電連接器的密封性檢測方法研究

周帥，牛付林，盧思佳，劉磊，王斌

（工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣東 廣州 510610）

0 引言

電連接器擔(dān)負著控制系統(tǒng)的電能傳輸、信號控制和傳遞的任務(wù)。衛(wèi)星、航天飛機和運載火箭由于需要長時間在真空環(huán)境中運行，因而其對電連接器的密封性能有較高的要求。氣體密封性 （簡稱氣密性）檢測是保證產(chǎn)品的質(zhì)量和安全性能的重要手段，因此，必須對電連接器的密封性能進行測試，保證整機設(shè)備符合長壽命、高可靠性的要求。電連接器的密封特性 （施加高壓、大漏率等特點）決定了無法使用檢測精度最高的氦質(zhì)譜檢測法來對其密封性能進行檢測，取而代之的是使用GJB 1217A-2009方法1008（空氣泄漏法）。所謂空氣泄漏法，即是一種在安裝好的固定連接器前后之間產(chǎn)生一個氣壓差，然后用一個裝在試驗樣品低氣壓端的檢測器測出試驗樣品密封處的漏泄程度的方法。

筆者走訪調(diào)研后發(fā)現(xiàn)，行業(yè)內(nèi)的電連接器密封試驗按照GJB 1217A-2009方法1008開展時存在諸多的問題，例如：氣泡的直徑及氣泡產(chǎn)生的頻率難以準確地確定，持續(xù)加壓、檢測時間未明確，以及檢測靈敏度低等問題，從而容易造成試驗結(jié)果不準確，導(dǎo)致經(jīng)常漏判或誤判。因此，業(yè)內(nèi)亟需一種靈敏度高、檢測準確性好的檢測方法，以便對電連接器的密封性能進行檢測。

1 空氣泄漏法及其存在的問題的分析

1.1 空氣泄漏法的檢測原理

空氣泄漏法的檢測方法如下：將被檢件的一端密封好，向被檢件的另一端連接充氣管路并加壓，使其壓力上升到規(guī)定的數(shù)值，然后將被檢件放入水槽中，仔細地觀察需檢測的部位，看是否有單個或成串的氣泡產(chǎn)生，通過測量氣泡的直徑及氣泡產(chǎn)生的頻率來計算被測件的泄漏量。根據(jù)試驗原理及GJB 1217A-2009方法1008的要求，搭建的試驗裝置如圖1-2所示。

圖1 空氣泄漏法密封試驗原理圖

圖2 空氣泄漏法密封試驗設(shè)備裝置圖

1.2 空氣泄漏法的漏率計算

在被檢件內(nèi)充入一定壓力的示漏氣體后，將其放入液體中，被檢件內(nèi)的氣體會通過漏孔進入周圍的液體，形成氣泡；氣泡形成的地方就是漏孔存在的位置，根據(jù)氣泡形成的速率、氣泡的大小，以及所用氣體和液體的物理性質(zhì)，就可以計算出漏孔的泄漏率。

假設(shè)氣泡為球狀，某一漏孔處氣泡形成的頻率為n，測得氣泡在液面上的直徑為Db，此時，氣泡內(nèi)的壓力Pb為大氣壓力Pa和液體表面張力σ引起的壓力之和，即

對應(yīng)于檢測溫度T和氣泡內(nèi)的壓力Pb的體積泄漏率為：

式 （2）中：n——氣泡形成的頻率。

折算到標準狀態(tài)下的體積泄漏率為：

式 （3）中：n——氣泡形成的頻率，單位1/s；

Db——液面上氣泡的直徑，單位m；

Pb——氣泡內(nèi)的壓力，單位Pa；

Pa——大氣壓力，單位Pa；

σ——液體表面張力，單位N/m。

1.3 空氣泄漏法存在的問題的分析

空氣泄漏法的檢漏原理比較簡單，檢測成本低，在檢測中有較廣泛的應(yīng)用。但是，由于該方法存在氣泡的直徑及氣泡產(chǎn)生的頻率難以準確地確定，持續(xù)加壓、檢測時間未明確，以及檢測靈敏度低等諸多問題，因而導(dǎo)致得到的試驗結(jié)果只是一個定性的描述，而不是定量的結(jié)論?？偨Y(jié)起來，使用空氣泄漏法對樣品的氣密性進行檢測時，主要存在以下幾個方面的問題。

