差压气密性检测仪设计

基于ARM的差压式气密性检测仪的设计与实现辽宁工程技术大学电信学院2011年12月20日结论四主要内容课题研究的背景及意义一气密性检测仪的研究现状二主要研究内容三课题研究的背景及意义课题背景及意义随着当前我国经济的迅猛发展及城乡一体化战略的实施，人们对社会的需求也日新月异，尤其对汽车、日用家电、能源等行业的产品关注程度大幅度提升。这些行业已日益成为我国经济发展过程中不可缺少的重要组成部分。与此同时，对这些行业及其相关产品的质量和安全性能检验也日趋重要。由于质量问题引发重大损失的事件时有发生，给人民财产乃至生命安全造成无法挽回的伤害。在国家质量技术监督局对相关生产企业的产品逐步展开的生产资质认证中显示，气密性检测设备已成为我们保证产品质量和安全性能的必要设备之一。气密性检测仪的研究现状国外研究现状目前，国外一些厂家的气密性检测技术日趋成熟。为提高设备检测的准确性和安全性，国外采用了采样数据的合理性处理、系统误差的自我校正与检测手段等方面有机结合的办法。法国的ATEQ公司作为世界制造气密性测试仪器的先行者，他们的产品在阀门、煤气、电子、压铸、包装等诸多领域都有涉及。还有美国USON公司也研究生产了多种类型的气密性检测仪。它的4000系列提供了多种检测模式，同时考虑了不同的泄漏性能、泄漏量及针对实际中不同被测物的容积及泄漏大小提供了相应的产品。此类气密性检测设备不仅可以判断产品合格与否，也能检测出被测产品的泄漏量。气密性检测仪研究现状国内研究现状目前，我国研发出的很多气密性检测产品都可以定量或定性的判断出产品是否泄漏，但在测试准确度和重复性方面却比较低。因此，面对当前的这种情况，对于气密性检测仪的研究是势在必行。国内投入了大量的人力、物力，并开发和研究了一些气密性检测设备，大部分的设备是采用进口的高分辨率传感器或对检测参数人为的补偿误差等方法来提高测量的准确度。虽然选用较高分辨率的传感器可以提高测量的准确度，但是会增加产品的生产成本。气密性检测方法的性能比较序号检测方法操作是否容易检测精度可靠性适用性经济性1水检法复杂高一般一般昂贵2流量检测法简单一般可靠一般适宜4氦气检测法简单高可靠受限昂贵3直压式检测法简单低可靠一般适宜5差压式检测法简单高可靠广泛适宜主要研究内容1.差压式气密性检测仪的理论基础分析2.气密性检测仪的系统方案设计及硬件电路设计3.系统开发平台构建及驱动程序设计主要研究内容4.应用程序设计5.系统实验测试和结果分析差压式气密性检测仪的理论基础分析图中的差压检测仪相当于天平的指针，标准器件与被测器件就相当于天平的两个托盘。当阀门A和B关闭时后，我们就可以通过位于中间的差压检测仪测量两者之间气压差的大小。差压检测的方法是与差压传感器的制造工艺密不可分的。在差压传感器内部存在一个薄膜，当标准器件与被测器件之间存在气压差时，该薄膜就会受到挤压，平衡就会被破坏，而我们检测的前提条件是假设标准器件是绝对无泄漏的，所以该压差就应该为被测器件引起的。差压式气密性检测仪的理论基础分析差压式气密性检测仪的基本操作步骤(1)充气阶段。这个阶段又被称为加压动作，对于三个电磁阀SV1，SV2及SV3全部处于打开状态，让气流平稳顺利通过，即完成对标准器件和被测器件的充气加压工作。(2)平衡环节。为了能够准确进行测量，需要保证标准器件与被测器件内的气流稳定，无大的起伏，由此我们关闭电磁阀SV2和SV3。平衡环节是为下一步的检测环节做准备的关键步骤，其平衡时间的大小是保证检测准确的重要因素。(3)检测环节。这个环节是气密性检测过程中的核心步骤，差压式气密性检测在此步骤进行，检测的时间也是经过认真、细致的计算的。差压传感器把气压差值转化为电压信号，该电压信号经过放大传递到ARM主控制器。(4)排气环节。在检测完成的最后环节，我们还需要把在充气阶段充入标准器件和被测器件的气体放出，即打开电磁阀SV2和SV3，把气体排放到大气中，完成整个检测过程。