差壓氣密性檢測(cè)儀設(shè)計(jì)

1、基于基于ARM的差壓式氣密性檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的差壓式氣密性檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)遼寧工程技術(shù)大學(xué)電信學(xué)院2011年12月20日結(jié) 論四四主要內(nèi)容課題研究的背景及意義一一氣密性檢測(cè)儀的研究現(xiàn)狀二二主要研究?jī)?nèi)容三三課題研究的背景及意義n 課題背景及意義課題背景及意義 隨著當(dāng)前我國(guó)經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展及城鄉(xiāng)一體化戰(zhàn)略的實(shí)施，人們對(duì)社會(huì)的需求也日新月異，尤其對(duì)汽車、日用家電、能源等行業(yè)的產(chǎn)品關(guān)注程度大幅度提升。這些行業(yè)已日益成為我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展過程中不可缺少的重要組成部分。與此同時(shí)，對(duì)這些行業(yè)及其相關(guān)產(chǎn)品的質(zhì)量和安全性能檢驗(yàn)也日趨重要。由于質(zhì)量問題引發(fā)重大損失的事件時(shí)有發(fā)生，給人民財(cái)產(chǎn)乃至生命安全造成無法挽回的傷

2、害。在國(guó)家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局對(duì)相關(guān)生產(chǎn)企業(yè)的產(chǎn)品逐步展開的生產(chǎn)資質(zhì)認(rèn)證中顯示，氣密性檢測(cè)設(shè)備已成為我們保證產(chǎn)品質(zhì)量和安全性能的必要設(shè)備之一。氣密性檢測(cè)儀的研究現(xiàn)狀n國(guó)外研究現(xiàn)狀國(guó)外研究現(xiàn)狀 目前，國(guó)外一些廠家的氣密性檢測(cè)技術(shù)日趨成熟。為提高設(shè)備檢測(cè)的準(zhǔn)確性和安全性，國(guó)外采用了采樣數(shù)據(jù)的合理性處理、系統(tǒng)誤差的自我校正與檢測(cè)手段等方面有機(jī)結(jié)合的辦法。法國(guó)的ATEQ公司作為世界制造氣密性測(cè)試儀器的先行者，他們的產(chǎn)品在閥門、煤氣、電子、壓鑄、包裝等諸多領(lǐng)域都有涉及。還有美國(guó)USON公司也研究生產(chǎn)了多種類型的氣密性檢測(cè)儀。它的4000系列提供了多種檢測(cè)模式，同時(shí)考慮了不同的泄漏性能、泄漏量及針對(duì)實(shí)際中不同被

3、測(cè)物的容積及泄漏大小提供了相應(yīng)的產(chǎn)品。此類氣密性檢測(cè)設(shè)備不僅可以判斷產(chǎn)品合格與否，也能檢測(cè)出被測(cè)產(chǎn)品的泄漏量。氣密性檢測(cè)儀研究現(xiàn)狀n國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀 目前，我國(guó)研發(fā)出的很多氣密性檢測(cè)產(chǎn)品都可以定量或定性的判斷出產(chǎn)品是否泄漏，但在測(cè)試準(zhǔn)確度和重復(fù)性方面卻比較低。因此，面對(duì)當(dāng)前的這種情況，對(duì)于氣密性檢測(cè)儀的研究是勢(shì)在必行。國(guó)內(nèi)投入了大量的人力、物力，并開發(fā)和研究了一些氣密性檢測(cè)設(shè)備，大部分的設(shè)備是采用進(jìn)口的高分辨率傳感器或?qū)z測(cè)參數(shù)人為的補(bǔ)償誤差等方法來提高測(cè)量的準(zhǔn)確度。雖然選用較高分辨率的傳感器可以提高測(cè)量的準(zhǔn)確度，但是會(huì)增加產(chǎn)品的生產(chǎn)成本。 氣密性檢測(cè)方法的性能比較氣密性檢測(cè)方法的性能

