基于高压放电的大输液塑瓶泄漏检测技术研究

严扎杰，任德均，陈儒侠，高永勋，付兴勇



基于高压放电的大输液塑瓶泄漏检测技术研究

严扎杰，任德均，陈儒侠，高永勋，付兴勇

（四川大学 制造科学与工程学院，四川 成都 610065）

为了验证利用高压放电进行大输液塑瓶微小泄漏检测的可行性，首先对实验装置建立了等效电路，并进行了高压放电检漏的原理分析。由此设计了实际实验平台，该平台通过数据采集卡采集试验过程中的电流数据，通过基于LabVIEW采集程序的上位机读取实验数据，接着利用MATLAB进行数据处理。最终经过实际实验，验证了利用高压放电进行大输液塑瓶微小泄漏检测的可行性。

高压放电；检漏；数据采集；LabVIEW；MATLAB

随着大输液塑瓶的广泛应用，由大输液包装容器各工艺设备造成的质量问题逐渐暴露出来[1]，如瓶口和瓶盖等部分熔封不可靠造成的大输液塑瓶出现微孔或微小裂缝泄漏。输液瓶一般是微负压封口，一旦出现泄漏，空气中的氧气、微生物就会侵入容器，产品可能被氧化，影响产品稳定性。且微生物侵入后，如果填充的产品适合微生物生长，微生物会迅速繁殖、污染药品，给病人的安全埋下隐患。对于大输液塑瓶传统采用人工施压检漏的方式，既费时又耗费人工，还无法检测出微小泄漏。利用介质阻挡放电[2]的非接触式检漏方式可检测微小泄露。本文对高压放电状态下的大输液塑瓶建立数学模型，并利用MATLAB进行仿真分析，在此基础上，搭建实验平台进行实验验证。

1 检测原理分析

高压放电检漏法工作原理：将交流电源变频升压后，产生的高频高压作为检测电源的频率和电压。当包装容器出现泄漏时，泄漏点的容器壁电阻和容抗就会降低，因此与合格品检测电流相比，泄露品检测电流增大，泄露品检测电流与合格品检测电流的变化差就是判断包装容器泄漏与否的依据。将相当于绝缘介质的大输液塑瓶瓶口部分置于施加的交流高压电极之间，可以看作一个介质阻挡放电装置。出现微小泄漏的大输液塑瓶与没有出现微小泄漏的大输液塑瓶相比，其绝缘性能下降，从而实现电流的变化，利用这种电流的变化来区分大输液塑瓶有无微小泄漏。原理如图1所示。

图1 大输液塑瓶高压放电检漏原理图

根据所盛液体与电极之间的电学特性可以将其等效为两个电容1和2，大输液塑瓶中的药品溶液可以等效为电阻[3]。在电极之间施加高压电后，电源与两个电容和电阻形成串联回路（图2（a）），若输液瓶存在微小泄漏，相当于液体直接与外界接触，即可认为等效电路中的1消失（图2（b））。

对放电装置分析，得到检测电流计算公式：

式中：为放电电压，V；1为合格品检测电流，A；2为泄漏品检测电流，A；Δ为泄漏品检测电流与合格品检测电流的变化，A；R为包装容器内溶液电阻，Ω；Z1为1的阻抗，Ω；Z2为2的阻抗，Ω。

图2 大输液塑瓶高压放电检漏等效电路图

由式（1）、式（2）可得1＞2，因此可以通过检测出回路中的电流值，判断检测品与合格品之间的电流差来检测药瓶是否存在微小泄漏。由于采用的放电电源为交流高压电源，因此需要考虑到电源的频率，假设电源频率为，根据等效电路可得：

2 实验设计

2.1 整体系统设计

高压放电检漏实验平台由试验台、高压电源、控制器、数据采集卡和上位计算机五部分组成，如图3所示。试验台由传送带和高压放电装置组成，当有输液瓶经过光电传感器时，控制器接收到光电传感器信号触发数据采集卡开始采集数据，输液瓶扫过放电装置的高压电极时，高压电极、低压电极与药瓶之间形成通路，产生的电流通过控制器的转换电路，由数据采集卡传输到上位计算机，由上位计算机进行后续处理。

图3 实验系统示意图

2.2 控制器设计

控制器组成以基于ARM-cortexM3内核的STM32微控制器为核心，外围电路主要由信号转换电路和通信电路组成，如图4所示。信号转换电路主要用于光电传感器和数据采集卡与STM32微控制器之间的电平转换和隔离、以及将实验过程产生的电流数据转换到数据采集卡的采集范围内。通信电路用于和上位机的通信，可通过上位机修改控制器控制参数。在实验过程中，上位机通过控制器实现高压电源的远程开关及电源电压、频率的远程调节。并且利用药瓶经过光电传感器时的信号来触发数据采集卡进行采集工作，减少数据采集卡的无效工作。

图4 控制器组成示意图

2.3 LabVIEW采集程序设计

本研究所用的高压电源最高可提供20 kHz的高压，依据Nyquist采样定律可知，当采样频率≥2倍采样信号最高频率时，可保证采样的数字信号完整保留原始信号中的信息。依据以上条件及保证数据采集卡价格低廉、采集数据稳定、容错率低等特点。研究采用思迈克华USB-2000数据采集卡、16位A/D转换器，单通道采用频率可达125 kSa/s，可以满足采样速度和精度要求，同时支持LabVIEW开发支持，便于数据采集。

