现代化生产的不断进步，对检测手段提出了越来越高的要求，气密性检测作为检测方式的一种，在保证产品质量等方面起着越来越重要的作用。对严格要求密封性的产品来说，如果在使用过程中发生泄漏且泄漏量超过了允许范围，将直接影响产品的可靠性、经济性等，还可能引起火灾、爆炸、有害气体溢出等严重后果，引发不可挽回的损失[1]。如何快速高精度地检测泄漏量，一直是相关企业关注且急待解决的问题。国内现有且常用的气密性检测方法主要有以下几种[2]：水检法、流量测量法、氦气法、直压式检测法及差压式检测法等。由于差压式检测法检测速度快且精度高，在此采用差压式检测法，并结合嵌入式开发平台设计了一款轻巧可携带的气密性检测仪。
1 检测原理与系统气路实现
差压式检测仪的基本检测原理与化学实验中所用的天平如出一辙。在该检测方法中引入了一个标准的对比器件，使用精密对称的检测气路进行测量。在检测过程中，通过对称气路同时向两个器件内充入一定压力的气体。当被检测器件出现泄漏时，两个器件间的差压传感器就能够检测出被测器件与标准器件之间的压力差值，之后经过一定的数据处理，计算出泄漏量。
为计算泄漏量，根据玻意耳—马略特定律可知，被测器件内的气压值的变化为[2]：
2 系统的硬件设计
系统主要由中央处理模块、数据采集模块、信号调理模块、电磁阀控制和声光报警模块、电源模块和人机交互等模块构成。气密性检测仪的硬件设计框图如图2所示。
2.1 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ARM9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ARM9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。本系统ARM9主控制器采用三星公司开发的S3C2440为主处理器。S3C2440微处理器为手持数码设备和一般类型应用提供了低功耗、低价格、高性能微控制器的解决方案。S3C2440集成了丰富的内部设备，从而降低了整体系统成本。S3C2440基于ARM920T内核,采用了新的总线架构AMBA(Advanced Micro controller Bus Architecture),实现了AMBA BUS、MMU和Harvard高速缓冲体系结构，这一架构具有独立的16 KB数据cache和16 KB指令cache。
2.2 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、被测器件的绝对气压值和外部的环境温度值等。
选用SM5651/SM5652系列微压量程是0.15 psi的SM5651微差压压力传感器来检测标准器件与被测器件之间的气压差值。它具有如下特性[3]：信号输出与差压值成正比，在满量程输出时最大可达到75 mV；芯片的迟滞性为±0.65%FS，线性度为±2.5%FS，灵敏度匹配性为±5.0%FS；采用恒流源激励，温度补偿范围在0~60°，跨度校准正高达2%，有零点校准及温度补偿。
被测器件的绝对气压值是需要测量的另一个重要参量，在此选用NovaSensor的NPI系列量程是15 psi的NPI-19型压力传感器。它具有如下特性：固态传感器的高可靠性；信号输出与气压值成正比，在满量程输出时最大可达到100 mV;具有1.0 mA激励电流下100 mV FSO的高灵敏度,典型线性度为0.1%FS,典型的热准确度为0.2%FSO；采用1mA的恒流源激励，温度补偿范围在0~70°，有零点校准及温度补偿。
此外，由于微小的环境温度变化也会影响到测试系统的差压值的绝对值，所以需对外部环境温度进行实时的检测。本系统选用了DS18B20温度传感器，主要是因其具有成本低、外围电路简单和调试维护方便的特点。DS18B20连入ARM9主控器的通用I/O端口GPF0， ARM9主控制器可直接控制DS18B20进行温度采集。
2.3 信号调理模块
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采集以及被测器件的绝压信号经过NPI-19型压力传感器后采集得到的微弱的电流信号，都不适宜直接进行模数转换处理，需要通过信号调理电路对其进行放大，并把电流信号转换为电压信号，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。由此，采用Analog Microelectronics GmbH（AMG）公司提供的电压转换集成电路AM401来实现信号的处理。AM401是一个带有附加功能和电路保护功能的信号放大集成电路，具有极性保护和输出短路保护功能，又可以输出几乎为零的零点信号。很少的外围元器件使电路板的设计很快就可完成[4]。本系统的信号调理电路如图3所示。
2.4 电磁阀控制和声光报警模块
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[5]。声光报警部分是用户能够准确操作的重要保证。当泄漏量超出设定的压差阈值，ARM主控制器则会发送报警命令启动声光报警。
2.5 电源模块和人机交互模块