4、比較序號(hào)檢測(cè)方法操作是否容易檢測(cè)精度可靠性適用性經(jīng)濟(jì)性1水檢法復(fù)雜高一般一般昂貴2流量檢測(cè)法簡(jiǎn)單一般可靠一般適宜4氦氣檢測(cè)法簡(jiǎn)單高可靠受限昂貴3直壓式檢測(cè)法簡(jiǎn)單低可靠一般適宜5差壓式檢測(cè)法簡(jiǎn)單高可靠 廣泛適宜主要研究?jī)?nèi)容1. 差壓式氣密性檢測(cè)儀的理論基礎(chǔ)分析2. 氣密性檢測(cè)儀的系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 及硬件電路設(shè)計(jì)3.系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái)構(gòu)建及驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)4.應(yīng)用程序設(shè)計(jì) 5.系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試和結(jié)果分析差壓式氣密性檢測(cè)儀的理論基礎(chǔ)分析差壓式氣密性檢測(cè)儀的理論基礎(chǔ)分析 圖中的差壓檢測(cè)儀相當(dāng)于天平的指針，標(biāo)準(zhǔn)器件與被測(cè)器件就相當(dāng)于天平的兩個(gè)托盤。當(dāng)閥門A和B關(guān)閉時(shí)后，我們就可以通過位于中間的差壓檢測(cè)儀測(cè)量?jī)烧咧g氣壓差

5、的大小。差壓檢測(cè)的方法是與差壓傳感器的制造工藝密不可分的。在差壓傳感器內(nèi)部存在一個(gè)薄膜，當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)器件與被測(cè)器件之間存在氣壓差時(shí)，該薄膜就會(huì)受到擠壓，平衡就會(huì)被破壞，而我們檢測(cè)的前提條件是假設(shè)標(biāo)準(zhǔn)器件是絕對(duì)無泄漏的，所以該壓差就應(yīng)該為被測(cè)器件引起的。差壓式氣密性檢測(cè)儀的理論基礎(chǔ)分析差壓式氣密性檢測(cè)儀的理論基礎(chǔ)分析差壓式氣密性檢測(cè)儀的基本操作步驟差壓式氣密性檢測(cè)儀的基本操作步驟 (1) 充氣階段。這個(gè)階段又被稱為加壓動(dòng)作，對(duì)于三個(gè)電磁閥SV1，SV2及SV3全部處于打開狀態(tài)，讓氣流平穩(wěn)順利通過，即完成對(duì)標(biāo)準(zhǔn)器件和被測(cè)器件的充氣加壓工作。 (2) 平衡環(huán)節(jié)。為了能夠準(zhǔn)確進(jìn)行測(cè)量，需要保證標(biāo)準(zhǔn)器件與被測(cè)

6、器件內(nèi)的氣流穩(wěn)定，無大的起伏，由此我們關(guān)閉電磁閥SV2和SV3。平衡環(huán)節(jié)是為下一步的檢測(cè)環(huán)節(jié)做準(zhǔn)備的關(guān)鍵步驟，其平衡時(shí)間的大小是保證檢測(cè)準(zhǔn)確的重要因素。(3) 檢測(cè)環(huán)節(jié)。這個(gè)環(huán)節(jié)是氣密性檢測(cè)過程中的核心步驟，差壓式氣密性檢測(cè)在此步驟進(jìn)行，檢測(cè)的時(shí)間也是經(jīng)過認(rèn)真、細(xì)致的計(jì)算的。差壓傳感器把氣壓差值轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，該電壓信號(hào)經(jīng)過放大傳遞到ARM主控制器。(4) 排氣環(huán)節(jié)。在檢測(cè)完成的最后環(huán)節(jié)，我們還需要把在充氣階段充入標(biāo)準(zhǔn)器件和被測(cè)器件的氣體放出，即打開電磁閥SV2和SV3，把氣體排放到大氣中，完成整個(gè)檢測(cè)過程。差壓氣密性檢測(cè)儀的系統(tǒng)設(shè)計(jì) 氣密性檢測(cè)儀主要是利用壓力原理對(duì)待檢測(cè)器件進(jìn)行無損密閉性檢

7、測(cè)，適合于各行業(yè)有氣密性要求的大部分產(chǎn)品進(jìn)行檢測(cè)試驗(yàn)。根據(jù)前面所述，在綜合考慮各方面因素的基礎(chǔ)上，本系統(tǒng)最終電路硬件設(shè)計(jì)框圖，它分為以下幾個(gè)模塊。圖1 氣密性檢測(cè)儀系統(tǒng)框圖差壓氣密性檢測(cè)儀的系統(tǒng)設(shè)計(jì) (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ARM主控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)閥門的開關(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ARM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(shí)現(xiàn)一次完整的差壓式氣密性檢測(cè)。 (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)器件的氣壓值，外部的環(huán)

