢測(cè)泄漏又稱氣密性試，長(zhǎng)期以來(lái)一直是科研和實(shí)踐 領(lǐng)域的重要課題。 泄漏檢測(cè)也稱密封性檢測(cè)，屬性能指標(biāo)范疇，主要用于測(cè)試被測(cè)件的氣密性狀態(tài)。國(guó)內(nèi)外廣為采用的方法為水沒(méi)法，又稱濕式檢測(cè)法，就是將充入一定壓力氣體的工件浸沒(méi)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(jì)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(shí)現(xiàn)自動(dòng)化效率很低，不能實(shí)現(xiàn)對(duì)泄漏的定量的判斷浸水后需對(duì)工件做表面處理，防腐，烘干等處理，這樣就加大了測(cè)量所需的費(fèi)用很多對(duì)氣密性有 要求的產(chǎn)品，不能夠采用氣泡法進(jìn)行測(cè)量，因此，迫切需要一種更好的方法來(lái)代替它，利用氣體的性質(zhì)來(lái)檢測(cè)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(cè)件內(nèi)氣體質(zhì)量減少，這樣必然引起被測(cè)件內(nèi)氣體的一些參數(shù)發(fā)生變化。可以對(duì)這些參數(shù)進(jìn)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(lái)代替真實(shí)介質(zhì)，對(duì)被測(cè)工件充氣加壓或抽真空介質(zhì)為空氣，然后對(duì)其壓力或差壓與比較容器 2 2 之間進(jìn)行取樣分析，從而判斷工件是否泄漏，這種方法清潔、無(wú)污染，而且簡(jiǎn)單易行，給實(shí)際生產(chǎn)生活帶來(lái)了極 大的方便，得到了一定的推廣。 國(guó)內(nèi)外研究概況及發(fā)展趨勢(shì) 研究現(xiàn)狀 日前測(cè)漏儀的種類很多，而且應(yīng)用也越來(lái)越廣泛，在我們生產(chǎn)生活中的許多領(lǐng)域都有應(yīng)用。測(cè)漏技術(shù)的發(fā)展對(duì)我們產(chǎn)品質(zhì)量的提高有著很大的促進(jìn)作用，同時(shí)提高了工作效率，節(jié)省了大量的人力物力，在泄漏測(cè)量自動(dòng)化方面實(shí)現(xiàn)了質(zhì)的飛躍。當(dāng)前國(guó)外一些廠家在技術(shù)上較為成熟一些，例如，日本、法國(guó)、美國(guó)等在技術(shù)上具有較大的優(yōu)勢(shì)。而且他們的產(chǎn)品的性能也好一些，精度也要高一些。國(guó)內(nèi)目前也有一些生產(chǎn)測(cè)漏儀的廠家，雖然在測(cè)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(lái)自國(guó)外，比如天津的福田公司、浙江的三花集團(tuán)。它們的測(cè)量效率較低，很難應(yīng)用在生產(chǎn)線上，如何實(shí)現(xiàn)測(cè)量的快速性問(wèn)題，是當(dāng)前氣體測(cè)漏儀所要解決的首要問(wèn)題。 測(cè)漏檢測(cè)的發(fā)展方向 目前氣壓法測(cè)漏儀，技術(shù)上還存在著許多問(wèn)題，仍需要不斷發(fā)展和完善。從檢測(cè)性質(zhì)的本身來(lái)看，發(fā)展方向主要在于如何縮短測(cè)量時(shí)間，提高測(cè)量精度，降低產(chǎn)品價(jià)格，再就是如何確定泄漏的位置。目前還沒(méi)有一種好的方法來(lái)確定泄漏的位置，一般還是采用測(cè)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(lái)檢測(cè)泄漏 位置，但是特殊氣體泄漏會(huì)造成環(huán)境污染。這種采用特殊氣體進(jìn)行泄漏檢測(cè)的方法雖然有較高的可靠性，但是需要采用價(jià)格昂貴的檢測(cè)儀器。氣壓法檢測(cè)由于采用空氣作為檢測(cè)介質(zhì)，因此不會(huì)產(chǎn)生污染，而且檢測(cè)方便、不需特殊儀器?？紤]提高測(cè)量精度的時(shí)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(cè)件內(nèi)部的氣流快速趨于穩(wěn)定。從控制方法上來(lái)看，控制手段越來(lái)越多，如單片機(jī)控制、控制、計(jì)算機(jī)控制等等，測(cè)漏儀的操作界面也越來(lái)越人性化，而且操作越來(lái)越方便。如法國(guó)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(shí)可以給出測(cè)量的泄漏量 。 國(guó)內(nèi)外研發(fā)的相關(guān)產(chǎn)品及應(yīng)用 隨著測(cè)漏技術(shù)的發(fā)展，氣體測(cè)漏儀的應(yīng)用領(lǐng)域也越來(lái)越廣。從以前的汽車(chē)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(cè)漏儀的廠家很多，產(chǎn)品也能滿足不同測(cè)試條件的要求。 （ 1）法國(guó) ATEQ 公司 法國(guó) ATEQ 為世界制造氣密性測(cè)試儀器的先驅(qū)，涉及汽車(chē)、醫(yī)藥、家電、壓鑄、包裝、閥門(mén)、煤氣、電子、建筑、航空等領(lǐng)域。它生產(chǎn)的測(cè)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(shí) 。