任萬(wàn)濱 武 劍 陳 宇 曹 晟 崔 黎翟國(guó)富

（1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)軍用電器研究所 哈爾濱 150001 2.北京時(shí)代之峰科技有限公司硬件開(kāi)發(fā)部 北京 100085 3.桂林航天電子有限公司 桂林 541002）

1 引言

電觸點(diǎn)材料廣泛應(yīng)用于各類接觸器、繼電器、照明開(kāi)關(guān)、故障電流開(kāi)關(guān)及輔助開(kāi)關(guān)中，其工作電流從幾安培至幾千安培不等，不同工業(yè)應(yīng)用需求使觸點(diǎn)材料的成分、制備工藝與尺寸結(jié)構(gòu)各異。觸點(diǎn)是電器開(kāi)關(guān)內(nèi)完成導(dǎo)通、分?jǐn)嚯娏鞴δ艿妮d體，因此其電接觸性能已成為影響電氣與電子工程可靠性的關(guān)鍵[1]。觸點(diǎn)對(duì)間由于接觸面的凹凸不平使得真正導(dǎo)電面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其視在面積，由此產(chǎn)生電流線彎曲收縮并形成收縮電阻，再加上觸點(diǎn)材料表面膜產(chǎn)生的膜電阻一并構(gòu)成了觸點(diǎn)材料的接觸電阻[2,3]。接觸電阻是決定電接觸性能的關(guān)鍵參數(shù)，同時(shí)觸點(diǎn)材料的靜態(tài)接觸理論亦是經(jīng)典電接觸科學(xué)的重要分支[4,5]，所涉及的靜接觸特性即接觸壓力、觸點(diǎn)電流與接觸電阻間的關(guān)系曲線將不僅決定觸點(diǎn)材料正確選擇、觸點(diǎn)幾何形狀正確設(shè)計(jì)，同時(shí)也是開(kāi)關(guān)電器電壽命與可靠性的主要研究?jī)?nèi)容。

觸點(diǎn)材料靜接觸特性實(shí)驗(yàn)研究的核心在于微歐級(jí)接觸電阻的精確測(cè)量[6]。微弱信號(hào)不僅表現(xiàn)為其幅值微弱，更表現(xiàn)在其可能被各種噪聲信號(hào)嚴(yán)重淹沒(méi)。直流微弱信號(hào)的測(cè)量還會(huì)受到諸如接觸電動(dòng)勢(shì)、溫差電動(dòng)勢(shì)、電化學(xué)電動(dòng)勢(shì)、放大電路失調(diào)電壓與電流等直流誤差信號(hào)嚴(yán)重影響。雖然文獻(xiàn)[7,8]提出了以較大脈沖電流測(cè)量接觸電阻的原理，并提高了接觸電阻測(cè)量精度；且國(guó)外學(xué)者以超導(dǎo)量子器件方法[9]、電解槽法[10]和三次諧波法[11]對(duì)接觸電阻測(cè)量進(jìn)行了創(chuàng)新。但國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 15078—1994《貴金屬電觸點(diǎn)材料接觸電阻的測(cè)量方法》已規(guī)定了貴金屬及其合金電觸點(diǎn)材料接觸電阻的測(cè)量方法（靜態(tài)接觸），因此通常應(yīng)用四線法進(jìn)行電阻測(cè)量的過(guò)程中，仍常以典型直流恒流源激勵(lì)，電壓測(cè)量的方式間接獲得接觸電阻值。固然數(shù)字微歐計(jì)已成為一種精密測(cè)量低電阻的數(shù)字式測(cè)量?jī)x器，但能同時(shí)滿足夾持各種尺寸規(guī)格電觸頭、無(wú)級(jí)調(diào)整接觸壓力和觸點(diǎn)電流、精確測(cè)試觸點(diǎn)間接觸電阻，進(jìn)而研究接觸壓力與接觸電阻對(duì)應(yīng)關(guān)系的專用測(cè)量?jī)x器則未見(jiàn)報(bào)道。本文首先設(shè)計(jì)了一種新型的電觸點(diǎn)材料接觸電阻實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，并應(yīng)用0.01級(jí)標(biāo)準(zhǔn)電阻和 M22級(jí)標(biāo)準(zhǔn)砝碼對(duì)測(cè)量系統(tǒng)和方法的有效性和正確性進(jìn)行評(píng)價(jià)，確保了系統(tǒng)的精度與準(zhǔn)度。最后實(shí)測(cè)了一批銀氧化鎘鉚釘式觸點(diǎn)材料不同激勵(lì)電流條件下接觸壓力與接觸電阻的對(duì)應(yīng)關(guān)系，并詳細(xì)分析了影響接觸電阻測(cè)試結(jié)果的相關(guān)因素。