差压传感器SM5651和绝压传感器NPI-19使用的是电流源，由信号调理电路中的AM401芯片提供，电流大小可以通过图3中的电阻RSET和RISET调整。而AM401本身是+12 V电压源供电,在电磁阀驱动电路中需要+24 V电压源，ARM主控制器部分需要+5 V电压源供电。因此，选用W7824、W7812及W7805电压转换模块设计+24 V、+12 V和+5 V电源模块电路。
系统采用液晶显示与触摸屏接口作为人机交互模块，使得输入和输出操作简单直观。
3 系统的软件设计
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，因此选用嵌入式Linux作为ARM主控制器的操作系统。Linux同时又是一个可定制的操作系统，其内核最小只有约134 KB，适合在嵌入式系统上运行。
首先，搭建嵌入式开发平台基本环境,主要包括Linux-2.6.32的裁剪与移植、根文件系统的制作、Qtopia2.2.0移植、触摸屏驱动程序及嵌入式数据库SQLite3的移植等。然后，编写相关驱动程序，主要涉及到ADC驱动、LCD驱动以及DS18B20驱动程序。这部分是开发气密性检测仪平台的基础，为接下来的应用程序开发做好了准备。
4 应用程序设计
气密性检测仪的整体软件流程图如图4所示。
差压式气密性检测仪的基本操作步骤主要包括充气阶段、平衡阶段、检测阶段和放气阶段。在设计气密性检测仪时采集的信号有模拟信号（如压差信号）和数字信号。对于采集到的数据，不但需要存储到数据库中，在LCD屏上显示被测器件和标准器件之间在各个检测时期的气压差值的实时数据曲线。而且，最终还要对数据进行一定的加工处理，把处理后的判断结果提供给用户，为用户提供宝贵意见。
4.1 人机交互界面设计
Qt/Embedded是面向嵌入式系统的Qt版本。在宿主机上使用Qtopia2.2.0编写人机交互界面，再将其移植到ARM9主控平台上。
气密性检测仪是精密仪器，尽管其操作简单，但是非法的误操作容易使传感器的检测精度受到影响，甚至直接损坏传感器。因此，系统设计了登录界面，主要是对检测仪的使用权限进行管理。当系统验证通过后就可以自动跳转到检测仪的参数设置界面。在气密性检测仪的工作过程中，如果把标准器件和被检测器件之间的气压微差压值变化用数据曲线的形式表现出来，就更进一步加强了气密性检测的准确度，给用户提供了更加直观有效的数据形式。因此，设计的人机交互界面共分为4个子界面，它们分别是：登录界面、参数设置界面、实时曲线显示界面及最终结果显示界面。
4.2 数据处理
针对被测器件是否满足气密性要求、是否可用，需要把检测到的各种数据进行汇总处理。该数据处理过程采用模糊综合评判方法实现。模糊综合评判方法是以模糊数学理论为基础，是对具有多种属性的事物整体优劣进行评判，或者说某事物总体优劣受多种因素影响，难以直接用准确的定性语言进行评估时，可以考虑一种能合理地综合这些属性或因素的整体评判方法。
在系统调试过程中，选择0.06 MPa气压的空气作为检测介质，4 L的潜水泵气囊作为密封容器并对其进行气密性能检测。测试结果如表1所示。
4.3 数据库的设计
由于每次测量系统都记录了大量的数据，如差压压力值、环境温度值及检测结果等，这些数据都可以保存到数据库SQLite3中，方便用户日后使用。数据库SQLite3功能强大、接口简单、体积小、速度快。本系统采用的数据库版本是sqlite-3.5.9。首先建立1个名为chen.db的SQLite数据库，在该数据库中有5个数据表：1个user表，用来存储该系统的数据管理者信息，保证系统的安全性；1个parameter表,用来存储检测参数信息；1个pressdate表，用来存储采集到的气压信息；1个pressdif表，用来存储采集的压差信息；1个temperature表，用来存储温度信息。这些存储的数据不仅提供给ARM9主控制器做后续的数据处理，还可以提供给用户做数据考察和总结使用。
5 系统测试与性能分析
为验证整个系统的正确性，采用白盒测试和黑盒测试两者相结合的方式进行仪器性能的测试，以验证整个系统的正确性。首先是验证系统各部分单独工作是否正常，包括信号调理、ADC、数据库SQLite3数据存储以及最终波形显示等部分，其次验证系统在整体工作时的性能。测试结果表明，本系统设计的便携差压式气密性检测仪操作简单、稳定性好、精度高，通过ARM硬件平台和Linux操作系统的结合控制，提高了检测速度，同时达到了便携性的要求、小巧实用，具有广阔的应用前景。
参考文献
[1] 彭光正,纪春华,葛楠.气密性检测技术现状及发展趋势[J].机床与液压,2008(11):172-174.
[2] 林引.密闭容器气密性检测方法的仿真研究及应用[D]. 重庆:重庆大学,2007:19-20.
[3] Silicon Microstructures Inc.SM5651/SM5652 data sheet[Z]. 2008.
[4] Analog Microelectronics. AM401data sheet[Z]. 2001.
[5] 陈宇,林敏,郭斌.差压气密性检测仪设计与实现[J].中国计量学院学报,2009(4):311-314.