8、境溫度值等。將采集到數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)傳回ARM主控制器完成后續(xù)的數(shù)據(jù)處理。 差壓氣密性檢測(cè)儀的系統(tǒng)設(shè)計(jì)(3) 電磁閥驅(qū)動(dòng)及聲光報(bào)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(dòng)開啟和關(guān)閉，從而控制氣流的通過和阻斷，實(shí)現(xiàn)測(cè)試過程的自動(dòng)化，是控制系統(tǒng)檢測(cè)參數(shù)的重要組成部分。聲光報(bào)警部分是用戶能夠準(zhǔn)確操作的重要保證。(4)人機(jī)界面模塊 該系統(tǒng)采用液晶顯示與觸摸屏接口做為人機(jī)交互模塊，使得輸入和輸出操作簡(jiǎn)單直觀。 微處理器的選擇微處理器的選擇 由前面的敘述，可以看出本文設(shè)計(jì)的差壓式氣密性檢測(cè)儀，需要完成多種數(shù)據(jù)信息的采集存儲(chǔ)、電磁閥的控制及數(shù)據(jù)曲線的顯示等功能。而作為一種安全檢測(cè)儀器，它有要求微

9、處理器具有一定的穩(wěn)定性。綜合這些要求，我們選用三星公司開發(fā)的S3C2440A為氣密性檢測(cè)儀的主控制器。 S3C2440集成的片上功能主要有： (1) 3.3V外部I/O供電，1.8V內(nèi)存供電，支持16KB cache/MMU微處 理器 (2) LCD控制器（支持256K色TFT和4K色STN）支持1通道LCD專用DMA (3) 外部存儲(chǔ)控制器（包括SDRAM控制和片選邏輯） (4) 1通道IIC-BUS 、2通道SPI以及3通道UART (5) 8通道ADC和觸摸屏接口 (6) 130個(gè)通用I/O口和24通道外部中斷源 (7) 具有PLL片上時(shí)鐘發(fā)生器差壓傳感器的選擇差壓傳感器的選擇 在本文所

10、述的氣密性檢測(cè)儀中，標(biāo)準(zhǔn)器件與被測(cè)器件之間的氣壓差值是需要測(cè)量的重要參量，在這里我們選用SM5651/SM5652系列微差壓壓力傳感器 SM5651。 SM5651/SM5652是完全校準(zhǔn)和溫度補(bǔ)償微差壓雙列直插高性能壓力傳感器。該系列為陶瓷基底貼裝高穩(wěn)定壓阻式壓力傳感器芯片，利用陶瓷基板上的薄膜電阻進(jìn)行零度校正、零點(diǎn)溫度補(bǔ)償和靈敏度溫度補(bǔ)償。圖圖2 2 差壓傳感器的外觀圖差壓傳感器的外觀圖 圖圖3 3 SM5651 SM5651管腳的電氣連接圖管腳的電氣連接圖 絕壓傳感器的選擇絕壓傳感器的選擇 在本文所述的氣密性檢測(cè)儀中，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。NPI-19型壓力傳感

11、器，該系列壓力傳感器應(yīng)用廣泛，其應(yīng)用領(lǐng)域主要有過程控制系統(tǒng)，液壓系統(tǒng)及閥門、生物醫(yī)療儀器及航海系統(tǒng)等。在本設(shè)計(jì)中采用的是量程是15psi的NPI-19型芯片。 NPI-19型壓力傳感器的外觀和原理圖如圖所示。 圖4 絕壓傳感器的外觀圖 圖5 NPI-19型壓力傳感器原理圖 信號(hào)調(diào)理電路信號(hào)調(diào)理電路 標(biāo)準(zhǔn)器件和被測(cè)器件之間的氣壓差信號(hào)，經(jīng)過微差壓傳感器SM5651采集后得到微弱的電壓信號(hào)，還有經(jīng)過NPI-19型壓力傳感器采集到氣壓信號(hào)，兩者都不適宜直接進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換處理，需要通過信號(hào)處理電路對(duì)其進(jìn)行放大，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。我們采用Analog Microel