2 接觸電阻實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由機(jī)械結(jié)構(gòu)部分與測(cè)量系統(tǒng)兩部分組成。機(jī)械結(jié)構(gòu)用于電觸頭材料的安裝、夾持，一維方向柔性接觸壓力加載。測(cè)量系統(tǒng)采用單片機(jī)C8051F120作為控制核心，通過(guò)SPI口外擴(kuò)4通道24bit模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7193，用于對(duì)接觸電壓、接觸電流和接觸力進(jìn)行高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換。接觸電流可調(diào)范圍為5mA～1A，步進(jìn)率1mA，精度為±2.5%；觸頭開(kāi)路電壓DC6V。接觸電阻測(cè)試范圍為0～450?。測(cè)量系統(tǒng)配有鍵盤(pán)和液晶屏完成輸入和顯示功能。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的力傳感器為電阻應(yīng)變式傳感器（量程0～5000cN），靈敏度為1.5mV/V。對(duì)力傳感器采用±5V供電，力傳感器輸出的差分信號(hào)由高性能儀表運(yùn)放AD8221轉(zhuǎn)為單端信號(hào)，經(jīng)低通濾波后進(jìn)入模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7193。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。為提高測(cè)量的穩(wěn)定性，減小氣流擾動(dòng)、溫度變化和微振動(dòng)等環(huán)境因素對(duì)結(jié)果的影響，機(jī)械結(jié)構(gòu)部分采用隔振平臺(tái)與透明有機(jī)玻璃外罩防護(hù)，測(cè)量系統(tǒng)以電磁屏蔽外殼形式防護(hù)。

圖1 接觸電阻實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理框圖Fig.1 Schematic diagram of contact resistance experimental system

2.1 接觸電壓信號(hào)的調(diào)理

首先分析前兩種誤差因素，此時(shí)接觸電壓Uc可表示為

式中 I——激勵(lì)電流；

通常潔凈觸點(diǎn)接觸對(duì)的Rc在毫歐數(shù)量級(jí)，若激勵(lì)電流I為毫安數(shù)量級(jí)，那么接觸電壓為微伏級(jí)信號(hào)。此時(shí)Ur和Uh將嚴(yán)重影響Uc，必須盡可能予以消除?？紤]到 Ur和 Uh短時(shí)間內(nèi)基本穩(wěn)定且與激勵(lì)電流無(wú)關(guān)，故可周期性地接通和切斷激勵(lì)電流 I，即對(duì)激勵(lì)電流進(jìn)行斷續(xù)斬波即可消除 Ur和 Uh的影響。

當(dāng)激勵(lì)電流I斷開(kāi)時(shí)，式（1）可改寫(xiě)為

式（1）與式（2）相減后，得

當(dāng)斷續(xù)斬波的頻率遠(yuǎn)高于 Ur和 Uh的變化速率時(shí)，就可以基本消除二者的影響。

如前述，Uc和在經(jīng)放大器調(diào)理的過(guò)程中，還受到失調(diào)電壓 Us以及噪聲 Uz的影響，從而得到放大后的接觸電壓和，二者可表示為

