李俊峰，鄭新芳，蘇秀蘋(píng)，李勝利

（1.河北工業(yè)大學(xué) 電磁場(chǎng)與電器可靠性省部共建重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300130；2.邯鄲學(xué)院 機(jī)電學(xué)院，河北 邯鄲 056005）

觸頭壓力是重要的觸頭參數(shù)，對(duì)電器性能有直接的影響．電磁繼電器和接觸器是自動(dòng)控制系統(tǒng)中的重要元件，觸頭在閉合時(shí)必須具有足夠的接觸壓力以保證良好接觸[1-2]．以交流接觸器為例，觸頭終壓力過(guò)大，觸頭會(huì)因振顫而被電弧焊??；觸頭初壓力過(guò)小，又會(huì)因二次碰撞被電弧焊住，使觸頭發(fā)熱變壞，溫升超標(biāo)．因此，對(duì)觸頭接觸壓力必須引起足夠的重視[3]．

《低壓電器基本試驗(yàn)方法》GB998-67中規(guī)定了觸頭參數(shù)的測(cè)定方法．行業(yè)采用以下3種觸頭接觸壓力的測(cè)量方法：拉紙法、燈光法和壓力計(jì)法[4]．燈光法的測(cè)量結(jié)果與實(shí)測(cè)觸頭彈簧反力的實(shí)測(cè)值的誤差為0%～1.6%，而拉紙法的測(cè)量誤差為13.3%～20.4%．燈光法是目前測(cè)量精度較高的方法，但測(cè)量的手段稍復(fù)雜（要電源、每個(gè)斷口用的燈泡、導(dǎo)線(xiàn)等）．國(guó)外的專(zhuān)利技術(shù)[5]中提出了一種電磁接觸器接點(diǎn)接觸壓力的測(cè)定用具，可以測(cè)出觸頭的初壓力和終壓力．

但是迄今為止，所有的專(zhuān)利和測(cè)試技術(shù)都是以靜態(tài)的初壓力和終壓力為測(cè)試目的．動(dòng)、靜觸頭閉合時(shí)的狀況是非常復(fù)雜的，要想深入的研究觸頭接觸壓力同其他參數(shù)之間的關(guān)系，必須得到其動(dòng)態(tài)全過(guò)程．壓電薄膜傳感器響應(yīng)快、超薄、測(cè)量范圍大，非常適合觸頭接觸壓力的動(dòng)態(tài)測(cè)量．本文以交流接觸器為例，利用PVDF壓電薄膜進(jìn)行了觸頭接觸壓力動(dòng)態(tài)測(cè)試研究．這種測(cè)量方法簡(jiǎn)單方便且成本較低，也可以直接應(yīng)用到實(shí)際的工業(yè)流水生產(chǎn)線(xiàn)中．

圖1 交流接觸器觸頭接觸壓力傳感器示意Fig.1 Sketch of ACContactor Contact Pressure Sensor

1 觸頭接觸壓力傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與安裝

1.1 總體布局方案

參考他人的測(cè)試經(jīng)驗(yàn)[6-7]，該文設(shè)計(jì)的傳感器由圓形的敏感元件和減振支撐以及屏蔽線(xiàn)組成，圖1為傳感器結(jié)構(gòu)示意圖．其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于安裝，易于觀察，分別安裝在不同的觸頭上就可以同時(shí)測(cè)量多個(gè)觸頭的接觸壓力．

1.2 傳感器的敏感元件

該文選用的敏感元件是PVDF壓電薄膜，該產(chǎn)品厚度為30±1.5 m，電容為130±20 pf，壓電常數(shù)為21±1 pc/N．如圖1所示，其受力端為圓形，上、下表面分別粘貼保護(hù)膜．敏感元件受力端直徑為5 mm，引線(xiàn)端的尺寸為：30 mm×13 mm，總厚度為30 m，其中PVDF壓電薄膜厚度為8 m，上、下表面保護(hù)膜的厚度各為11 m．