差压气密性检测仪的系统设计气密性检测仪主要是利用压力原理对待检测器件进行无损密闭性检测，适合于各行业有气密性要求的大部分产品进行检测试验。根据前面所述，在综合考虑各方面因素的基础上，本系统最终电路硬件设计框图，它分为以下几个模块。图1气密性检测仪系统框图SamsungS3C2440A信号调理电路差压传感器温度传感器驱动电路电控阀组声光报警电源、监控和复位K9F1208(NandFlash)LCD显示绝压传感器信号调理电路HY75V561620(SRAM)差压气密性检测仪的系统设计(1)中央处理模块该部分为整个系统的控制中心，其主要功能是通过ARM主控制器实现对各个阀门的开关控制，同时利用传感器将系统各个阶段的气压信号、温度信号等转变成电压信号，再由ARM主控器通过A/D接口完成信息的采集，并完成最后的数据处理，进而实现一次完整的差压式气密性检测。(2)数据采集模块该部分主要负责各种环境变量的采集工作，包括标准器件和被测器件之间的差压值，被测器件的气压值，外部的环境温度值等。将采集到数据转换为电信号传回ARM主控制器完成后续的数据处理。差压气密性检测仪的系统设计(3)电磁阀驱动及声光报警模块电磁阀控制部分的主要作用是通过控制电磁阀的自动开启和关闭，从而控制气流的通过和阻断，实现测试过程的自动化，是控制系统检测参数的重要组成部分。声光报警部分是用户能够准确操作的重要保证。(4)人机界面模块该系统采用液晶显示与触摸屏接口做为人机交互模块，使得输入和输出操作简单直观。微处理器的选择由前面的叙述，可以看出本文设计的差压式气密性检测仪，需要完成多种数据信息的采集存储、电磁阀的控制及数据曲线的显示等功能。而作为一种安全检测仪器，它有要求微处理器具有一定的稳定性。综合这些要求，我们选用三星公司开发的S3C2440A为气密性检测仪的主控制器。S3C2440集成的片上功能主要有：(1)3.3V外部I/O供电，1.8V内存供电，支持16KBcache/MMU微处理器(2)LCD控制器（支持256K色TFT和4K色STN）支持1通道LCD专用DMA(3)外部存储控制器（包括SDRAM控制和片选逻辑）(4)1通道IIC-BUS、2通道SPI以及3通道UART(5)8通道ADC和触摸屏接口(6)130个通用I/O口和24通道外部中断源(7)具有PLL片上时钟发生器差压传感器的选择在本文所述的气密性检测仪中，标准器件与被测器件之间的气压差值是需要测量的重要参量，在这里我们选用SM5651/SM5652系列微差压压力传感器SM5651。SM5651/SM5652是完全校准和温度补偿微差压双列直插高性能压力传感器。该系列为陶瓷基底贴装高稳定压阻式压力传感器芯片，利用陶瓷基板上的薄膜电阻进行零度校正、零点温度补偿和灵敏度温度补偿。图2差压传感器的外观图图3SM5651管脚的电气连接图绝压传感器的选择在本文所述的气密性检测仪中，被测器件的绝对气压值是需要测量的另一个重要参量。NPI-19型压力传感器，该系列压力传感器应用广泛，其应用领域主要有过程控制系统，液压系统及阀门、生物医疗仪器及航海系统等。在本设计中采用的是量程是15psi的NPI-19型芯片。NPI-19型压力传感器的外观和原理图如图所示。图4绝压传感器的外观图图5NPI-19型压力传感器原理图信号调理电路标准器件和被测器件之间的气压差信号，经过微差压传感器SM5651采集后得到微弱的电压信号，还有经过NPI-19型压力传感器采集到气压信号，两者都不适宜直接进行模数转换处理，需要通过信号处理电路对其进行放大，才能提供给ARM主控制器的模数转换电路做进一步的数据处理。我们采用AnalogMicroelectronicsGmbH(AMG)公司提供的电压转换集成电路AM401来实现信号的处理。