差壓氣密性檢測儀設計（課堂PPT）

1、基于基于ARM的差壓式氣密性檢測儀的設計與實現(xiàn)的差壓式氣密性檢測儀的設計與實現(xiàn)遼寧工程技術大學電信學院2011年12月20日2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儀的研究現(xiàn)狀二二主要研究內(nèi)容三三3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 隨著當前我國經(jīng)濟的迅猛發(fā)展及城鄉(xiāng)一體化戰(zhàn)略的實施，人們對社會的需求也日新月異，尤其對汽車、日用家電、能源等行業(yè)的產(chǎn)品關注程度大幅度提升。這些行業(yè)已日益成為我國經(jīng)濟發(fā)展過程中不可缺少的重要組成部分。與此同時，對這些行業(yè)及其相關產(chǎn)品的質(zhì)量和安全性能檢驗也日趨重要。由于質(zhì)量問題引發(fā)重大損失的事件時有發(fā)生，給人民財產(chǎn)乃至生命安全造成無法挽回

2、的傷害。在國家質(zhì)量技術監(jiān)督局對相關生產(chǎn)企業(yè)的產(chǎn)品逐步展開的生產(chǎn)資質(zhì)認證中顯示，氣密性檢測設備已成為我們保證產(chǎn)品質(zhì)量和安全性能的必要設備之一。4氣密性檢測儀的研究現(xiàn)狀n國外研究現(xiàn)狀國外研究現(xiàn)狀 目前，國外一些廠家的氣密性檢測技術日趨成熟。為提高設備檢測的準確性和安全性，國外采用了采樣數(shù)據(jù)的合理性處理、系統(tǒng)誤差的自我校正與檢測手段等方面有機結(jié)合的辦法。法國的ATEQ公司作為世界制造氣密性測試儀器的先行者，他們的產(chǎn)品在閥門、煤氣、電子、壓鑄、包裝等諸多領域都有涉及。還有美國USON公司也研究生產(chǎn)了多種類型的氣密性檢測儀。它的4000系列提供了多種檢測模式，同時考慮了不同的泄漏性能、泄漏量及針對實際中

3、不同被測物的容積及泄漏大小提供了相應的產(chǎn)品。此類氣密性檢測設備不僅可以判斷產(chǎn)品合格與否，也能檢測出被測產(chǎn)品的泄漏量。5氣密性檢測儀研究現(xiàn)狀n國內(nèi)研究現(xiàn)狀國內(nèi)研究現(xiàn)狀 目前，我國研發(fā)出的很多氣密性檢測產(chǎn)品都可以定量或定性的判斷出產(chǎn)品是否泄漏，但在測試準確度和重復性方面卻比較低。因此，面對當前的這種情況，對于氣密性檢測儀的研究是勢在必行。國內(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設備，大部分的設備是采用進口的高分辨率傳感器或?qū)z測參數(shù)人為的補償誤差等方法來提高測量的準確度。雖然選用較高分辨率的傳感器可以提高測量的準確度，但是會增加產(chǎn)品的生產(chǎn)成本。6 氣密性檢測方法的性能比較氣密性檢測

4、方法的性能比較序號檢測方法操作是否容易檢測精度可靠性適用性經(jīng)濟性1水檢法復雜高一般一般昂貴2流量檢測法簡單一般可靠一般適宜4氦氣檢測法簡單高可靠受限昂貴3直壓式檢測法簡單低可靠一般適宜5差壓式檢測法簡單高可靠 廣泛適宜7主要研究內(nèi)容1. 差壓式氣密性檢測儀的理論基礎分析2. 氣密性檢測儀的系統(tǒng)方案設計 及硬件電路設計3.系統(tǒng)開發(fā)平臺構(gòu)建及驅(qū)動程序設計4.應用程序設計 5.系統(tǒng)實驗測試和結(jié)果分析8差壓式氣密性檢測儀的理論基礎分析差壓式氣密性檢測儀的理論基礎分析 圖中的差壓檢測儀相當于天平的指針，標準器件與被測器件就相當于天平的兩個托盤。當閥門A和B關閉時后，我們就可以通過位于中間的差壓檢測儀測量

