电连接器的密封性检测方法研究

周帅，牛付林，卢思佳，刘磊，王斌

（工业和信息化部电子第五研究所，广东 广州 510610）

0 引言

电连接器担负着控制系统的电能传输、信号控制和传递的任务。卫星、航天飞机和运载火箭由于需要长时间在真空环境中运行，因而其对电连接器的密封性能有较高的要求。气体密封性 （简称气密性）检测是保证产品的质量和安全性能的重要手段，因此，必须对电连接器的密封性能进行测试，保证整机设备符合长寿命、高可靠性的要求。电连接器的密封特性 （施加高压、大漏率等特点）决定了无法使用检测精度最高的氦质谱检测法来对其密封性能进行检测，取而代之的是使用GJB 1217A-2009方法1008（空气泄漏法）。所谓空气泄漏法，即是一种在安装好的固定连接器前后之间产生一个气压差，然后用一个装在试验样品低气压端的检测器测出试验样品密封处的漏泄程度的方法。

笔者走访调研后发现，行业内的电连接器密封试验按照GJB 1217A-2009方法1008开展时存在诸多的问题，例如：气泡的直径及气泡产生的频率难以准确地确定，持续加压、检测时间未明确，以及检测灵敏度低等问题，从而容易造成试验结果不准确，导致经常漏判或误判。因此，业内亟需一种灵敏度高、检测准确性好的检测方法，以便对电连接器的密封性能进行检测。

1 空气泄漏法及其存在的问题的分析

1.1 空气泄漏法的检测原理

空气泄漏法的检测方法如下：将被检件的一端密封好，向被检件的另一端连接充气管路并加压，使其压力上升到规定的数值，然后将被检件放入水槽中，仔细地观察需检测的部位，看是否有单个或成串的气泡产生，通过测量气泡的直径及气泡产生的频率来计算被测件的泄漏量。根据试验原理及GJB 1217A-2009方法1008的要求，搭建的试验装置如图1-2所示。

图1 空气泄漏法密封试验原理图

图2 空气泄漏法密封试验设备装置图

1.2 空气泄漏法的漏率计算

在被检件内充入一定压力的示漏气体后，将其放入液体中，被检件内的气体会通过漏孔进入周围的液体，形成气泡；气泡形成的地方就是漏孔存在的位置，根据气泡形成的速率、气泡的大小，以及所用气体和液体的物理性质，就可以计算出漏孔的泄漏率。

假设气泡为球状，某一漏孔处气泡形成的频率为n，测得气泡在液面上的直径为Db，此时，气泡内的压力Pb为大气压力Pa和液体表面张力σ引起的压力之和，即

对应于检测温度T和气泡内的压力Pb的体积泄漏率为：

式 （2）中：n——气泡形成的频率。

折算到标准状态下的体积泄漏率为：

式 （3）中：n——气泡形成的频率，单位1/s；

Db——液面上气泡的直径，单位m；

Pb——气泡内的压力，单位Pa；

Pa——大气压力，单位Pa；

σ——液体表面张力，单位N/m。

1.3 空气泄漏法存在的问题的分析

空气泄漏法的检漏原理比较简单，检测成本低，在检测中有较广泛的应用。但是，由于该方法存在气泡的直径及气泡产生的频率难以准确地确定，持续加压、检测时间未明确，以及检测灵敏度低等诸多问题，因而导致得到的试验结果只是一个定性的描述，而不是定量的结论。总结起来，使用空气泄漏法对样品的气密性进行检测时，主要存在以下几个方面的问题。

a）检测方法的转变

对某型号电连接器按GJB 1217A-2009方法1008进行密封检漏，试验条件：施加0.1 Mpa的压力，接收漏率L≤16 cm3/s。由于该方法存在试验参数不确定，试验设备条件有限等缺点，因而将样品放入水中30 min后，人眼未观察到有水泡冒出，但加压端的压力值却在缓慢地降低。这是由于检漏介质导致产生的泄漏量较小，因而无法观察到水泡的产生，此时，空气泄漏法实际上就变成了压降法。压降法的放置时间较长，气体温度及压力变化较大，对试验结果的影响也较大，检测效率极低，而且无法确定泄漏位置。

b）漏率值难以准确地确定

采用空气泄漏法检测出的泄漏率的大小与气泡的直径、气泡形成的频率，以及气泡内的压力有关。 由公式 （1）-（3） 可知，对漏率≥1.0×10-1Pa·cm3/s的电连接器施加0.1 MPa的压力时，将有连续的大气泡冒出，但是，由于水中气泡的直径不规则，因而无法准确地计算出气泡的直径；同时，由于气泡形成的频率太快，人眼也无法直接对其进行观察，因而采用空气泄漏法得到的泄漏率往往不够准确。

c）灵敏度较低

空气泄漏法的灵敏度与诸多因素有关。液体表面的张力越小，示漏气体的压力越高，漏孔距离液面越近，可检测出来的漏孔就越小，则灵敏度也越高；示漏气体的粘度越小，分子量越小，灵敏度也越高。大量的试验都证明，采用水作为试验液体时空气泄漏法的灵敏度较低。

