今天講的是關于氣密性檢測。在氣動產品的質量體系里，其中很重要的一項就是關于產品的氣密性，其實不僅僅是氣動產品，包括液壓產品，其他容器類的產品，比如汽車里的油箱、變速箱、水箱，都有氣密性這方面的要求，所以我這次的交流報告不僅僅限于我們的氣動技術，是關于整個工件質量管理方面技術的一個研討。
伴隨著這兩天大家熱議的工業4.0、中國制造2025，檢測技術很容易和我們的智能制造、互聯網結合起來。今天我們報告主要講下面幾個內容：
●技術背景；
●檢測的原理和檢測的方法；
●我們開發的檢測的儀器；
●基于互聯網的纜索保護層氣密性檢測。
技術背景
圖1是我們大致總結的在氣密性檢測應用中的一些重要方法，在這里不管是生產氣缸的或者是生產閥的或者是生產一些容器類元件的，如果在做檢測的時候都會用到氣密性檢測，那么常用的方法可能就是上面表里列出的。比如說最常用的氣泡法和涂抹法，把工件放在水里，看是否有氣體泄漏出來，或者拿肥皂水在工件的表面來進行涂抹、測試，氣泡法是我國檢測氣密性的標準，而且眾多的工廠都在使用。但大家在用的時候也會感到局限性，比如說你放在水里了，那你的后處理就很麻煩，有些器件是不允許放在水里的，這種檢測就不能進行，涂抹法同樣也是，它需要大量的人去進行涂抹，工作量相當的大，所以這種原始的人工的檢測方法雖是一種標準，但實際已經不適合現在工廠自動化的要求了。于是就有一系列的關于自動化檢測的方法應運而生了。
圖1 氣密性檢測的一些重要方法
這些方法是精度比較高的，尤其是空調的冷凝管，要求氣密性非常高的時候，我們會用化學的或者氣體分析的方法，但這些方法最大的問題是價格極其昂貴，同時要用一些特殊的氣體，會發生很大的消耗費用。另外，因為測試的空間比較小，大型的工件無法測試。
紅外檢測在前幾年非常盛行，我們實驗室也曾經做過的，它能夠非常直觀地看到泄漏發生在什么位置，缺點是設備投資大。
大概在一、二十年前有了差壓法，通過檢測壓力是否在一段時間內發生變化，來判斷是否有泄漏。流量法：沒有容積的或者容積很小的器件的時候，我們直接可以串聯一個流量計來進行檢測。那么這些方法只能是測量是否有泄漏，現在對于我們的產品來說，不僅僅檢測是否有泄漏，有些我們還要補救，這就要求我們必須不但知道有泄漏，還要知道泄漏點在什么位置，泄漏的量是多少，這樣差壓法、流量法就不太適合，那么更高精度的化學分析法費用又太高，所以今天我們就給大家介紹超聲波的方法。
超聲波檢測氣密性的原理很簡單，流體如果要是從泄漏口里排出來的時候，會發生一些特性的變化，其中很重要的變化就是會有一定的流速，而這種流速和我們的空氣產生摩擦之后很容易產生超聲波。如果用超聲波傳感器來檢測，當檢測到超聲波時，我們就認為這個地方可能發生了泄漏。超聲波檢測的好處：
●體積比較小，超聲波傳感器都非常小巧；
●便于攜帶使用，因為它是電子設備；
●易操作，因為它的原理就是檢測有沒有超聲波；
●精度比較高，因為微小的泄漏也會產生超聲波，要是我們能識別出來是否有超聲波的話，也就能識別是否有泄漏；
●超聲的產生是具有很強的定位性，它從某個位置發生出來，是以一個扇面往前走，離中心最近聲強最高，這就有使超聲波發生的定位有了一個很好的基礎。
超聲波檢測泄漏并不是我們獨創的。大概在20年前就已經有這種技術了，超聲波傳感器也存在了很久，是一項古老的技術。目前用超聲波檢測氣密性系統的方法存在這么幾個不足：
●是靈敏度不夠，大的泄漏比如說噴射式的可以，但是小的滲漏式的泄漏就非常難測量；
●沒有定位功能，只能說有超聲波就有泄漏，但發生在什么地方很難說；