a）檢測方法的轉(zhuǎn)變

對某型號電連接器按GJB 1217A-2009方法1008進行密封檢漏，試驗條件：施加0.1 Mpa的壓力，接收漏率L≤16 cm3/s。由于該方法存在試驗參數(shù)不確定，試驗設(shè)備條件有限等缺點，因而將樣品放入水中30 min后，人眼未觀察到有水泡冒出，但加壓端的壓力值卻在緩慢地降低。這是由于檢漏介質(zhì)導(dǎo)致產(chǎn)生的泄漏量較小，因而無法觀察到水泡的產(chǎn)生，此時，空氣泄漏法實際上就變成了壓降法。壓降法的放置時間較長，氣體溫度及壓力變化較大，對試驗結(jié)果的影響也較大，檢測效率極低，而且無法確定泄漏位置。

b）漏率值難以準確地確定

采用空氣泄漏法檢測出的泄漏率的大小與氣泡的直徑、氣泡形成的頻率，以及氣泡內(nèi)的壓力有關(guān)。 由公式 （1）-（3） 可知，對漏率≥1.0×10-1Pa·cm3/s的電連接器施加0.1 MPa的壓力時，將有連續(xù)的大氣泡冒出，但是，由于水中氣泡的直徑不規(guī)則，因而無法準確地計算出氣泡的直徑；同時，由于氣泡形成的頻率太快，人眼也無法直接對其進行觀察，因而采用空氣泄漏法得到的泄漏率往往不夠準確。

c）靈敏度較低

空氣泄漏法的靈敏度與諸多因素有關(guān)。液體表面的張力越小，示漏氣體的壓力越高，漏孔距離液面越近，可檢測出來的漏孔就越小，則靈敏度也越高；示漏氣體的粘度越小，分子量越小，靈敏度也越高。大量的試驗都證明，采用水作為試驗液體時空氣泄漏法的靈敏度較低。

2 差壓檢漏法檢漏過程

差壓檢漏法 （如圖3所示）是同時向兩個相同的容器內(nèi)充入一定壓力的氣體，兩個容器中一個為標準件，即無泄漏件，另一個為被測件。當(dāng)被測件有泄漏時，只要通過容器間的差壓傳感器測出泄漏被測件與標準件之間的壓力差，就可以計算出泄漏量。在差壓測試法中，由于被測件和標準件的結(jié)構(gòu)完全相同，在測試過程中的各種誤差因素的影響，例如：絕熱、溫度、汽化和蒸化等因素的影響都可以不予考慮，而且差壓傳感器的精度又比較高，因此其不僅可以精確地檢測出微小的泄漏，而且對于電連接器的密封大漏率問題更是可以定量地檢測。

圖3 差壓法檢漏法檢測過程

差壓檢漏的過程主要分為5個階段，即充氣階段、第一平衡階段、第二平衡階段、測量階段和排氣階段。

a）充氣階段

這段過程為從打開電磁閥1，對兩容器充氣，到電磁閥2、3被打開的過程。

b）第一平衡階段

這段過程為從電磁閥2、3開啟，到電磁閥4開啟的過程。停止充氣后，由于系統(tǒng)內(nèi)的壓力、溫度等分布不均衡，容器內(nèi)的氣壓將產(chǎn)生波動。為了減小這些波動，電磁閥4將一直導(dǎo)通，使待測樣品內(nèi)腔的氣壓與標準件內(nèi)腔的氣壓相對保持均衡，從而起到保護差壓傳感器的作用。

c）第二平衡階段

此過程為從電磁閥4開啟，到開始進入檢測階段為止。經(jīng)過第一平衡過程后，系統(tǒng)內(nèi)的壓力、溫度等參數(shù)的分布變得相對均衡。但是，由于電磁閥4的開啟，系統(tǒng)內(nèi)的氣體將會產(chǎn)生一定的波動。為了減小這種波動的影響，需要等到待測容器與參考容器之間的壓力相對平衡時，再進入下一個階段。

