怎样设计一个基于STM32的水位传感器气密性检测仪？

在水位传感器的出厂检测过程中需要进行气密性检测，为此，设计了一个基于STM32的水位传感器气密性检测仪。该检测仪采用直压式气体检漏的方法，以STM32F030R8为控制核心，控制气泵进行充气，压力传感器检测气压并通过电桥差分信号输出，高精度气压测量模块测量电桥信号的输出，通过程序控制实现气密性检测的加压、稳压、保载、判断、输出等步骤，并将判断结果通过LCD显示和继电器输出。通过多次实验和测试，该气密性检漏系统能够实现对水位传感器泄漏的检测，且实验数据较为准确、稳定，重复性较好。

引言

早期对气密性检测常采用的是气泡法，即将待测工件放入水中，向待测工件的腔体中充入一定压力的气体，通过观察有无气泡从水中冒出来判断气密性好坏。气泡法对检测对象依靠肉眼判断，检测不够准确，同时对检测工件的泄漏不能做定量分析，只能应用在对气密性要求低的场合。随着时代的进步，气密性直压检测方法得到了广泛应用[1-2]，即向待测工件的腔体内充入一定压力的气体，通过检测一定时间内待测工件内部压力的变化情况来判断工件的泄漏程度。这种方法检测效率高、成本低，可以实现定性和定量分析。

水位传感器在洗衣机等行业中广泛使用，洗衣机外桶中有一个气室，水位改变时，气室内部的压力大小将改变，该气室和水位传感器气路相通，气压推动水位传感器中的膜片使电感量发生变化，从而使组成的LC振荡电路频率发生变化，洗衣机控制主板通过检测振荡电路的频率，从而获取水位的高低[3-4]。如果水位传感器存在泄漏的情况，将导致洗衣机控制主板测量的水位高低不准确，故在水位传感器的出厂检测中，气密性检测是一项重要的检测项目。因此，本文设计了一种基于STM32的水位传感器气密性检测仪，采用直压法检测，并对测量结果进行显示和输出，满足了水位传感器对气密性检测的需求。

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系统工作原理

 JI DIAN XIN XI 

完成对水位传感器的气密性检测需要气路、硬件和软件三部分协调工作。STM32通过控制微型气泵对气室进行充气，硬件集成有检测模块和处理器模块，对水位传感器的气压进行检测和信号转换，在硬件的基础上通过软件编程实现气密性检测。

设计的水位传感器气密性检漏系统利用直压法原理检测。直压法泄漏检测就是对水位传感器的腔体内充入一定压力的气体，检测在一定时间内气压的变化情况，并进行泄漏量的计算。直压法的理论基础是理想气体状态方程，如式（1）所示，用于描述理想气体的压强P、体积V、物质的量n、摩尔气体常数R、温度T之间的关系。

设气路中密闭部分的体积为V，充入气体后水位传感器内部的压强为P0，如果水位传感器有泄漏，则在时间t后，其内部的压强将变为P1，相应地往压强为Patm的大气中泄漏体积为Vatm的气体。根据质量守恒定律，检测过程中向大气溢出的物质的量和剩余质量之和等于气体初始质量，如式（2）所示：

式（2）表明，根据一定时间内气压的变化量就可以判断产品是否泄漏和泄漏的程度。

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系统构成

 JI DIAN XIN XI 

水位传感器气密性检测仪的系统气路原理图如图1所示。通过直流气泵给待测工件充压，气源气体输出前可以通过调节节流阀的旋钮来控制流量，再经过一个单向阀得到稳定且不产生回流的气体给待测件充气。当压力达到设定值后，停止充气。经过缓冲时间后，压力趋于稳定，此时测量的压力值作为初次压力测量值，运行完保载时间，再次对待测工件进行压力测量，两者差值与允许泄漏量进行比较，从而判断是否有泄漏。检测过程由STM32进行控制。

水位传感器气密性检测仪的硬件电路如图2所示，分为三个部分：气路系统、数据采集系统和微处理器系统。供气系统是由直流气泵来制备气源，气体通过气路对被测对象进行充气、检测等动作；气压传感器实时检测待测工件内部的压力情况，并将采集的压力信息转换为微弱的电信号，信号调理模块对微弱的电信号进行调理，在MCU的控制下经过A/D转换器转换为微处理器可以识别的二进制码的形式；MCU与STM32之间采用串口通信，STM32获取气压的实时值，并对来自人机交互模块键盘进行响应，检测结束后将检测的信息显示在液晶显示屏上，并通过继电器将检测结果进行输出。

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系统工作原理

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设计的水位传感器气密性系统流程图如图3所示，由STM32通过程序实现。

设计的水位传感器气密性一共用到5个按键，分别定义为UP、DOWN、OK、SET、START，可以用来设定参数，启动实验，程序流程图如图4所示。

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实验

本项目设计硬件实物图如图5所示，按图5放置时，控制器核心部分采用5 V供电，左-右+，直流气泵电源部分采用3 V供电，左-右+，直流气泵接口左-右+，其余接口还包括检测结果OK继电器输出接口、检测结果NO继电器输出接口、传感器气路测量接口、键盘接口、液晶接口。

设置水位传感器的测试压力为10 kPa，缓冲时间为10 s，保载时间为20 s，泄漏允许量为100 Pa，标定的压力比压力表的压力略大，但是气密性检测关注重点是保载前后的压力差。取10只气密性合格和10只气密性不合格的水位传感器进行测试，测试结果表明，该水位传感器气密性测试仪能准确判断是否合格，表明了该设备的可行性。

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结语

该检测仪用于水位传感器的气密性检测，主要由STM32、直流气泵、气压传感器、A/D转换器、液晶显示屏、按键、继电器等构成。实验结果表明，所设计的水位传感器气密性检测仪测试数据较为准确、稳定，重复性较好，能准确判断水位传感器的气密性是否合格，满足了水位传感器气密性检测的需求。

审核编辑：刘清