式中 A——放大倍數(shù)。

由于運(yùn)放 Us的幅度通常與 Uc和相當(dāng)，而Uz中位于 0.1～10Hz頻帶內(nèi)的 1/f噪聲也是測(cè)量隨機(jī)誤差的主要來(lái)源，因此二者也必須予以最大程度的抑制。為此，調(diào)理電路中設(shè)計(jì)了由直-交調(diào)制器、變?cè)鲆孢\(yùn)放8253、同步解調(diào)與濾波器和1kHz方波源組成的低噪低漂移放大器。由于放大器內(nèi)部采用交流耦合，因此Us作為直流和極低頻成分被濾除，而1kHz調(diào)制頻率能使放大器遠(yuǎn)離0.1～10Hz頻帶，從而消除1/f噪聲的影響。此外，因調(diào)制頻率是50Hz的整數(shù)倍，故工頻交流對(duì)放大器的影響也可被消除。放大器末端 RC濾波器（截至頻率為 10Hz）還能進(jìn)一步濾除和中尚存的微弱白噪聲。

在上述措施的基礎(chǔ)上，最后在單片機(jī)程序中，Rc得到了精確恢復(fù)，從而實(shí)現(xiàn)了低噪低漂移調(diào)理的全過(guò)程

隔代照料孫子女對(duì)中老年人心理健康的影響研究..................................................................................................................................................王亞迪（47）

經(jīng)反復(fù)實(shí)驗(yàn)，本文所述系統(tǒng)中的電流斬波周期設(shè)定為1 000ms（電流開(kāi)通和切斷時(shí)間均為500ms）。

當(dāng)接觸電壓高于1mV時(shí)，優(yōu)先使用AD7193內(nèi)部放大器（增益為1～128倍，軟件調(diào)節(jié)）；當(dāng)接觸電壓低于1mV時(shí)，設(shè)置AD8253的增益進(jìn)行輔助放大（可在1倍、10倍、100倍和1 000倍間選擇切換）。

2.2 滑動(dòng)窗口平均濾波

為進(jìn)一步提高接觸電壓信號(hào)的測(cè)量精度和讀數(shù)穩(wěn)定性，采用滑動(dòng)窗口平均濾波法對(duì)接觸電壓和激勵(lì)電流信號(hào)進(jìn)行數(shù)字濾波處理。寬度為N的滑動(dòng)窗口平均濾波器幅頻響應(yīng)函數(shù)為

當(dāng)N=20、采樣頻率為20Hz時(shí)（各測(cè)量通道設(shè)置相同），濾波器幅頻響應(yīng)如圖2所示，接觸電阻測(cè)量值的穩(wěn)定周期約為4s（在每個(gè)電流斬波周期內(nèi)，放大器末端RC濾波器達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，和各采集5次）；力通道不存在斬波，數(shù)據(jù)穩(wěn)定周期約為2s。

圖2 測(cè)量系統(tǒng)中數(shù)字濾波器的幅頻響應(yīng)Fig.2 Amplitude frequency response of digital filter in measurement system

如圖2所示，數(shù)字濾波器截至頻率為0.22Hz，已能夠?yàn)V除絕大部分殘余噪聲能量，使接觸電阻的讀數(shù)穩(wěn)定性大為提高。

2.3 測(cè)量系統(tǒng)誤差分析

以5mA、10mA、20mA、50mA和100mA的激勵(lì)電流分別對(duì)標(biāo)稱阻值為 1mΩ、10mΩ 和 100mΩ 的BZ3型 0.01級(jí)標(biāo)準(zhǔn)電阻各進(jìn)行 50次重復(fù)測(cè)量。測(cè)量結(jié)果示于下表中。5mA電流條件下，標(biāo)準(zhǔn)偏差不超過(guò)2%，其他電流條件下標(biāo)準(zhǔn)偏差不超過(guò)1%。因此 100mΩ 量程內(nèi)測(cè)量偏差小于 2%，分辨率小于0.01mΩ。單獨(dú)對(duì)力傳感器以1g、2g、5g、10g、50g和100g標(biāo)準(zhǔn)砝碼50次重復(fù)稱重測(cè)量，對(duì)所得數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析可得測(cè)量偏差小于 1%，分辨率小于1cN。