d）檢測階段

此階段用于檢測差壓，此時容器內(nèi)的壓降主要是由于泄漏所引起的，通過測量差壓，就能夠間接地判斷容器的氣密性，計算出泄漏量。

e）排氣階段

完成測試后，需要將腔體內(nèi)的氣體排放到環(huán)境里，排氣完畢后，一個檢測過程就完成了。根據(jù)前面對檢測過程的分析，得出電磁閥的控制時序如圖4所示，圖中t1為充氣時間， t2為第一平衡時間， t3為第二平衡時間，t4為測試時間，t5為排氣時間。

圖4 開關(guān)時序

3 差壓檢漏法的漏率公式推導(dǎo)

氣體的泄漏量與測試壓力和泄漏孔的結(jié)構(gòu)有關(guān)，但泄漏孔的結(jié)構(gòu)無法用物理的方法測量出來，因此，此處采取相關(guān)參數(shù)的方法，通過測量容器內(nèi)的壓力的變化來推導(dǎo)出泄漏量。小泄漏會使容器內(nèi)的壓力降低，但是壓力降與測試壓力相比要小很多，基本可以忽略；受靈敏度和精度的限制，目前的壓力傳感器無法檢測到壓力的微小變化，因此不能用壓力傳感器來測量壓力降，只能間接地使用差壓傳感器來測量壓力的變化。

為了推導(dǎo)出泄漏量的計算公式，需做如下假設(shè)：

1）泄漏測量的過程中，容器的溫度和體積均沒有變化；

2）除被測容器外，測試氣路和標準容器無泄漏；

3）容器內(nèi)測試管道的體積遠遠小于被測容器的體積。

視整個檢測過程為等溫過程，因此，根據(jù)玻意耳-馬略特定律可以得到被測容器的壓力變化為：

由于基準容器是密封的，因而可以認為容器內(nèi)的壓力是不變的，即：

假設(shè)兩容器相同，由等式 （4）可以得到下列等式：

由于可以認為泄漏產(chǎn)生的壓力降在測試壓力范圍內(nèi)的變化與時間是成比例的，因此氣體的體積泄漏量為：

式 （4）-（7）中：P1——被測容器測試前的壓力；

Pt——被測容器測試后的壓力；

P0——標準大氣壓；

Vt——被測容器內(nèi)氣體占有的容積；

ΔVL——標準狀態(tài)下泄漏氣體的容積；

Pm——基準容器內(nèi)的壓力；

Δt——前后兩次檢測的時間差。

因此，在已知被測容器的容積Vt時，只要測出大氣壓力P0及檢測容器的泄漏壓力差 ΔP和測試時間Δt，就可以求出被測容器的泄漏量。

4 空氣泄漏法與差壓檢漏法比對測試

分別采用空氣泄漏法和差壓檢漏法對體積為50 cm3的圓形電連接器樣品的氣密性進行檢測，然后將兩種檢測的結(jié)果進行對比。

4.1 漏率≤1.0×10-2pa·cm3/s時

a）空氣泄漏法

用壓縮機加壓，上午10點時壓力表的讀數(shù)為0.1 MPa，關(guān)閉閥門，停止加壓，然后靜置，詳細的試驗過程如圖5-6所示。

圖5 樣品外觀全貌

圖6 空氣泄漏法試驗過程

下午2點時，壓力表的讀數(shù)為0.02 MPa，氣體溫度為25℃ （期間未觀察到氣泡出現(xiàn)），則當(dāng)P1=0.2 MPa，P2=0.12 MPa，壓力為0.12 MPa，溫度為25℃時，氣體的泄漏率為：