2 差压检漏法检漏过程

差压检漏法 （如图3所示）是同时向两个相同的容器内充入一定压力的气体，两个容器中一个为标准件，即无泄漏件，另一个为被测件。当被测件有泄漏时，只要通过容器间的差压传感器测出泄漏被测件与标准件之间的压力差，就可以计算出泄漏量。在差压测试法中，由于被测件和标准件的结构完全相同，在测试过程中的各种误差因素的影响，例如：绝热、温度、汽化和蒸化等因素的影响都可以不予考虑，而且差压传感器的精度又比较高，因此其不仅可以精确地检测出微小的泄漏，而且对于电连接器的密封大漏率问题更是可以定量地检测。

图3 差压法检漏法检测过程

差压检漏的过程主要分为5个阶段，即充气阶段、第一平衡阶段、第二平衡阶段、测量阶段和排气阶段。

a）充气阶段

这段过程为从打开电磁阀1，对两容器充气，到电磁阀2、3被打开的过程。

b）第一平衡阶段

这段过程为从电磁阀2、3开启，到电磁阀4开启的过程。停止充气后，由于系统内的压力、温度等分布不均衡，容器内的气压将产生波动。为了减小这些波动，电磁阀4将一直导通，使待测样品内腔的气压与标准件内腔的气压相对保持均衡，从而起到保护差压传感器的作用。

c）第二平衡阶段

此过程为从电磁阀4开启，到开始进入检测阶段为止。经过第一平衡过程后，系统内的压力、温度等参数的分布变得相对均衡。但是，由于电磁阀4的开启，系统内的气体将会产生一定的波动。为了减小这种波动的影响，需要等到待测容器与参考容器之间的压力相对平衡时，再进入下一个阶段。

d）检测阶段

此阶段用于检测差压，此时容器内的压降主要是由于泄漏所引起的，通过测量差压，就能够间接地判断容器的气密性，计算出泄漏量。

e）排气阶段

完成测试后，需要将腔体内的气体排放到环境里，排气完毕后，一个检测过程就完成了。根据前面对检测过程的分析，得出电磁阀的控制时序如图4所示，图中t1为充气时间， t2为第一平衡时间， t3为第二平衡时间，t4为测试时间，t5为排气时间。

图4 开关时序

3 差压检漏法的漏率公式推导

气体的泄漏量与测试压力和泄漏孔的结构有关，但泄漏孔的结构无法用物理的方法测量出来，因此，此处采取相关参数的方法，通过测量容器内的压力的变化来推导出泄漏量。小泄漏会使容器内的压力降低，但是压力降与测试压力相比要小很多，基本可以忽略；受灵敏度和精度的限制，目前的压力传感器无法检测到压力的微小变化，因此不能用压力传感器来测量压力降，只能间接地使用差压传感器来测量压力的变化。