其測(cè)壓原理為：動(dòng)、靜觸頭閉合時(shí)，其接觸過(guò)程相當(dāng)于拍合，所以觸頭接觸壓力可看成撞擊應(yīng)力，由于是垂直正面撞擊，也可將觸頭接觸壓力等效成撞擊壓力．撞擊“壓力”的合力傳遞到壓電薄膜上，使其兩個(gè)表面產(chǎn)生相應(yīng)的電荷，由金屬導(dǎo)電層引出電荷，通過(guò)對(duì)這個(gè)電荷量的測(cè)量從而實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力的測(cè)量．壓電傳感器的電荷信號(hào)一般應(yīng)用電荷放大器來(lái)測(cè)量，典型的電荷放大器電路，其輸出值由傳感器的壓電常數(shù)33和反饋電容值 大小決定；低頻截止頻率由時(shí)間常數(shù) 決定．當(dāng)頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于時(shí)，放大器輸出電壓為：為垂直施加于傳感器表面的作用力， 是由PVDF壓電薄膜產(chǎn)生的電荷量．

PVDF壓電薄膜的厚度一般為30 m，易于切割，可以做的面積很小，且在實(shí)際應(yīng)用中，由傳感器的厚度所導(dǎo)致的誤差可以忽略不計(jì)，完全符合觸頭接觸壓力的測(cè)試要求：由它制成的傳感器響應(yīng)速度極快(ns級(jí))，能夠及時(shí)準(zhǔn)確地捕捉瞬變信號(hào)；靈敏度很高，測(cè)量范圍大，約為 (0～20)GPa[8-9]，遠(yuǎn)大于交流接觸器的最大接觸壓力值；鐵芯撞擊和外界的沖擊與振動(dòng)信號(hào)同觸頭振動(dòng)系統(tǒng)的振動(dòng)頻率不同，可以分別測(cè)出這些振動(dòng)信號(hào)的頻率區(qū)間，用濾波器去除鐵芯和外界的振動(dòng)信號(hào)，辨識(shí)出觸頭接觸壓力信號(hào)．

1.3敏感元件的安裝方式、位置、方法和防護(hù)

1.3.1 安裝

測(cè)試時(shí)，需用絕緣膠將敏感元件的背面粘貼在靜觸頭的幾何中心處，粘貼時(shí)要注意涂膠不要太厚．為了減少振動(dòng)對(duì)傳感器的影響，該文將傳感器的引線(xiàn)端粘貼在減振支撐上．該減振支撐選用的是JD1型橡膠減振墊，用于機(jī)械振動(dòng)頻率≥10.5 Hz的振動(dòng)和沖擊的隔振，效果更為顯著．其工作溫度為 5℃～+50℃，固有頻率為8.4～10.6 Hz．

1.3.2 防護(hù)問(wèn)題

1）電氣隔離．本設(shè)計(jì)中傳感器的絕緣涉及到2個(gè)方面：a）壓電薄膜自身正負(fù)電極的絕緣，它決定傳感器的泄漏電阻；b）傳感器以及引線(xiàn)與靜觸頭之間的絕緣．粘貼時(shí)使用絕緣膠可以起到一定的電氣隔離作用．

2）屏蔽．由于接觸壓力信號(hào)幅值較小，所產(chǎn)生的電荷數(shù)也較少，且交流線(xiàn)圈產(chǎn)生的電磁場(chǎng)較強(qiáng)，因此導(dǎo)線(xiàn)必須使用屏蔽雙絞線(xiàn)（STP）．屏蔽雙絞線(xiàn)在雙絞線(xiàn)與外層絕緣封套之間有一個(gè)金屬屏蔽層．屏蔽層可減少輻射，減少電荷泄露，也可阻止外部電磁干擾的進(jìn)入同軸屏蔽電纜．還可以在測(cè)試電路中加入濾波部分和軟件濾波進(jìn)一步消除電磁干擾．

3）密封．導(dǎo)線(xiàn)焊接完畢后，用硅膠密封起來(lái)，這樣起到防塵，隔潮的作用，提高傳感器及焊點(diǎn)的絕緣性；還可以保護(hù)焊點(diǎn)，使焊接牢固，防止產(chǎn)生氧化物或由銀形成的化合物；防止接觸器動(dòng)作時(shí)對(duì)傳感器的機(jī)械損害．

4）布線(xiàn)、走線(xiàn)．由于交流接觸器動(dòng)作時(shí)工況復(fù)雜、機(jī)器振動(dòng)劇烈，布線(xiàn)、走線(xiàn)時(shí)要充分考慮導(dǎo)線(xiàn)連接的可靠性．

2 交流接觸器觸頭接觸壓力動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)