●孔徑的大小無法確定，如果有泄漏，到底泄漏了多少，不清楚。
所以我們要從這三方面改進，要提高靈敏度，提高定位精度，能夠對泄漏孔進行估算。
檢測的原理和檢測的方法
我們講一下超聲波檢測的原理和方法。我們說話為什么會發出聲音，是因為產生了一個聲強，圖2是聲強的一個公式，存在了大概有100多年了，公式簡化之后我們就發現：產生的聲壓的有效值與噴口的直徑、氣流密度、噴注速度的四次方呈正比，與測試點的距離、當地均勻介質中的聲速的二次方呈反比。也就是只要有泄漏，有噴射的氣體出來，那么這幾個因素對我們的聲強就會有很大的影響。圖3右側是非常簡單的泄漏原理圖，如果有泄漏，它噴射出來之后就會形成一個非常不規則的湍流，這個湍流就會產生一種非常典型的超聲波的現象，剛才也說了超聲波和孔徑的大小、內部的壓力都是有一定的關系的，我們利用這種關系來判斷采集到的聲強和泄漏孔是一個什么樣的具體的關系。
另外，在超聲的傳播過程中，是有一定的速度的，如果超聲波傳感器不止一個，有三四個的話，那么到每一傳感器的距離、時間都是不一樣的，也就意味著通過這種距離和時間的差，可以精確地知道泄漏點和各個傳感器的相對位置關系，通過這些原理測量出泄漏的特性。圖3右下角這個圖是我們選擇超聲波傳感器的原則，超聲波一般在20kHz～幾百kHz，還沒有一種傳感器可以覆蓋所有頻率的超聲波，同時我們也不知道從泄漏孔里泄出來的這個氣流產生的超聲波是一個多大頻率范圍，實際上它包含了從有聲到無聲到超聲這一塊。圖3不是我們提出來的，是一個共識的東西，就是大概在40kHz的時候，由于泄漏產生的超聲波和我們環境本身噪聲，這時候的信噪比是最高的，所以我們一般選擇超聲傳感器的頻率是40kHz。原理很簡單，只要能測出來聲強，我們就可以知道是否有超聲波，我們知道時間，就大概知道超聲波發生在什么位置。
圖2 聲學公式
圖3 泄漏原理圖
由此，我們要解決的問題：
●微小泄漏如何識別？實際上對檢測質量的要求越來越高之后，很小的泄漏所產生的超聲波大概都是零點幾赫茲的時候，用普通的超聲波技術是非常難測出來的。
●泄漏點如何進行定位？
●泄漏孔徑如何估算？
首先介紹一下微小泄漏如何識別？現在很多場合，尤其是節能環保要求高的時候，測試壓力不能太高，有時雖然能到1MPa，2MPa，也有的場合可能就是幾十kPa，或者幾kPa。舉個例子，比如說0.1mm孔徑的泄漏孔，如果充壓是300kPa，在500mm開外，有或者沒有泄漏的聲強只差0.05～0.2dB，這是什么概念？就是我們輕輕哈一口氣都大概是它的十倍到一百倍，聲強差在這么小的范圍內，該怎么進行檢測？
這種情況下我們采取了一種新的技術，多傳感器的數據融合，來提高微小泄漏的識別方法。我們傳統的只用一只傳感器，有聲強，就有泄漏。現在我們用兩只、三只到四只，來組成聯合的采集，通過數據的運算對是否有泄漏來進行判斷，具體我不詳細講。通過運算，得出來一個概率，泄漏或者不泄漏的概率，因為世界上沒有不泄漏的東西，泄漏不泄漏大概也就是一個概率。每一個概率得出來之后，我們通過證據理論的方法，相當于偵破人員通過各種證據來對它進行判斷的方法，來確定是否有泄漏。那么我們識別的目標就有三種可能性：泄漏、未泄漏、不確定。基于這三種目標，確定的規則為：目標是否具有最大的可信度，在某一個閾值之內，要定好是否泄漏的閥值，目標的可信度跟其他的判定標準類似，必須大于某一個值，才能夠確定是否泄漏，我們用這個理論來判別微小泄漏是否存在或者發生。
我們開發的檢測的儀器