表 測(cè)量結(jié)果統(tǒng)計(jì)Tab.Measurement results

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 實(shí)驗(yàn)條件

為統(tǒng)一評(píng)價(jià)電觸點(diǎn)材料的接觸電阻，選用不銹鋼鍍金球頭（球面半徑0.5mm，鍍金層厚度3μm）作為標(biāo)準(zhǔn)壓頭（上觸頭），以銀氧化鎘AgCdO12平面型鉚釘為下觸頭進(jìn)行靜接觸特性測(cè)量。應(yīng)用乙醇酒精將標(biāo)準(zhǔn)壓頭與待測(cè)觸頭在超聲波清洗機(jī)中清洗10分鐘，最后自然晾干，確保除去觸頭表面油脂提高表面潔凈度。將標(biāo)準(zhǔn)壓頭與待測(cè)觸頭用清洗干凈的鑷子安裝至夾具中固定，并注意保持觸點(diǎn)表面的干凈。以四線法接線方式連接至實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，以消除引線電阻對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響。所進(jìn)行的觸點(diǎn)材料接觸電阻測(cè)試，即是獲得一定測(cè)試電流條件下接觸力加載過(guò)程和卸載過(guò)程中接觸電阻的變化規(guī)律。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中嚴(yán)格按照接觸壓力先達(dá)到設(shè)定值，再通入恒定電流至接觸電阻穩(wěn)定后讀數(shù)的方式。本文實(shí)驗(yàn)中激勵(lì)電流水平分別選取為 5mA、10mA、20mA和50mA。從批次產(chǎn)品中選取觸點(diǎn)試樣 40支，分為 4組，每種激勵(lì)電流條件下的試樣10支。接觸壓力測(cè)試范圍選為1～100g，1～50g區(qū)間步長(zhǎng)為1g，50～100g區(qū)間步長(zhǎng)為 5g。測(cè)試環(huán)境為室溫 21℃，相對(duì)濕度為65%RH。

3.2 結(jié)果分析

將不同 AgCdO12觸點(diǎn)材料試樣接觸電阻最小值、最大值及平均值與接觸壓力的對(duì)應(yīng)關(guān)系示于圖3。對(duì)比圖3中各圖可見(jiàn)，在1～2g范圍內(nèi)，接觸電阻隨接觸壓力的增加而快速減小，在2～8g范圍內(nèi)，接觸電阻降低趨勢(shì)減緩，在8～100g范圍內(nèi)，接觸電阻減小率接近線性常數(shù)。同時(shí)，卸載過(guò)程中接觸電阻的增加過(guò)程較加載過(guò)程曲線稍低，與此種現(xiàn)象即與大多數(shù)學(xué)者所得到的結(jié)果相似，稱滯回現(xiàn)象[12-14]。Timsit[13]對(duì)此指出隨著接觸力載荷的增加，接觸對(duì)間的微觀表面凸丘發(fā)生擠壓塑性變形的個(gè)數(shù)趨向增多，凸丘的塑性壓扁狀態(tài)伴隨著導(dǎo)電斑點(diǎn)個(gè)數(shù)的增加，因此所產(chǎn)生的收縮電阻及接觸電阻將具有減小趨勢(shì)。同時(shí)，發(fā)生塑性變形的微觀材料晶粒應(yīng)力逐漸硬化機(jī)理也將使微觀接觸表面面積增加趨于飽和狀態(tài)。卸載過(guò)程中的局部塑性變形無(wú)法恢復(fù)即是接觸電阻存在滯后現(xiàn)象的根本原因。

