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基于互聯(lián)網(wǎng)的超聲波式氣密性檢測技術(shù)

發(fā)布時間：2016-03-27  點擊次數(shù)：人次  分享：

       
        今天講的是關(guān)于氣密性檢測。在氣動產(chǎn)品的質(zhì)量體系里，其中很重要的一項就是關(guān)于產(chǎn)品的氣密性，其實不僅僅是氣動產(chǎn)品，包括液壓產(chǎn)品，其他容器類的產(chǎn)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(shù)，是關(guān)于整個工件質(zhì)量管理方面技術(shù)的一個研討。

 

        伴隨著這兩天大家熱議的工業(yè)4.0、中國制造2025，檢測技術(shù)很容易和我們的智能制造、互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合起來。今天我們報告主要講下面幾個內(nèi)容：

 

●技術(shù)背景；

●檢測的原理和檢測的方法；

●我們開發(fā)的檢測的儀器；

●基于互聯(lián)網(wǎng)的纜索保護層氣密性檢測。

 

技術(shù)背景

        圖1是我們大致總結(jié)的在氣密性檢測應(yīng)用中的一些重要方法，在這里不管是生產(chǎn)氣缸的或者是生產(chǎn)閥的或者是生產(chǎn)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?shù)拇?，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(jīng)不適合現(xiàn)在工廠自動化的要求了。于是就有一系列的關(guān)于自動化檢測的方法應(yīng)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(diào)的冷凝管，要求氣密性非常高的時候，我們會用化學(xué)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(fā)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(jīng)做過的，它能夠非常直觀地看到泄漏發(fā)生在什么位置，缺點是設(shè)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(nèi)發(fā)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(lián)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(xiàn)在對于我們的產(chǎn)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(xué)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(fā)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(chǎn)生摩擦之后很容易產(chǎn)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(fā)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(shè)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(chǎn)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(chǎn)生是具有很強的定位性，它從某個位置發(fā)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(fā)生的定位有了一個很好的基礎(chǔ)。

超聲波檢測泄漏并不是我們獨創(chuàng)的。大概在20年前就已經(jīng)有這種技術(shù)了，超聲波傳感器也存在了很久，是一項古老的技術(shù)。目前用超聲波檢測氣密性系統(tǒng)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(fā)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?qū)π孤┛走M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(fā)出聲音，是因為產(chǎn)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(fā)現(xiàn)：產(chǎn)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?shù)鼐鶆蚪橘|(zhì)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(cè)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(guī)則的湍流，這個湍流就會產(chǎn)生一種非常典型的超聲波的現(xiàn)象，剛才也說了超聲波和孔徑的大小、內(nèi)部的壓力都是有一定的關(guān)系的，我們利用這種關(guān)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(guān)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(guān)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(chǎn)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(chǎn)生的超聲波和我們環(huán)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(fā)生在什么位置。

圖2 聲學(xué)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(zhì)量的要求越來越高之后，很小的泄漏所產(chǎn)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(shù)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(xiàn)在很多場合，尤其是節(jié)能環(huán)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(nèi)，該怎么進行檢測？

 

        這種情況下我們采取了一種新的技術(shù)，多傳感器的數(shù)據(jù)融合，來提高微小泄漏的識別方法。我們傳統(tǒng)的只用一只傳感器，有聲強，就有泄漏?，F(xiàn)在我們用兩只、三只到四只，來組成聯(lián)合的采集，通過數(shù)據(jù)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(jù)理論的方法，相當于偵破人員通過各種證據(jù)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?；谶@三種目標，確定的規(guī)則為：目標是否具有最大的可信度，在某一個閾值之內(nèi)，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(fā)生。

 

我們開發(fā)的檢測的儀器

        我們最近開發(fā)了三種儀器，大致的原理都一樣。超聲波系統(tǒng)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(diào)理、數(shù)據(jù)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(xiàn)超聲波檢測的這樣一個系統(tǒng)。

圖4 超聲波氣體泄漏檢測系統(tǒng)的組成

 

        圖5是我們開發(fā)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(tǒng)，在這套系統(tǒng)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(xiàn)數(shù)據(jù)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(cè)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(xiàn)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(xiàn)線陣列，這個儀器可實現(xiàn)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(yīng)的國內(nèi)、國際標準，我們總結(jié)了以下幾點：

●內(nèi)部壓縮氣體充壓300kPa或內(nèi)置超聲波發(fā)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(nèi)，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(nèi)；

●超聲波換能器陣列的中心頻率40kHz，接收靈敏度-50dB以內(nèi)（0dB=1V/Pa）；

●基于陣列式超聲波氣密性檢測系統(tǒng)具有與工業(yè)現(xiàn)場配套的數(shù)據(jù)接口和數(shù)據(jù)顯示。

 

應(yīng)用領(lǐng)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(nèi)部產(chǎn)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(diào)系統(tǒng)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(xiàn)在比如說用水淋的方法來檢測，才能檢測的出來，現(xiàn)在用超聲波檢測都可以來實現(xiàn)。

 

基于互聯(lián)網(wǎng)的纜索保護層氣密性檢測

       最后講一下怎么利用互聯(lián)網(wǎng)來檢測，這是我們最近承擔的一個科研項目?，F(xiàn)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(shè)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(fā)生毀壞，鋼絲繩就暴露出來，就會發(fā)生腐蝕或銹蝕?，F(xiàn)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(tài)，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(tài)，以保證鋼絲的壽命。

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