圖2是該交流接觸器觸頭接觸壓力動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)示意圖．其硬件部分包含上位機(jī)和下位機(jī)．上位機(jī)即為工控機(jī)；下位機(jī)包括：交流接觸器試品、觸頭接觸壓力傳感器、電荷放大器、信號(hào)調(diào)理電路、高速數(shù)據(jù)采集卡和合閘相角控制器．工控機(jī)、高速數(shù)據(jù)采集卡和信號(hào)調(diào)理分別是 610H型工控機(jī)、PCI-1712L型數(shù)據(jù)采集卡和PCLD-8712型信號(hào)調(diào)理模塊．電荷放大器選用的是DHF-10型六通道高精度電荷放大器．

工作時(shí)交流接觸器是水平安裝的，如圖2所示．該文用絕緣膠將一對(duì)觸頭接觸壓力傳感器分別粘貼在被測(cè)交流接觸器一相主觸頭的上、下兩個(gè)靜觸頭的表面，分別稱(chēng)為上觸頭接觸壓力傳感器和下觸頭接觸壓力傳感器，引出線(xiàn)從靜觸頭支架的上部空隙中引出，通過(guò)壓電傳感器專(zhuān)用屏蔽線(xiàn)引入到多通道電荷放大器．當(dāng)然，如果在三相主觸頭上都安裝該觸頭接觸壓力傳感器，就可以同時(shí)測(cè)量三相主觸頭的觸頭接觸壓力．

開(kāi)始測(cè)試時(shí)，首先總電源上電，工控機(jī)程序檢查各個(gè)模塊供電電壓是否正常，如果正常，程序?qū)λ性O(shè)備進(jìn)行初始化．然后由操作人員在工控機(jī)上設(shè)定實(shí)驗(yàn)參數(shù)，如合閘相角等．工控機(jī)將合/分閘相角值發(fā)給選相合閘相角控制器，并向其發(fā)送合/分閘的控制指令．選相合閘相角控制器收到合/分閘命令后，執(zhí)行合/分閘程序，控制交流接觸器吸合或分?jǐn)啵?分閘命令執(zhí)行完畢后，檢測(cè)交流接觸器試品是否正常吸合或分?jǐn)?，若出現(xiàn)故障，向工控機(jī)發(fā)送故障提示．選相合閘相角控制器執(zhí)行合閘程序的后，觸頭接觸壓力傳感器上就會(huì)有接觸壓力信號(hào)出現(xiàn)，這個(gè)信號(hào)經(jīng)電荷放大器放大處理后輸入信號(hào)調(diào)理電路，處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)入高速數(shù)據(jù)采集卡．工控機(jī)控制接收高速數(shù)據(jù)采集卡所采集的數(shù)據(jù)信號(hào)．最后工控機(jī)按照編好的程序?qū)π盘?hào)進(jìn)行處理并顯示、存儲(chǔ)測(cè)試結(jié)果．

圖2 交流接觸器觸頭接觸壓力動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)示意圖Fig.2 Sketch of ACcontactor contact pressure dynamic testing system

3 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

該文在河北工業(yè)大學(xué)電器研究所以 CJ20-25交流接觸器為樣品進(jìn)行了一相主觸頭接觸壓力的動(dòng)態(tài)測(cè)試，該交流接觸器為雙斷點(diǎn)橋式觸頭，故需在觸橋的兩個(gè)靜觸頭上均粘貼該接觸壓力傳感器．

測(cè)試時(shí)室內(nèi)溫度為17℃，濕度為21%，電荷放大器設(shè)定值為靈敏度21pc，增益0.1k，示波器選用的是YOKOGAWA的DL750型，連續(xù)采集了20組數(shù)據(jù)，目的是觀察：觸頭接觸壓力動(dòng)態(tài)變化的趨勢(shì)；不同合閘相角下觸頭接觸壓力峰值的變化情況和觸頭的彈跳情況．圖3、圖4、圖5是不同合閘相角時(shí)觸頭接觸壓力動(dòng)態(tài)變化波形圖．