還提供了多種檢測(cè)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(guó) USON 的公司 美國(guó) USON也生產(chǎn)很多種類型的測(cè)漏儀，它的 4000系列提供了多種檢測(cè)模式，同時(shí)考慮到了測(cè)漏性能、泄漏量、以及針對(duì)實(shí)際中不同被測(cè)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(duì)操作者要求不高，其 4000 系列 3 3 還具有較快的測(cè)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(cè)漏儀是對(duì)氣密部品成品進(jìn)行加壓或抽真空后，通過(guò)測(cè)出被測(cè)件與標(biāo)準(zhǔn)件之間的微小差壓來(lái)判斷是否有泄漏的自動(dòng)測(cè)試器。它由耐高壓的差壓傳感器， 高性能的氣動(dòng)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(cè)試。 （ 4）浙江三花通產(chǎn)實(shí)業(yè)有限公司 浙江三花通產(chǎn)實(shí)業(yè)有限公司該公司專業(yè)從事泄漏檢測(cè)儀及其它專用設(shè)備的設(shè)計(jì)制造和銷(xiāo)售。它研制、生產(chǎn)及銷(xiāo)售 ALT 系列泄漏檢測(cè)儀、檢測(cè)專機(jī)及自動(dòng)化泄漏檢測(cè)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(guó)內(nèi)外客戶有關(guān)空氣壓測(cè)試、控制等方面的各種開(kāi)發(fā)項(xiàng)目，但自己開(kāi)發(fā)的項(xiàng)目較少，主要引進(jìn) FUKUDA 公司的技術(shù)。 常用氣體測(cè)漏方法 隨著測(cè)漏技術(shù)的發(fā)展，測(cè)漏儀的種類也越來(lái)越多。但在測(cè) 漏儀的原理方面，主要應(yīng)分為濕式和干式其中濕式檢測(cè)法主要是指氣泡法，干式檢測(cè)法主要包括下面提到流量測(cè)試法、直接壓力測(cè)試法、差壓測(cè)試法、氦氣測(cè)量方法等。下面對(duì)這幾種檢測(cè)原理分別作簡(jiǎn)單介紹。 (1)氣泡法 (The leak detecting method by air bubble) 傳統(tǒng)的測(cè)漏方法主要是氣泡法。氣泡法是指將被測(cè)件密封后放入水中，然后觀察氣泡的產(chǎn)生情況來(lái)判斷泄漏量的大小的方法。為了能夠使測(cè)量更加明顯，一般也會(huì)向被測(cè)件內(nèi)充入一定壓力的氣體。如圖 11 所示 : 圖 11 氣泡檢測(cè)法 (2)流量測(cè)試法 (The leak detecting method by air flow meter) 當(dāng)氣源對(duì)被測(cè)件充氣完畢后，如果被測(cè)件有泄漏，整個(gè)密封系統(tǒng)就會(huì)有氣體的流動(dòng)，泄漏量與流量相同，用微小流量測(cè)試儀就可以測(cè)出泄漏量。如圖 12所示 : 壓力表 空氣源 水槽 被測(cè)物件 4 4 圖 12 流量測(cè)試法 (3)直接壓力測(cè)試法 (The leak detecting method by air pressure decay) 加正壓或負(fù)壓后關(guān)閉閥門(mén)，由壓力表或壓力傳感器、壓力開(kāi)關(guān)等測(cè)出因被測(cè)物泄漏引起的壓力下降值。而且由壓力的下降值就可以計(jì)算泄漏量的大小。這種方法簡(jiǎn)單可靠，使用方便、價(jià)格便宜。如圖 13所示： 圖 13 壓力檢測(cè)法 (4)差壓測(cè)試法 (The leak detecting method by air pressure difference) 對(duì)被測(cè)件和標(biāo)準(zhǔn)件同時(shí)充入壓縮氣體，由高精度的差壓傳感器測(cè)出被測(cè)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(chǎng)合才選用差壓法。 (5)氦氣測(cè)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(cè)件，且將被測(cè)件放入密封容器，通過(guò)氦元素檢測(cè)裝置測(cè)量密封容器里氦元素的含量來(lái)分析被測(cè)件泄漏量的大小。這種方法精度比較高，一般用在高精度場(chǎng)合。 上述檢測(cè)方法的測(cè)試性能對(duì)比見(jiàn)表 11: 表 11各種檢測(cè)方法的性能對(duì)比 序號(hào)測(cè)試方法 自動(dòng)化 檢測(cè)能力 可靠性 壽命 適用性 經(jīng)濟(jì)性 氣泡檢測(cè)法 不好 好 不好 好 特好 不太好 流量檢測(cè)法 好 不好 好 好 好 好 直壓式檢測(cè)法 好 不太好 好 特好 不太好 好 差壓式檢測(cè)法 好 好 好 特好 特好 好 氦元素檢測(cè)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(jī)的氣體測(cè)漏儀的研究”是對(duì)傳統(tǒng)氣體測(cè)漏方法的一種改進(jìn)和新的嘗試，其特色主要在以下幾點(diǎn) : 一是加入了單片機(jī)作為控制核心。