標準狀態(tài)下：TS=273.14 K，PS=1.01325 Pa，則折算到標準狀態(tài)下氣體的泄漏率為：

b）差壓檢漏法

差壓檢漏法的測漏過程如圖7-9所示。

圖7 樣品安裝夾具圖

圖8 樣品安裝完畢等待測試

圖9 差壓檢漏儀軟件操作

當(dāng)充氣時間為10 s，第一階段的平衡時間為10 s，第二階段的平衡時間為10 s，檢測時間為5 s，測試壓力為0.1 MPa，基準體積為400 mL，差壓變化為10 Pa時，由差壓檢漏儀器直接讀出的數(shù)據(jù)，或根據(jù)公式 （3）-（4）計算可以得到，氣體的泄漏率為 9.87×10-4mL/s。

4.2 泄漏率≥1.0×10-2Pa·cm3/s時

a）空氣泄漏法

用壓縮機加壓，壓力表的讀數(shù)為0.1 MPa，關(guān)閉閥門，停止加壓，然后放置不動，氣體溫度為25℃。從電連接器一端出現(xiàn)氣泡，氣泡形成的速率約為3個/s，氣泡直徑約等于0.05 m，水溶液的張力為7.2×10-2N/m，標準狀態(tài)下：TS=273.14 K，PS=101325 Pa，根據(jù)公式 （9）可知測得的氣體的泄漏率為 1.46×106mL/s。

b）差壓檢漏法

當(dāng)充氣時間為10 s，第一階段平衡時間為10 s，第二階段平衡時間為10 s，檢測時間為5 s，測試壓力為0.1 MPa，基準體積為400 mL，差壓變化為500 Pa時，由差壓檢漏儀器直接讀出的數(shù)據(jù)，或根據(jù)公式 （3）-（4）計算可以得到，氣體的泄漏率為 4.93×10-2mL/s。

5 結(jié)束語

空氣泄漏法是常用的檢測樣品的氣密性的方法，它具有簡單易行、易檢測出泄漏的具體位置、檢測技術(shù)要求不高的特點，但是空氣泄漏法通常只作定性判斷，不作定量判斷，且存在明顯的問題。

a）空氣泄漏法的準確度主要取決于對氣泡的直徑，以及氣泡產(chǎn)生的速率測量的準確程度；當(dāng)氣泡直徑大于1 mm時，氣泡將獨立緩慢地上升，而且可以明顯地看到氣泡從液面下往上生成時其直徑會逐漸地變大，因而無法準確地確定氣泡的直徑。此外，人眼也無法準確地分辨出氣泡產(chǎn)生的頻率，所以憑人眼的分辨及經(jīng)驗來判斷氣泡的直徑及氣泡產(chǎn)生的頻率會對試驗結(jié)果造成極大的誤差。

b）試驗必須在水中進行，檢測周期長、自動化程度低，試驗結(jié)果易受人為因素的干擾和影響；而且此方法也不適合用于檢測一些要求用泄漏或泄漏率來鑒定的產(chǎn)品的氣密性。

另外，空氣泄漏法的靈敏度與顯示液體的表面張力也有很大的關(guān)系。液體表面張力越小，示漏氣體的壓力越高，漏孔距離液面越近，可檢測出來的漏孔就越小，靈敏度也越高；示漏氣體的粘度越小，分子量越小，靈敏度也越高。

與空氣泄漏法相比，差壓檢漏法具有諸多的優(yōu)點。首先，差壓檢漏法實現(xiàn)了整個檢測過程的自動化，縮短了檢測周期，減少了檢測前的準備工作量，提高了測試效率；其次，由于差壓檢漏法的分辨率與施加的壓力無關(guān)，使得其檢測靈敏度高；最后，與氦質(zhì)譜檢漏法相比，差壓檢漏法可檢范圍較廣，同時還可以克服溫度變化對測量結(jié)果的影響，但是差壓檢漏法也存在一定的缺點，例如：差壓檢漏法不能確定被測件的泄漏位置。

從試驗情況來看，對于大容積腔體的密封檢測首先推薦使用差壓式檢漏法，該方法不僅可以檢測微小泄漏，對于大漏率腔體試樣同樣適用，如電連接器。在精度要求較高的情況下，可以用差壓檢漏法定量地分析電連接器的密封性，應(yīng)用前景十分廣闊 （空氣泄漏法與差壓檢漏法的密封檢測性能對比情況如表1所示）。

表1 空氣泄漏法與差壓檢漏法的密封檢測性能比對

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