虚拟仪器是一种基于计算机的数字化自动测试仪器系统，它通过软件将计算机硬件资源与仪器硬件资源结合起来[4]，利用图形化编程语言完成对被测量的采集、分析、判断、显示、存储及数据生成。

采集程序有采集卡采样参数设置、采集卡状态监测以及按照输入的编号、序号和当前时间对采集的数据进行保存。采样参数设置包括采集卡选择、采样频率、采样通道、采样范围、采样时间和采样触发源的设置。

3 实验数据的处理

在采用高压放电进行检测时，会产生多种放电现象：电晕放电、小气隙击穿和沿面放电，因此通过数据采集卡采集获得的原始数据中混有大量噪声干扰，同时放电时间很短，影响对实验结果的判断。对原始数据经过傅里叶变换后发现，无法区分有用信号的高频部分和由噪声引起的高频干扰，常见的滤波方式滤波效果较差，无法可靠稳定地判别药瓶是否存在微小泄漏。小波变换能够在时间（空间）频率的局部化分析，通过伸缩平移运算对信号（函数）逐步进行多尺度细化，最终达到高频处时间细分、低频处频率细分、能自动适应时频信号分析的要求[5]。因此小波变换去噪可以很好地保护有用的信号尖峰和突变信号。因此小波变换适合用于暂态信号和瞬态信号的噪声去除方面，以及抑制高频噪声的干扰，有效将高频信息和高频噪声区分开来。

MATLAB拥有小波工具箱，适用于信号和图像分析、综合、去噪、压缩等领域[6-7]。在MATLAB环境下，对采集到的原始数据进行小波去噪。相关代码如下：

%小波滤噪参数

regular='heursure';

threshold='s';

adjust='one';

level=7;

wavebase='db3';

%读取原始数据，并去噪

S=xlsread('current_signal0.xlsx');

current_signal0=A0(:,2);

current_signal=wden(current_signal0,regular,threshold,adjust,level,wavebase);

使用db3对其进行7层分解，阈值选择规则选择“heursure”，采用软阈值，所使用的阈值不需要重新调整。去噪后的波形如图5所示，可以根据所检测药瓶与合格品的电流差异，判断药瓶是否存在微小泄露。

4 结语

本文分析了基于高压放电的大输液塑瓶泄漏检测技术的工作原理，给出了等效电路，借 助公式推导与分析阐明了检测系统的电路原理，并设计了完整的实验平台、控制器以及数据采集程序和数据处理方案。在此基础上进行了大量实验，实际验证了利用高压放电进行大输液塑瓶微小泄漏检测的可行性。

图5 去噪后的电流波形对比图

[1]林腾. 塑料输液瓶高压电火花检漏机的原理与特点[J]. 机电信息，2010（20）：38-39.

[2]邵建设. 正弦波高压放电塑瓶漏液检测可靠性的仿真和实验研究[J]. 高电压技术，2014，40（6）：1895-1902.

[3]杨剑. 基于介质阻挡放电原理的安瓿瓶检漏系统研究[J]. 电力与能源，2014，35（6）：690-695.

[4]王建平. 基于LabVIEW的地震动信号采集系统[J]. 机械，2013，40（4）：71-73，80.

[5]张湘伟. 小波分析在测试信号分析中的应用[J]. 应用数学和力学，1998，19（3），203-207.

[6]陈伟. 基于MATLAB的实时数据采集与分析研究[J]. 电子测量技术，2008，32（8），92-94.

[7]张德丰. MATLAB小波分析[M]. 北京：机械工业出版社，2011，75-76.

Research on Large Infusion Plastic Bottle Leakage Detection Technology Based on High Voltage Discharge

YAN Zhajie，REN Dejun，CHEN Ruxia，GAO Yongxun，FU Xingyong

( School of Manufacturing Science and Engineering, Sichuan University, Chengdu 610065, China )

In order to verify the feasibility of detecting tiny leakage of large infusion plastic bottles by using high voltage discharge, an equivalent circuit for the experimental device was established and the principle of high voltage discharge leakage detection was analyzed. The actual experiment platform is designed on this basis. The platform collects the current data through the data acquisition card during the test. The host computer reads the experimental data based on LabVIEW acquisition program, and processes the experimental data by using MATLAB. The feasibility of using high voltage discharge to detect tiny leakage of large infusion plastic bottle is verified in actual experientmemt.

high voltage discharge；leakage detection；data acquisition；LabVIEW；MATLAB

TH772

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2018.12.006

1006－0316 (2018) 12－0019－04

2018－03－05

严扎杰（1994－），男，藏族，甘肃舟曲人，硕士研究生，主要研究方向为嵌入式控制系统；任德均（1971－），男，四川成都人，博士，副教授，主要研究方向为嵌入式控制系统、机电一体化、机器视觉；陈儒侠（1993－），男，四川南充人，硕士研究生，主要研究方向为机器视觉；高永勋（1991－），男，河南郑州人，硕士研究生，主要研究方向为机器视觉；付兴勇（1990－），男，山东菏泽人，硕士研究生，主要研究方向为机器视觉。