其豐富的外設(shè)如鍵盤(pán)輸入和液晶顯示輸出簡(jiǎn)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(cè)件 空氣源 微小流量 泄露 壓力表 被測(cè)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(wú)法克服的零點(diǎn)漂移的問(wèn)題，提高了系統(tǒng)的測(cè)試精度。 三是將直接壓力測(cè)試法與差壓測(cè)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(cè)漏技術(shù)的國(guó)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(shí)現(xiàn)的功能和各個(gè)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(jì)構(gòu)想，最后給出了整個(gè)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(jì)，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(duì)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(shí)現(xiàn)，采用模塊化的設(shè)計(jì)思想將系統(tǒng)的軟件進(jìn)行功能塊的劃分，詳細(xì)的介紹了各個(gè)功能塊的具體實(shí)現(xiàn)，并給出了軟件流程圖 。 第五章介紹了試驗(yàn)結(jié)果分析，提出了系統(tǒng)的創(chuàng)新點(diǎn)以及發(fā)展方向。 最后是本文的結(jié)論，對(duì)全文進(jìn)行了總結(jié)。 本章小結(jié) 本章概述了氣體測(cè)漏技術(shù)的國(guó)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(cè)的主要手段，檢測(cè)方式復(fù)雜、容易產(chǎn)生誤判、無(wú)法實(shí)現(xiàn)檢測(cè)自動(dòng)化。常用的氣體測(cè)漏方法還有流量法、直接壓力法、差壓 法、和氦元素法。氣體測(cè)漏儀是基于被測(cè)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(cè)手段。具有方便、無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)。最后提出了課題的主要研究?jī)?nèi)容文章結(jié)構(gòu)。 6 6 2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 系統(tǒng)整體功能介紹 對(duì)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(cè)量原理相同，都是在氣體泄漏會(huì)導(dǎo)致被測(cè)件內(nèi)壓力變化的條件下，基于被測(cè)件內(nèi)壓力變化原理進(jìn)行測(cè)量。同時(shí)它們之間存在著較大差別，對(duì)于直接壓力法，隨著壓力升高，分解能力降低。而且檢出時(shí)間長(zhǎng)，受溫度影響和變形影響大，對(duì)于不同的測(cè)試壓 力要求，要采用適用壓力范圍不同的傳感器。對(duì)于差壓法，則不論檢測(cè)壓力多大，均能進(jìn)行高精度泄漏測(cè)量檢測(cè)。因分解能力高，即使測(cè)量時(shí)間短也可高效的檢出，因此，通過(guò)足夠長(zhǎng)時(shí)間的加壓穩(wěn)定，對(duì)由氣體溫度和變形等引起的誤差將減少。即使測(cè)試壓力變化，但由于同時(shí)對(duì)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(yuǎn)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(gè)全密封的標(biāo)準(zhǔn)件來(lái)配合使用，給測(cè)量帶來(lái)了很大的不便。同時(shí)在價(jià)格上也比直接壓力法高出了很多。因此在我們對(duì)測(cè)量精度要求不高時(shí)我們還是應(yīng)該盡量 選擇直接壓力法，但當(dāng)我們對(duì)精度有較高要求時(shí)我們就應(yīng)該考慮采用差壓法。對(duì)于直接壓力法和差壓法，它們的測(cè)量過(guò)程基本相似。都是由充氣、平衡、測(cè)量和放氣四個(gè)過(guò)程組成。本文重點(diǎn)以直接壓力為例來(lái)介紹氣體測(cè)漏的具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程。圖給出了測(cè)量的四個(gè)階段被測(cè)件內(nèi)的壓力變化。 直接壓力法檢測(cè)如圖所示。測(cè)量主要分為四個(gè)過(guò)程，即充氣過(guò)程、平衡過(guò)程、測(cè)量過(guò)程和放氣過(guò)程。當(dāng)測(cè)量開(kāi)始時(shí)，打開(kāi)電磁閥、對(duì)被測(cè)件進(jìn)行充氣也就是充氣過(guò)程，充氣過(guò)程以設(shè)定的壓力向被測(cè)工件充氣，充氣階段結(jié)束后，關(guān)閉電磁閥，進(jìn)入平衡階段。為了在測(cè)量階段獲得可重現(xiàn)的測(cè)量條件 ，檢測(cè)系統(tǒng)在充氣后必須經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的穩(wěn)定，以便消除被測(cè)腔內(nèi)氣流紊亂造成的誤差，以及由檢測(cè)氣體所