12、ectronics GmbH (AMG)公司提供的電壓轉(zhuǎn)換集成電路AM401來實(shí)現(xiàn)信號(hào)的處理。 圖6 信號(hào)調(diào)理電路原理圖 VIN-VIN+1234J1CON3I+I-CVREF1CVSET2IN+3IN-4OUTIA5INOP6GAIN7VOUT8VCC11VSET12ZA13GND14VREF15U1AM401Rset666C12.2ufRLLA4.7kR210kR144.2kD1TVS123J2CON3C230pfC30.33ufC40.33ufL200RR1-144.2kRIset5KRsp220信號(hào)調(diào)理電路信號(hào)調(diào)理電路 上圖所示電路圖中采用附加的運(yùn)算放大器OP2用來為電橋電路提供恒流電

13、源。儀表放大器的偏置調(diào)零管腳是接地，增益G通過外接電阻R1-1、R2、Rsp調(diào)節(jié)，因?yàn)槠秒妷簽榱?，輸出電壓的傳遞函數(shù)為： INOUTGVV211RRGGGGIAOPIAIAG=5 其中 傳感器SM5651是通過AM401提供的恒流源供電的，電流大小可以通過電阻RSET和RISET調(diào)整。最終計(jì)算出的各參數(shù)值如圖中標(biāo)注。其他電路其他電路溫度采集電路設(shè)計(jì) 溫度采集終端采用溫度傳感器DS18B20直接連入ARM主控器的通用I/O端口實(shí)現(xiàn)。ARM主控制器直接控制DS18B20進(jìn)行溫度采集，并存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)SQLite3中，為數(shù)據(jù)處理做準(zhǔn)備?？紤]到溫度傳感器的體積大小、成本、測(cè)量精度、靈敏度、穩(wěn)定性等因素

14、，本系統(tǒng)采用了DS18B20溫度傳感器。ADC轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì) 在本文所設(shè)計(jì)的氣密性檢測(cè)儀中，10位精度的A/D轉(zhuǎn)換器完全能夠滿足氣密性檢測(cè)系統(tǒng)的需求，因此可直接使用S3C2440A片內(nèi)集成的A/D轉(zhuǎn)換器。該轉(zhuǎn)換器是一逐次逼近型、8路模擬信號(hào)輸入的10位A/D轉(zhuǎn)換器。系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái)構(gòu)建及驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái)構(gòu)建及驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)n系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 本文設(shè)計(jì)的氣密性檢測(cè)儀的軟件整體結(jié)構(gòu)如圖所示。這里，我們選用嵌入式Linux作為ARM主控制器的操作系統(tǒng)。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)開放，使系統(tǒng)的整體開發(fā)、維護(hù)費(fèi)用很低，這也是我們選擇它做為操作系統(tǒng)的主要原因。Li

15、nux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134KB，適合在嵌入式系統(tǒng)上運(yùn)行。 圖9 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 綜上所述，我們需要完成的工作主要有： BootLoader 的移植、Linux2.6.32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)移植及嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)SQLite3的移植等工作。 在驅(qū)動(dòng)程序編寫中主要涉及到：ADC驅(qū)動(dòng)，LCD驅(qū)動(dòng)，DS18B20驅(qū)動(dòng)程序等其它驅(qū)動(dòng)程序的編寫工作。 具體的移植步驟在此不做詳細(xì)闡述。 在系統(tǒng)中，我們采用Qtopia2.2.0及觸摸屏來實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，使設(shè)計(jì)的檢測(cè)儀操作簡(jiǎn)單便捷。同時(shí)，我們選用了嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)

16、SQLite3完成數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)工作，為進(jìn)一步的數(shù)據(jù)處理做準(zhǔn)備。應(yīng)用程序設(shè)計(jì)應(yīng)用程序設(shè)計(jì) 完成了對(duì)氣密性檢測(cè)儀的底層軟件體系構(gòu)建后，我們還需要設(shè)計(jì)編寫相應(yīng)的應(yīng)用軟件程序，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的整體功能。系統(tǒng)采用Qtopia2.2.0圖形界面，我們已經(jīng)介紹了Qtopia2.2.0開發(fā)環(huán)境的搭建，這節(jié)我們主要介紹基于它的應(yīng)用程序是如何編寫的，該程序可自動(dòng)完成整個(gè)系統(tǒng)氣密性檢測(cè)過程及結(jié)果顯示。 根據(jù)系統(tǒng)的要求，我們?cè)O(shè)計(jì)的應(yīng)用界面共分為4個(gè)子界面，它們分別是：登陸界面，參數(shù)設(shè)置界面、實(shí)時(shí)曲線顯示界面、最終結(jié)果顯示界面。如下所示：圖10 登陸界面圖11 參數(shù)設(shè)置界面應(yīng)用程序設(shè)計(jì)應(yīng)用程序設(shè)計(jì) 圖12 數(shù)據(jù)曲線顯示圖13