我們最近開發了三種儀器，大致的原理都一樣。超聲波系統的組成是這樣的（見圖4）：超聲波換能器是最重要的，當然越靈敏越好；第二是信號的調理、數據的采集，然后里面要有一個高性能的CPU，然后加上機箱，還有一些算法的程序，來實現超聲波檢測的這樣一個系統。
圖4 超聲波氣體泄漏檢測系統的組成
圖5是我們開發的采用一種高性能CPU和高精度的同步采集器，來進行采集的一個采集系統，在這套系統里，我們可以連接高達32路，中心頻率40kHz的超聲波換能器，同時這個檢測儀器具有了剛才所說的微小泄漏檢測、泄漏點定位、泄漏點孔徑估算的功能，同時因為它實際嵌入的是一個嵌入式電腦，它可以進行顯示，包括泄漏位置的顯示都可以接出來，另外通過接口，可以實現數據的傳輸。
圖5 基于嵌入式電腦的測試儀器
另外還有兩種是手持式的。圖6是手持嵌入式的，利用單片機來進行。里面就放了三個探頭，通過剛才的算法，就可以識別出來是否有泄漏。一旦有泄漏之后，在側面有一些指示燈，就可以指示出來，有泄漏時燈就亮了，無泄漏燈就暗了，另外在這三個探頭中間有一個激光束，如果有泄漏的時候，激光束就打出去了，打出去的位置基本上就是我們泄漏孔的位置，另外一個好處是可以接在很多機械手手臂的末端，可以實現自動檢測，或者是無人檢測。
圖6 基于嵌入式單片機的測試儀器(一)
當在遠距離的或者要更明顯地看到泄漏孔位置的時候，可以用圖7的儀器，它采用ARM芯片，高速的同步采集、AD采集，采用四個超聲波組成面陣列。剛才我們講的可以實現線陣列，這個儀器可實現面陣列，面陣列的好處在于對于一個大的工件或遠距離工件的時候，我們不僅僅可以識別出來他是否有泄漏，還可以知道泄漏的位置，可以通過后面的液晶面板看到。
圖7 基于嵌入式單片機的測試儀器(二)
沖壓的方式各種各樣，也沒有相應的國內、國際標準，我們總結了以下幾點：
●內部壓縮氣體充壓300kPa或內置超聲波發生器的容器類試件，距離其1m處可檢測最小有效泄漏孔徑為0.1mm，可檢漏率小于10-4Pa?m3/s；
●泄漏孔定位的精確度φ2mm以內，氣體泄漏量判別靈敏度不低于1dm3/min；
●泄漏孔徑大小的估算誤差在10%以內；
●超聲波換能器陣列的中心頻率40kHz，接收靈敏度-50dB以內（0dB=1V/Pa）；
●基于陣列式超聲波氣密性檢測系統具有與工業現場配套的數據接口和數據顯示。
應用領域：
（1）泄漏探測：適合于壓力容器泄漏檢測、汽車檢測/飛機檢測/艦船氣密性檢測、管道泄漏檢測等適宜檢測各類管道、閥門等部件內部產生的裂痕。
（2）密封性探測：適合于整車檢測、汽車門窗密封檢測、駕駛室防風、空調系統泄漏、艙蓋密封性檢測。這是我們過去所有方法都不能檢測的，除非現在比如說用水淋的方法來檢測，才能檢測的出來，現在用超聲波檢測都可以來實現。
基于互聯網的纜索保護層氣密性檢測
最后講一下怎么利用互聯網來檢測，這是我們最近承擔的一個科研項目。現在纜索式大橋越來越多，因為它施工比較簡單，看上去也很壯觀。纜索主要是鋼絲繩組成，外面纏繞防護帶，因為大橋的設計壽命大概在百年左右，鋼絲不允許有銹蝕、斷裂，所以必須要纏上防護帶。但是日久天長，防護帶會發生毀壞，鋼絲繩就暴露出來，就會發生腐蝕或銹蝕。現在是在防護帶里充上空氣，干燥的空氣，大概是5～10kPa，這樣鋼絲就處于一種通風的狀態，即使外面的空氣很潮濕，它也會通過通風把潮濕的空氣帶走，使鋼絲一直處于干燥的狀態，以保證鋼絲的壽命。
Copyright ? 2015-2020 上海凌紐電子科技有限公司 滬ICP備15051997號-1 All rights reserved 
滬公網安備 31010502004780號