分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，得出以下初步結(jié)論：

1）觀察圖3～圖5可以看出，在0°或180°時(shí)觸頭初次吸合的沖量最大，觸頭一次彈跳劇烈，二次彈跳很明顯；合閘相角在30°、70°、220°左右時(shí)，觸頭閉合時(shí)間較短，觸頭一次彈跳幅度小，二次彈跳不明顯且彈跳時(shí)長(zhǎng)較短，總體吸合過(guò)程平穩(wěn)；在90°、270°左右時(shí)觸頭閉合時(shí)間長(zhǎng)，觸頭一次彈跳幅度大，二次彈跳明顯而且彈跳時(shí)間長(zhǎng)，吸合過(guò)程波動(dòng)明顯．可見(jiàn)由接觸壓力信號(hào)可以更加直觀的判斷觸頭彈跳．

2）觸頭壓力信號(hào)能給出更詳細(xì)的觸頭彈跳信息，且觀察觸頭彈跳狀況非常直觀．當(dāng)彈跳幅度很小的時(shí)候，觸頭接觸壓力信號(hào)還是有幅值的，而高速攝影機(jī)手段無(wú)法探測(cè)到該微小變化[10]．

圖3 合閘相角約為0°時(shí)的接觸壓力波形圖Fig.3 Waveform of contact pressure when closephaseangleisabout 0°

3）影響壓電式傳感器工作性能的因素很多：其中有系統(tǒng)的因素，如傳感器重量的負(fù)載影響、諧振頻率、高低頻響應(yīng)相移的影響，以及橫向靈敏度、安裝差異和某些溫度影響等；也有隨機(jī)的因素，如基座應(yīng)變、聲噪音和電磁場(chǎng)等[11]．接觸器觸頭不同于一般的機(jī)械裝置，觸頭間存在很強(qiáng)的瞬態(tài)電磁場(chǎng)．瞬態(tài)電磁場(chǎng)對(duì)壓電傳感器的影響以及解決方法分析如下：由圖3可以看出，從合閘瞬間開(kāi)始，也就是接觸器線(xiàn)圈兩端電壓有輸出開(kāi)始，觸頭接觸壓力信號(hào)就被疊加了一個(gè)交流信號(hào)，這主要是工頻50 Hz交流電的干擾，而觸頭接觸壓力信號(hào)一般高于2 kHz，用濾波的方式可以減弱其影響．常規(guī)的消除方法是硬件電路設(shè)置陷波器電路，再配合軟件濾波．該文所述的動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)，其信號(hào)調(diào)理電路采用的是 PCLD-8712型信號(hào)調(diào)理模塊，該模塊可加裝陷波器電路；工控機(jī)采用的是Labview編程的測(cè)試平臺(tái)，可以很方便的在后期信號(hào)處理階段調(diào)用高通濾波器模塊來(lái)進(jìn)行濾波．圖6是處理后的信號(hào)圖，由圖可見(jiàn)，采用硬件陷波器加軟件濾波，可以較好的消除工頻交流電的干擾．另外，為防止電磁場(chǎng)對(duì)傳感器信號(hào)的影響，該文訂購(gòu)的PVDF壓電薄膜，在出廠(chǎng)時(shí)已要求廠(chǎng)家采用雙重屏蔽殼封裝形式和雙芯輸出電纜，以適應(yīng)于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)要求．

4 結(jié)論

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，用PVDF壓電薄膜獲得觸頭接觸壓力動(dòng)態(tài)信號(hào)的測(cè)試方法是可行的．由該方法得到的觸頭壓力信號(hào)可以反映不同合閘相角時(shí)觸頭閉合時(shí)間的長(zhǎng)短、觸頭一次、二次彈跳幅度的大小，以及總體吸合過(guò)程的平穩(wěn)程度，這同高速攝影機(jī)拍攝的觸頭彈跳情況相比，更具優(yōu)勢(shì)．該測(cè)試方法能夠清晰、準(zhǔn)確的獲得觸頭接觸壓力的動(dòng)態(tài)信號(hào)，進(jìn)一步清晰直觀地揭示觸頭彈跳的情況．該方法可以移植到其它電器的觸頭壓力動(dòng)態(tài)測(cè)試領(lǐng)域，在今后的工作中將進(jìn)一步研究和提高其應(yīng)用水平．

圖4 合閘相角約為70°時(shí)的接觸壓力波形圖Fig.4 Waveform of contact pressurewhen closephaseangleisabout 70°

圖5 合閘相角約為270°時(shí)的接觸壓力波形圖Fig.5 Waveform of contact pressurewhen closephaseangleisabout 270°

圖6 濾波處理后的接觸壓力波形圖Fig.6 Waveform of Contact Pressureafter filtered

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