图6信号调理电路原理图VIN-VIN+1234J1CON3I+I-CVREF1CVSET2IN+3IN-4OUTIA5INOP6GAIN7VOUT8VCC11VSET12ZA13GND14VREF15U1AM401Rset666C12.2ufRLLA4.7kR210kR144.2kD1TVS123J2CON3C230pfC30.33ufC40.33ufL200RR1-144.2kRIset5KRsp220信号调理电路上图所示电路图中采用附加的运算放大器OP2用来为电桥电路提供恒流电源。仪表放大器的偏置调零管脚是接地，增益G通过外接电阻R1-1、R2、Rsp调节，因为偏置电压为零，输出电压的传递函数为：INOUTGVV211RRGGGGIAOPIAIAG=5其中传感器SM5651是通过AM401提供的恒流源供电的，电流大小可以通过电阻RSET和RISET调整。最终计算出的各参数值如图中标注。其他电路温度采集电路设计温度采集终端采用温度传感器DS18B20直接连入ARM主控器的通用I/O端口实现。ARM主控制器直接控制DS18B20进行温度采集，并存储到数据库SQLite3中，为数据处理做准备。考虑到温度传感器的体积大小、成本、测量精度、灵敏度、稳定性等因素，本系统采用了DS18B20温度传感器。ADC转换电路设计在本文所设计的气密性检测仪中，10位精度的A/D转换器完全能够满足气密性检测系统的需求，因此可直接使用S3C2440A片内集成的A/D转换器。该转换器是一逐次逼近型、8路模拟信号输入的10位A/D转换器。系统开发平台构建及驱动程序设计系统软件设计本文设计的气密性检测仪的软件整体结构如图所示。这里，我们选用嵌入式Linux作为ARM主控制器的操作系统。Linux是一个成熟而稳定的网络操作系统，它的源代码完全免费开放，使系统的整体开发、维护费用很低，这也是我们选择它做为操作系统的主要原因。Linux同时又是一个可定制的操作系统，其内核最小只有约134KB，适合在嵌入式系统上运行。图9系统软件结构图系统软件设计综上所述，我们需要完成的工作主要有：BootLoader的移植、Linux2.6.32的裁剪与移植，根文件系统的制作、Qtopia2.2.0移植、触摸屏驱动移植及嵌入式数据库SQLite3的移植等工作。在驱动程序编写中主要涉及到：ADC驱动，LCD驱动，DS18B20驱动程序等其它驱动程序的编写工作。具体的移植步骤在此不做详细阐述。在系统中，我们采用Qtopia2.2.0及触摸屏来实现人机交互，使设计的检测仪操作简单便捷。同时，我们选用了嵌入式数据库SQLite3完成数据的存储工作，为进一步的数据处理做准备。应用程序设计完成了对气密性检测仪的底层软件体系构建后，我们还需要设计编写相应的应用软件程序，以实现系统的整体功能。系统采用Qtopia2.2.0图形界面，我们已经介绍了Qtopia2.2.0开发环境的搭建，这节我们主要介绍基于它的应用程序是如何编写的，该程序可自动完成整个系统气密性检测过程及结果显示。根据系统的要求，我们设计的应用界面共分为4个子界面，它们分别是：登陆界面，参数设置界面、实时曲线显示界面、最终结果显示界面。如下所示：图10登陆界面图11参数设置界面应用程序设计图12数据曲线显示图13最终结果显示界面应用程序设计最终，我们需要把检测到各种数据进行汇总处理，并针对被测器件是否满足气密性要求，是否可用提出宝贵意见。该数据处理过程我们采用模糊综合评判算法实现。模糊综合评价法是以模糊数学理论为基础，综合考虑多种影响因素的一种评价决策方法。它综合了定性分析与定量分析两者的优势，从而更能进行准确的决策。模糊综合评价法是一种适合气密性检测的建模方法，通过研究影响检测结果的各种因素之间的关系，我们很容易对检测结果进行判断。数据处理算法应用程序设计a)确定评价因素集经过对大量的实验数据分析，我们可以确定影响检测结果的因素主要有：标准件与被测件之间气压差，检测的环境温度，标准件与被测件之间温度差，标准件与被测件之间气压差。它们组成评价因素集为：4321,,,ffffFb)确定评价结果集根据进行气密性检测的用户需求，我们很容易得出评价结果主要有：良好，合格，小