基于STM32的水位傳感器氣密性檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)

引言

早期對(duì)氣密性檢測(cè)常采用的是氣泡法,即將待測(cè)工件放入水中,向待測(cè)工件的腔體中充入一定壓力的氣體,通過觀察有無氣泡從水中冒出來判斷氣密性好壞。氣泡法對(duì)檢測(cè)對(duì)象依靠肉眼判斷,檢測(cè)不夠準(zhǔn)確,同時(shí)對(duì)檢測(cè)工件的泄漏不能做定量分析,只能應(yīng)用在對(duì)氣密性要求低的場(chǎng)合。隨著時(shí)代的進(jìn)步,氣密性直壓檢測(cè)方法得到了廣泛應(yīng)用[1-2],即向待測(cè)工件的腔體內(nèi)充入一定壓力的氣體,通過檢測(cè)一定時(shí)間內(nèi)待測(cè)工件內(nèi)部壓力的變化情況來判斷工件的泄漏程度。這種方法檢測(cè)效率高、成本低,可以實(shí)現(xiàn)定性和定量分析。

水位傳感器在洗衣機(jī)等行業(yè)中廣泛使用,洗衣機(jī)外桶中有一個(gè)氣室,水位改變時(shí),氣室內(nèi)部的壓力大小將改變,該氣室和水位傳感器氣路相通,氣壓推動(dòng)水位傳感器中的膜片使電感量發(fā)生變化,從而使組成的LC振蕩電路頻率發(fā)生變化,洗衣機(jī)控制主板通過檢測(cè)振蕩電路的頻率,從而獲取水位的高低[3-4]。如果水位傳感器存在泄漏的情況,將導(dǎo)致洗衣機(jī)控制主板測(cè)量的水位高低不準(zhǔn)確,故在水位傳感器的出廠檢測(cè)中,氣密性檢測(cè)是一項(xiàng)重要的檢測(cè)項(xiàng)目。因此,本文設(shè)計(jì)了一種基于STM32的水位傳感器氣密性檢測(cè)儀,采用直壓法檢測(cè),并對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行顯示和輸出,滿足了水位傳感器對(duì)氣密性檢測(cè)的需求。

1系統(tǒng)工作原理

完成對(duì)水位傳感器的氣密性檢測(cè)需要?dú)饴?、硬件和軟件三部分協(xié)調(diào)工作。STM32通過控制微型氣泵對(duì)氣室進(jìn)行充氣,硬件集成有檢測(cè)模塊和處理器模塊,對(duì)水位傳感器的氣壓進(jìn)行檢測(cè)和信號(hào)轉(zhuǎn)換,在硬件的基礎(chǔ)上通過軟件編程實(shí)現(xiàn)氣密性檢測(cè)。

設(shè)計(jì)的水位傳感器氣密性檢漏系統(tǒng)利用直壓法原理檢測(cè)。直壓法泄漏檢測(cè)就是對(duì)水位傳感器的腔體內(nèi)充入一定壓力的氣體,檢測(cè)在一定時(shí)間內(nèi)氣壓的變化情況,并進(jìn)行泄漏量的計(jì)算。直壓法的理論基礎(chǔ)是理想氣體狀態(tài)方程,如式(1)所示,用于描述理想氣體的壓強(qiáng)P、體積V、物質(zhì)的量n、摩爾氣體常數(shù)R、溫度T之間的關(guān)系。

假設(shè)氣路中密閉部分的體積為V,充入氣體后水位傳感器內(nèi)部的壓強(qiáng)為P0,如果水位傳感器有泄漏,則在時(shí)間1后,其內(nèi)部的壓強(qiáng)將變?yōu)镻1,相應(yīng)地往壓強(qiáng)為Patm的大氣中泄漏體積為Vatm的氣體。根據(jù)質(zhì)量守恒定律,檢測(cè)過程中向大氣溢出的物質(zhì)的量和剩余質(zhì)量之和等于氣體初始質(zhì)量,如式(2)所示:

式(2)表明,根據(jù)一定時(shí)間內(nèi)氣壓的變化量就可以判斷產(chǎn)品是否泄漏和泄漏的程度。

2系統(tǒng)構(gòu)成

水位傳感器氣密性檢測(cè)儀的系統(tǒng)氣路原理圖如圖1所示。通過直流氣泵給待測(cè)工件充壓,氣源氣體輸出前可以通過調(diào)節(jié)節(jié)流閥的旋鈕來控制流量,再經(jīng)過一個(gè)單向閥得到穩(wěn)定且不產(chǎn)生回流的氣體給待測(cè)件充氣。當(dāng)壓力達(dá)到設(shè)定值后,停止充氣。經(jīng)過緩沖時(shí)間后,壓力趨于穩(wěn)定,此時(shí)測(cè)量的壓力值作為初次壓力測(cè)量值,運(yùn)行完保載時(shí)間,再次對(duì)待測(cè)工件進(jìn)行壓力測(cè)量,兩者差值與允許泄漏量進(jìn)行比較,從而判斷是否有泄漏。檢測(cè)過程由STM32進(jìn)行控制。

水位傳感器氣密性檢測(cè)儀的硬件電路如圖2所示,分為三個(gè)部分:氣路系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和微處理器系統(tǒng)。供氣系統(tǒng)是由直流氣泵來制備氣源,氣體通過氣路對(duì)被測(cè)對(duì)象進(jìn)行充氣、檢測(cè)等動(dòng)作:氣壓傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)待測(cè)工件內(nèi)部的壓力情況,并將采集的壓力信息轉(zhuǎn)換為微弱的電信號(hào),信號(hào)調(diào)理模塊對(duì)微弱的電信號(hào)進(jìn)行調(diào)理,在MCU的控制下經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為微處理器可以識(shí)別的二進(jìn)制碼的形式:MCU與STM32之間采用串口通信,STM32獲取氣壓的實(shí)時(shí)值,并對(duì)來自人機(jī)交互模塊鍵盤進(jìn)行響應(yīng),檢測(cè)結(jié)束后將檢測(cè)的信息顯示在液晶顯示屏上,并通過繼電器將檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行輸出。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的水位傳感器氣密性系統(tǒng)流程圖如圖3所示,由STM32通過程序?qū)崿F(xiàn)。

設(shè)計(jì)的水位傳感器氣密性一共用到5個(gè)按鍵,分別定義為UP、DowN、oK、sET、sTART,可以用來設(shè)定參數(shù),啟動(dòng)實(shí)驗(yàn),程序流程圖如圖4所示。

4實(shí)驗(yàn)

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)硬件實(shí)物圖如圖5所示,按圖5放置時(shí),控制器核心部分采用5V供電,左-右＋,直流氣泵電源部分采用3V供電,左-右+,直流氣泵接口左-右+,其余接口還包括檢測(cè)結(jié)果oK繼電器輸出接口、檢測(cè)結(jié)果No繼電器輸出接口、傳感器氣路測(cè)量接口、鍵盤接口、液晶接口。

設(shè)置水位傳感器的測(cè)試壓力為10kPa,緩沖時(shí)間為10s,保載時(shí)間為20s,泄漏允許量為100Pa,標(biāo)定的壓力比壓力表的壓力略大,但是氣密性檢測(cè)關(guān)注重點(diǎn)是保載前后的壓力差。取10只氣密性合格和10只氣密性不合格的水位傳感器進(jìn)行測(cè)試,測(cè)試結(jié)果表明,該水位傳感器氣密性測(cè)試儀能準(zhǔn)確判斷是否合格,表明了該設(shè)備的可行性。

5結(jié)語

該檢測(cè)儀用于水位傳感器的氣密性檢測(cè),主要由STM32、直流氣泵、氣壓傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器、液晶顯示屏、按鍵、繼電器等構(gòu)成。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,所設(shè)計(jì)的水位傳感器氣密性檢測(cè)儀測(cè)試數(shù)據(jù)較為準(zhǔn)確、穩(wěn)定,重復(fù)性較好,能準(zhǔn)確判斷水位傳感器的氣密性是否合格,滿足了水位傳感器氣密性檢測(cè)的需求。