5、兩者之間氣壓差的大小。差壓檢測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)部存在一個薄膜，當標準器件與被測器件之間存在氣壓差時，該薄膜就會受到擠壓，平衡就會被破壞，而我們檢測的前提條件是假設標準器件是絕對無泄漏的，所以該壓差就應該為被測器件引起的。9差壓式氣密性檢測儀的理論基礎分析差壓式氣密性檢測儀的理論基礎分析差壓式氣密性檢測儀的基本操作步驟差壓式氣密性檢測儀的基本操作步驟 (1) 充氣階段。這個階段又被稱為加壓動作，對于三個電磁閥SV1，SV2及SV3全部處于打開狀態(tài)，讓氣流平穩(wěn)順利通過，即完成對標準器件和被測器件的充氣加壓工作。 (2) 平衡環(huán)節(jié)。為了能夠準確進行測量，需要保

6、證標準器件與被測器件內(nèi)的氣流穩(wěn)定，無大的起伏，由此我們關閉電磁閥SV2和SV3。平衡環(huán)節(jié)是為下一步的檢測環(huán)節(jié)做準備的關鍵步驟，其平衡時間的大小是保證檢測準確的重要因素。(3) 檢測環(huán)節(jié)。這個環(huán)節(jié)是氣密性檢測過程中的核心步驟，差壓式氣密性檢測在此步驟進行，檢測的時間也是經(jīng)過認真、細致的計算的。差壓傳感器把氣壓差值轉(zhuǎn)化為電壓信號，該電壓信號經(jīng)過放大傳遞到ARM主控制器。(4) 排氣環(huán)節(jié)。在檢測完成的最后環(huán)節(jié)，我們還需要把在充氣階段充入標準器件和被測器件的氣體放出，即打開電磁閥SV2和SV3，把氣體排放到大氣中，完成整個檢測過程。10差壓氣密性檢測儀的系統(tǒng)設計 氣密性檢測儀主要是利用壓力原理對待檢測

7、器件進行無損密閉性檢測，適合于各行業(yè)有氣密性要求的大部分產(chǎn)品進行檢測試驗。根據(jù)前面所述，在綜合考慮各方面因素的基礎上，本系統(tǒng)最終電路硬件設計框圖，它分為以下幾個模塊。圖1 氣密性檢測儀系統(tǒng)框圖11差壓氣密性檢測儀的系統(tǒng)設計 (1) 中央處理模塊 該部分為整個系統(tǒng)的控制中心，其主要功能是通過ARM主控制器實現(xiàn)對各個閥門的開關控制，同時利用傳感器將系統(tǒng)各個階段的氣壓信號、溫度信號等轉(zhuǎn)變成電壓信號，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，進而實現(xiàn)一次完整的差壓式氣密性檢測。 (2) 數(shù)據(jù)采集模塊 該部分主要負責各種環(huán)境變量的采集工作，包括標準器件和被測器件之間的差壓值，被

8、測器件的氣壓值，外部的環(huán)境溫度值等。將采集到數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為電信號傳回ARM主控制器完成后續(xù)的數(shù)據(jù)處理。 12差壓氣密性檢測儀的系統(tǒng)設計(3) 電磁閥驅(qū)動及聲光報警模塊 電磁閥控制部分的主要作用是通過控制電磁閥的自動開啟和關閉，從而控制氣流的通過和阻斷，實現(xiàn)測試過程的自動化，是控制系統(tǒng)檢測參數(shù)的重要組成部分。聲光報警部分是用戶能夠準確操作的重要保證。(4)人機界面模塊 該系統(tǒng)采用液晶顯示與觸摸屏接口做為人機交互模塊，使得輸入和輸出操作簡單直觀。 13 微處理器的選擇微處理器的選擇 由前面的敘述，可以看出本文設計的差壓式氣密性檢測儀，需要完成多種數(shù)據(jù)信息的采集存儲、電磁閥的控制及數(shù)據(jù)曲線的顯示等功能。