圖3 AgCdO12觸點(diǎn)材料靜接觸特性曲線Fig.3 Static contact characteristics of AgCdO12

測(cè)試電流對(duì)于觸點(diǎn)材料靜接觸特性具有一定影響，5mA電流條件下接觸電阻的滯回現(xiàn)象相對(duì)最弱，而10mA、20mA和50mA電流條件下的滯回曲線均十分相近，并在100g接觸壓力條件下接觸電阻隨電流的增加而呈單調(diào)下降趨勢(shì)。因此電流幅值在微觀導(dǎo)電表面的熱效應(yīng)將使得接觸面積增大是致使收縮電阻和膜電阻減小的主要原因。

基于上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn)，接觸壓力和激勵(lì)電流對(duì)于觸點(diǎn)材料的接觸電阻的測(cè)量結(jié)果影響很大。8g接觸壓力是接觸電阻變化速率相對(duì)穩(wěn)定的最小壓力，同時(shí)考慮到10mA電流也是使接觸電阻滯回特性相對(duì)穩(wěn)定的最小電流，其對(duì)于觸點(diǎn)材料表面的損傷也將達(dá)到最小，因此可以選擇 8g接觸壓力和10mA激勵(lì)電流條件作為評(píng)價(jià)觸點(diǎn)材料產(chǎn)品接觸電阻一致性的實(shí)驗(yàn)條件。

由于觸點(diǎn)生產(chǎn)商所提供的工業(yè)用觸點(diǎn)制備過(guò)程中必然存在表面粗糙度及本身材質(zhì)的差異，因而觸點(diǎn)間的接觸電阻也難免存在或多或少的差異[15]。接觸電阻的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是標(biāo)準(zhǔn)壓頭與試樣間“即時(shí)接觸面”的接觸電阻，不同的接觸面將具有不同的結(jié)果，同一試樣反復(fù)檢測(cè)也不能為同一接觸面，因此，測(cè)量結(jié)果必然不具有唯一性和復(fù)現(xiàn)性。同一對(duì)觸點(diǎn)若重新裝夾檢測(cè)，其接觸面一般也不能與前次檢測(cè)吻合，但在一個(gè)批次的產(chǎn)品中，抽檢一定數(shù)量的觸點(diǎn)檢測(cè)，其概率是相同的。抽檢的數(shù)量越大，其概率越接近真實(shí)。所以，一定數(shù)量的觸點(diǎn)接觸電阻檢測(cè)值就反映了該批觸點(diǎn)的接觸電阻狀況和接觸電阻值的分布情況。

另外，在觸點(diǎn)材料接觸電阻檢測(cè)過(guò)程中，若發(fā)現(xiàn)個(gè)別值偏大，可初步判定試樣材料局部接觸表面存在劃痕等缺陷，進(jìn)一步可應(yīng)用激光共聚焦顯微鏡進(jìn)行微觀表面分析。若發(fā)現(xiàn)觸點(diǎn)接觸電阻普遍高于正常值，則說(shuō)明觸點(diǎn)表面存在某種化學(xué)鍍層，進(jìn)一步可通過(guò)掃描電子顯微鏡和能譜分析完成確認(rèn)。

4 結(jié)論

（1）針對(duì)鉚釘式觸點(diǎn)材料提出并設(shè)計(jì)了新型接觸電阻測(cè)試分析系統(tǒng)及方法，通過(guò)綜合應(yīng)用激勵(lì)電流斷續(xù)斬波、低噪低漂移弱信號(hào)調(diào)理和滑動(dòng)窗口平均濾波等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了接觸電阻測(cè)試范圍為0～450?，分辨率小于 0.01m?，測(cè)量偏差小于 2%；接觸壓力測(cè)試偏差小于 1%，分辨率小于 1cN的技術(shù)指標(biāo)。