为了推导出泄漏量的计算公式，需做如下假设：

1）泄漏测量的过程中，容器的温度和体积均没有变化；

2）除被测容器外，测试气路和标准容器无泄漏；

3）容器内测试管道的体积远远小于被测容器的体积。

视整个检测过程为等温过程，因此，根据玻意耳-马略特定律可以得到被测容器的压力变化为：

由于基准容器是密封的，因而可以认为容器内的压力是不变的，即：

假设两容器相同，由等式 （4）可以得到下列等式：

由于可以认为泄漏产生的压力降在测试压力范围内的变化与时间是成比例的，因此气体的体积泄漏量为：

式 （4）-（7）中：P1——被测容器测试前的压力；

Pt——被测容器测试后的压力；

P0——标准大气压；

Vt——被测容器内气体占有的容积；

ΔVL——标准状态下泄漏气体的容积；

Pm——基准容器内的压力；

Δt——前后两次检测的时间差。

因此，在已知被测容器的容积Vt时，只要测出大气压力P0及检测容器的泄漏压力差 ΔP和测试时间Δt，就可以求出被测容器的泄漏量。

4 空气泄漏法与差压检漏法比对测试

分别采用空气泄漏法和差压检漏法对体积为50 cm3的圆形电连接器样品的气密性进行检测，然后将两种检测的结果进行对比。

4.1 漏率≤1.0×10-2pa·cm3/s时

a）空气泄漏法

用压缩机加压，上午10点时压力表的读数为0.1 MPa，关闭阀门，停止加压，然后静置，详细的试验过程如图5-6所示。

图5 样品外观全貌

图6 空气泄漏法试验过程

下午2点时，压力表的读数为0.02 MPa，气体温度为25℃ （期间未观察到气泡出现），则当P1=0.2 MPa，P2=0.12 MPa，压力为0.12 MPa，温度为25℃时，气体的泄漏率为：

标准状态下：TS=273.14 K，PS=1.01325 Pa，则折算到标准状态下气体的泄漏率为：

b）差压检漏法

差压检漏法的测漏过程如图7-9所示。

图7 样品安装夹具图

图8 样品安装完毕等待测试

图9 差压检漏仪软件操作

当充气时间为10 s，第一阶段的平衡时间为10 s，第二阶段的平衡时间为10 s，检测时间为5 s，测试压力为0.1 MPa，基准体积为400 mL，差压变化为10 Pa时，由差压检漏仪器直接读出的数据，或根据公式 （3）-（4）计算可以得到，气体的泄漏率为 9.87×10-4mL/s。

4.2 泄漏率≥1.0×10-2Pa·cm3/s时

a）空气泄漏法

用压缩机加压，压力表的读数为0.1 MPa，关闭阀门，停止加压，然后放置不动，气体温度为25℃。从电连接器一端出现气泡，气泡形成的速率约为3个/s，气泡直径约等于0.05 m，水溶液的张力为7.2×10-2N/m，标准状态下：TS=273.14 K，PS=101325 Pa，根据公式 （9）可知测得的气体的泄漏率为 1.46×106mL/s。

b）差压检漏法

当充气时间为10 s，第一阶段平衡时间为10 s，第二阶段平衡时间为10 s，检测时间为5 s，测试压力为0.1 MPa，基准体积为400 mL，差压变化为500 Pa时，由差压检漏仪器直接读出的数据，或根据公式 （3）-（4）计算可以得到，气体的泄漏率为 4.93×10-2mL/s。

5 结束语

空气泄漏法是常用的检测样品的气密性的方法，它具有简单易行、易检测出泄漏的具体位置、检测技术要求不高的特点，但是空气泄漏法通常只作定性判断，不作定量判断，且存在明显的问题。

a）空气泄漏法的准确度主要取决于对气泡的直径，以及气泡产生的速率测量的准确程度；当气泡直径大于1 mm时，气泡将独立缓慢地上升，而且可以明显地看到气泡从液面下往上生成时其直径会逐渐地变大，因而无法准确地确定气泡的直径。此外，人眼也无法准确地分辨出气泡产生的频率，所以凭人眼的分辨及经验来判断气泡的直径及气泡产生的频率会对试验结果造成极大的误差。

b）试验必须在水中进行，检测周期长、自动化程度低，试验结果易受人为因素的干扰和影响；而且此方法也不适合用于检测一些要求用泄漏或泄漏率来鉴定的产品的气密性。

另外，空气泄漏法的灵敏度与显示液体的表面张力也有很大的关系。液体表面张力越小，示漏气体的压力越高，漏孔距离液面越近，可检测出来的漏孔就越小，灵敏度也越高；示漏气体的粘度越小，分子量越小，灵敏度也越高。

与空气泄漏法相比，差压检漏法具有诸多的优点。首先，差压检漏法实现了整个检测过程的自动化，缩短了检测周期，减少了检测前的准备工作量，提高了测试效率；其次，由于差压检漏法的分辨率与施加的压力无关，使得其检测灵敏度高；最后，与氦质谱检漏法相比，差压检漏法可检范围较广，同时还可以克服温度变化对测量结果的影响，但是差压检漏法也存在一定的缺点，例如：差压检漏法不能确定被测件的泄漏位置。

从试验情况来看，对于大容积腔体的密封检测首先推荐使用差压式检漏法，该方法不仅可以检测微小泄漏，对于大漏率腔体试样同样适用，如电连接器。在精度要求较高的情况下，可以用差压检漏法定量地分析电连接器的密封性，应用前景十分广阔 （空气泄漏法与差压检漏法的密封检测性能对比情况如表1所示）。

表1 空气泄漏法与差压检漏法的密封检测性能比对

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