9、而作為一種安全檢測儀器，它有要求微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個通用I/O口和24通道外部中斷源 (7) 具有PLL片上時鐘發(fā)生器14差壓

10、傳感器的選擇差壓傳感器的選擇 在本文所述的氣密性檢測儀中，標準器件與被測器件之間的氣壓差值是需要測量的重要參量，在這里我們選用SM5651/SM5652系列微差壓壓力傳感器 SM5651。 SM5651/SM5652是完全校準和溫度補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行零度校正、零點溫度補償和靈敏度溫度補償。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 15 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儀中，被測器件的絕對氣壓值是需要

11、測量的另一個重要參量。NPI-19型壓力傳感器，該系列壓力傳感器應用廣泛，其應用領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。在本設計中采用的是量程是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16 信號調(diào)理電路信號調(diào)理電路 標準器件和被測器件之間的氣壓差信號，經(jīng)過微差壓傳感器SM5651采集后得到微弱的電壓信號，還有經(jīng)過NPI-19型壓力傳感器采集到氣壓信號，兩者都不適宜直接進行模數(shù)轉(zhuǎn)換處理，需要通過信號處理電路對其進行放大，才能提供給ARM主控制器的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路做進一步

12、的數(shù)據(jù)處理。我們采用Analog Microelectronics GmbH (AMG)公司提供的電壓轉(zhuǎn)換集成電路AM401來實現(xiàn)信號的處理。 圖6 信號調(diào)理電路原理圖 VIN-VIN+1234J1CON3I+I-CVREF1CVSET2IN+3IN-4OUTIA5INOP6GAIN7VOUT8VCC11VSET12ZA13GND14VREF15U1AM401Rset666C12.2ufRLLA4.7kR210kR144.2kD1TVS123J2CON3C230pfC30.33ufC40.33ufL200RR1-144.2kRIset5KRsp22017信號調(diào)理電路信號調(diào)理電路 上圖所示電路圖

13、中采用附加的運算放大器OP2用來為電橋電路提供恒流電源。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)，因為偏置電壓為零，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。最終計算出的各參數(shù)值如圖中標注。18其他電路其他電路溫度采集電路設計 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端口實現(xiàn)。ARM主控制器直接控制DS18B20進行溫度采集，并存儲到數(shù)據(jù)庫SQLite3中，為數(shù)據(jù)處理做準備?？紤]到溫

14、度傳感器的體積大小、成本、測量精度、靈敏度、穩(wěn)定性等因素，本系統(tǒng)采用了DS18B20溫度傳感器。ADC轉(zhuǎn)換電路設計 在本文所設計的氣密性檢測儀中，10位精度的A/D轉(zhuǎn)換器完全能夠滿足氣密性檢測系統(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路模擬信號輸入的10位A/D轉(zhuǎn)換器。19系統(tǒng)開發(fā)平臺構(gòu)建及驅(qū)動程序設計系統(tǒng)開發(fā)平臺構(gòu)建及驅(qū)動程序設計n系統(tǒng)軟件設計系統(tǒng)軟件設計 本文設計的氣密性檢測儀的軟件整體結(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是一個成熟而穩(wěn)定的網(wǎng)絡操作系統(tǒng)，它的源代碼完全免費開放，使系統(tǒng)的整體開發(fā)

15、、維護費用很低，這也是我們選擇它做為操作系統(tǒng)的主要原因。Linux同時又是一個可定制的操作系統(tǒng)，其內(nèi)核最小只有約134KB，適合在嵌入式系統(tǒng)上運行。 圖9 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖20系統(tǒng)軟件設計系統(tǒng)軟件設計 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)動移植及嵌入式數(shù)據(jù)庫SQLite3的移植等工作。 在驅(qū)動程序編寫中主要涉及到：ADC驅(qū)動，LCD驅(qū)動，DS18B20驅(qū)動程序等其它驅(qū)動程序的編寫工作。 具體的移植步驟在此不做詳細闡述。 在系統(tǒng)中，我們采用Qtopia2.2.0及觸摸屏來實現(xiàn)人