（2）AgCdO12鉚釘觸點(diǎn)抽樣測(cè)量結(jié)果表明，接觸壓力和激勵(lì)電流是決定接觸電阻的關(guān)鍵因素，實(shí)驗(yàn)證明了接觸表面微觀凸丘的塑性變形及應(yīng)力硬化是接觸電阻與接觸壓力間發(fā)生滯回現(xiàn)象的根本原因。接觸電阻測(cè)量結(jié)果不唯一性和不可復(fù)現(xiàn)性的特點(diǎn)使得合理的抽檢方法對(duì)于觸點(diǎn)材料產(chǎn)品一致性評(píng)估工作具有現(xiàn)實(shí)而重要的意義。

[1] 土屋金彌.電接點(diǎn)技術(shù)[M].劉茂林,譯.北京: 機(jī)械工業(yè)出版社,1987.

[2] Kogut L.Electrical performance of contaminated rough surfaces in contact[J].Journal of Applied Physics,2005,97(10): 103723-103723.5.

[3] Ruschau G R,Yoshikawa S,Newnham R E.Resistivities of conductive composites[J].Journal of Applied Physics,1992,72(3): 953-959.

[4] Holm R.Electric contacts theory and applications[M].Berlin: Springer-Verlag,1967.

[5] Slade Paul G.Electrical contacts principles and applications[J].New York,USA: Marcel Dekker,Inc.,1999.

[6] Jemma N Ben,Queffelec J L,Travers D.Apparatus and methods for electrical contact resistance study of cleaned and corroded materials[J].Measurement Science Technology,1990,1(3): 282-286.

[7] 李奎,李志剛,陸儉國(guó).接觸電阻新型測(cè)量方法的研究[J].電氣開(kāi)關(guān),1997(6): 26-33.Li Kui,Li Zhigang,Lu Jianguo.Research on the new measurement method for contact resistance[J].Electric Switch,1997(6):26-33.

[8] 劉幗巾,李文華,蔣棟.電器觸點(diǎn)接觸電阻測(cè)量裝置的研究[J].電測(cè)與儀表,2001,38(2): 15-16.Liu Guojin,Li Wenhua,Jiang Dong.Study on measurement of the contact resistance of electric apparatus[J].Electrical Measurement & Instrumentation,2001,38(2): 15-16.

[9] Isao Minowa,Makoto Kanno.Measurement of contact resistance of electric contacts using SQUIDgalvanometer[J].Electrics and Communications in Japan(partⅠ: Communications),1984,67(11): 93-103.

[10] Aichi H,Tahara N.Analysis on the constriction resistance of the electric contact by the contact model using the electrolyte Bath[C].Proceedings of the 20th International Conference on Electrical Contacts,1994: 1.

[11] Jerzy Kaczmarek,et al.Constriction resistance measurements based on the method of third harmonic[C].Proceedings of the 19th Holm Conference on Electrical Contacts,1973: 155-158.

[12] Yunus E M,McBride J W,Spearing S M.The relationship between contact resistance and contact force on Au coated Carbon Nanotube surfaces[C].Proceedings of the 53rd IEEE Holm Conference on Electrical Contacts,2007: 167-174.

[13] Roland S Timsit.Electrical contact resistance: properties of stationary interfaces[J].IEEE Transactions on Components and Packaging Technology,1999,22(1):85-98.

[14] Terukaka Tamai,Shigeru Sawada,Yasuhiro Hattori.Deformation of crystal morphology in tin plated contact layer caused by loading[J].IEICE Trans.Electron.,2012,E95-C(9) : 1473-1480.

[15] 熊經(jīng)先.電觸點(diǎn)材料接觸電阻的測(cè)量方法[J].電工材料,2005(4): 26-28.Xiong Jingxian.A method for testing contact resistance of electrical contact materials[J].Electrical Engineering Materials,2005(4):26-28.