17、 最終結(jié)果顯示界面應(yīng)用程序設(shè)計(jì)應(yīng)用程序設(shè)計(jì) 最終，我們需要把檢測(cè)到各種數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總處理，并針對(duì)被測(cè)器件是否滿足氣密性要求，是否可用提出寶貴意見。該數(shù)據(jù)處理過程我們采用模糊綜合評(píng)判算法實(shí)現(xiàn)。 模糊綜合評(píng)價(jià)法是以模糊數(shù)學(xué)理論為基礎(chǔ)，綜合考慮多種影響因素的一種評(píng)價(jià)決策方法。它綜合了定性分析與定量分析兩者的優(yōu)勢(shì)，從而更能進(jìn)行準(zhǔn)確的決策。模糊綜合評(píng)價(jià)法是一種適合氣密性檢測(cè)的建模方法，通過研究影響檢測(cè)結(jié)果的各種因素之間的關(guān)系，我們很容易對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行判斷。數(shù)據(jù)處理算法應(yīng)用程序設(shè)計(jì)應(yīng)用程序設(shè)計(jì)a)確定評(píng)價(jià)因素集 經(jīng)過對(duì)大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，我們可以確定影響檢測(cè)結(jié)果的因素主要有：標(biāo)準(zhǔn)件與被測(cè)件之間氣壓差，檢測(cè)的

18、環(huán)境溫度，標(biāo)準(zhǔn)件與被測(cè)件之間溫度差，標(biāo)準(zhǔn)件與被測(cè)件之間氣壓差。它們組成評(píng)價(jià)因素集為：4321,ffffF b)確定評(píng)價(jià)結(jié)果集 根據(jù)進(jìn)行氣密性檢測(cè)的用戶需求，我們很容易得出評(píng)價(jià)結(jié)果主要有：良好，合格，小泄漏，大泄漏。由此確定其評(píng)價(jià)結(jié)果集為： 4321,eeeeE 應(yīng)用程序設(shè)計(jì)應(yīng)用程序設(shè)計(jì)c）單因素評(píng)價(jià)集 我們采用最簡(jiǎn)單也最常用的統(tǒng)計(jì)分析的方法進(jìn)行單因素評(píng)價(jià)，確定綜合評(píng)價(jià)表如下： 我們可以計(jì)算得到權(quán)值矩陣良好合格泄漏大泄漏氣壓差X11X12X13X14n檢測(cè)壓力X21X22X23X24n環(huán)境溫度X31X32X33X34n溫度差X41X42X43X44n4 , 3 , 2 , 1; 4 , 3 ,

19、2 , 1,jinXrijij應(yīng)用程序設(shè)計(jì)應(yīng)用程序設(shè)計(jì) d) 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)及其大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，得出檢測(cè)結(jié)果評(píng)判的權(quán)重集為： e)則綜合評(píng)定結(jié)果（綜合評(píng)價(jià)向量）為： RWSf 09. 0 ,06. 0 ,22. 0 ,63. 0fW應(yīng)用程序設(shè)計(jì)應(yīng)用程序設(shè)計(jì)n 數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)庫(kù)SQLite3部分的設(shè)計(jì)部分的設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)建立一個(gè)名為chen.db的SQLite3數(shù)據(jù)庫(kù)，在該數(shù)據(jù)庫(kù)中有5個(gè)數(shù)據(jù)表，一個(gè)為user表，用來存儲(chǔ)該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理者信息，保證系統(tǒng)的安全性；一個(gè)parameter表，用來存儲(chǔ)檢測(cè)參數(shù)信息；一個(gè)pressdate表，用來存儲(chǔ)采集到的氣壓信息；一個(gè)為pressdif表，用來存儲(chǔ)采集的壓差信息；一個(gè)temperature表，用來存儲(chǔ)溫度信息。 這些存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)不但提供給ARM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。 系統(tǒng)測(cè)試及結(jié)果分析系統(tǒng)測(cè)試及結(jié)果分析 經(jīng)過前面的測(cè)試，測(cè)試確定系統(tǒng)的每