16、機交互，使設計的檢測儀操作簡單便捷。同時，我們選用了嵌入式數(shù)據(jù)庫SQLite3完成數(shù)據(jù)的存儲工作，為進一步的數(shù)據(jù)處理做準備。21應用程序設計應用程序設計 完成了對氣密性檢測儀的底層軟件體系構(gòu)建后，我們還需要設計編寫相應的應用軟件程序，以實現(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用程序是如何編寫的，該程序可自動完成整個系統(tǒng)氣密性檢測過程及結(jié)果顯示。 根據(jù)系統(tǒng)的要求，我們設計的應用界面共分為4個子界面，它們分別是：登陸界面，參數(shù)設置界面、實時曲線顯示界面、最終結(jié)果顯示界面。如下所示：圖10 登陸界面圖1

17、1 參數(shù)設置界面22應用程序設計應用程序設計 圖12 數(shù)據(jù)曲線顯示圖13 最終結(jié)果顯示界面23應用程序設計應用程序設計 最終，我們需要把檢測到各種數(shù)據(jù)進行匯總處理，并針對被測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判算法實現(xiàn)。 模糊綜合評價法是以模糊數(shù)學理論為基礎，綜合考慮多種影響因素的一種評價決策方法。它綜合了定性分析與定量分析兩者的優(yōu)勢，從而更能進行準確的決策。模糊綜合評價法是一種適合氣密性檢測的建模方法，通過研究影響檢測結(jié)果的各種因素之間的關系，我們很容易對檢測結(jié)果進行判斷。數(shù)據(jù)處理算法24應用程序設計應用程序設計a)確定評價因素集 經(jīng)過對大量的實驗

18、數(shù)據(jù)分析，我們可以確定影響檢測結(jié)果的因素主要有：標準件與被測件之間氣壓差，檢測的環(huán)境溫度，標準件與被測件之間溫度差，標準件與被測件之間氣壓差。它們組成評價因素集為：4321,ffffF b)確定評價結(jié)果集 根據(jù)進行氣密性檢測的用戶需求，我們很容易得出評價結(jié)果主要有：良好，合格，小泄漏，大泄漏。由此確定其評價結(jié)果集為： 4321,eeeeE 25應用程序設計應用程序設計c）單因素評價集 我們采用最簡單也最常用的統(tǒng)計分析的方法進行單因素評價，確定綜合評價表如下： 我們可以計算得到權值矩陣良好合格泄漏大泄漏氣壓差X11X12X13X14n檢測壓力X21X22X23X24n環(huán)境溫度X31X32X33X

19、34n溫度差X41X42X43X44n4 , 3 , 2 , 1; 4 , 3 , 2 , 1,jinXrijij26應用程序設計應用程序設計 d) 根據(jù)經(jīng)驗及其大量的實驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，得出檢測結(jié)果評判的權重集為： e)則綜合評定結(jié)果（綜合評價向量）為： RWSf 09. 0 ,06. 0 ,22. 0 ,63. 0fW27應用程序設計應用程序設計n 數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)庫SQLite3部分的設計部分的設計 本系統(tǒng)建立一個名為chen.db的SQLite3數(shù)據(jù)庫，在該數(shù)據(jù)庫中有5個數(shù)據(jù)表，一個為user表，用來存儲該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理者信息，保證系統(tǒng)的安全性；一個parameter表，用來存儲檢測參數(shù)信息；一個pressdate表，用來存儲采集到的氣壓信息；一個為pressdif表，用來存儲采集的壓差信息；一個temperature表，用來存儲溫度信息。 這些存儲的數(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。 28系統(tǒng)測試及結(jié)果分析系統(tǒng)測試及結(jié)果分析 經(jīng)過前面的測試，測試確定系統(tǒng)的每