电触点材料与电阻测量技术

1接触电阻实验系统设计

实验系统主要由机械结构部分与测量系统两部分组成。机械结构用于电触头材料的安装、夹持，一维方向柔性接触压力加载。测量系统采用单片机C8051F120作为控制核心，通过SPI口外扩4通道24bit模数转换器AD7193，用于对接触电压、接触电流和接触力进行高精度模数转换。接触电流可调范围为5mA～1A，步进率1mA，精度为±2.5%；触头开路电压DC6V。接触电阻测试范围为0～450。测量系统配有键盘和液晶屏完成输入和显示功能。实验系统中的力传感器为电阻应变式传感器（量程0～5000cN），灵敏度为1.5mV/V。对力传感器采用±5V供电，力传感器输出的差分信号由高性能仪表运放AD8221转为单端信号，经低通滤波后进入模数转换器AD7193。实验系统总体框图如图1所示。为提高测量的稳定性，减小气流扰动、温度变化和微振动等环境因素对结果的影响，机械结构部分采用隔振平台与透明有机玻璃外罩防护，测量系统以电磁屏蔽外壳形式防护。

1.1接触电压信号的调理

所测的接触电压信号中难免会存在接触对表面间热电动势Ur和化学电动势Uh等误差因素，在信号调理过程中，还会受到放大器失调电压Us和噪声Uz的影响。为达到准确测量接触电阻的目的，本文采用了一种低噪低漂移弱信号调理技术。

1.2滑动窗口平均滤波

为进一步提高接触电压信号的测量精度和读数稳定性，采用滑动窗口平均滤波法对接触电压和激励电流信号进行数字滤波处理。2.3测量系统误差分析以5mA、10mA、20mA、50mA和100mA的激励电流分别对标称阻值为1m、10m和100m的BZ3型0.01级标准电阻各进行50次重复测量。测量结果示于下表中。5mA电流条件下，标准偏差不超过2%，其他电流条件下标准偏差不超过1%。因此100m量程内测量偏差小于2%，分辨率小于0.01m。单独对力传感器以1g、2g、5g、10g、50g和100g标准砝码50次重复称重测量，对所得数据统计分析可得测量偏差小于1%，分辨率小于1cN。

2实验结果分析

2.1实验条件

为统一评价电触点材料的接触电阻，选用不锈钢镀金球头（球面半径0.5mm，镀金层厚度3m）作为标准压头（上触头），以银氧化镉AgCdO12平面型铆钉为下触头进行静接触特性测量。应用乙醇酒精将标准压头与待测触头在超声波清洗机中清洗10分钟，最后自然晾干，确保除去触头表面油脂提高表面洁净度。将标准压头与待测触头用清洗干净的镊子安装至夹具中固定，并注意保持触点表面的干净。以四线法接线方式连接至实验系统，以消除引线电阻对测试结果的影响。所进行的触点材料接触电阻测试，即是获得一定测试电流条件下接触力加载过程和卸载过程中接触电阻的变化规律。实验过程中严格按照接触压力先达到设定值，再通入恒定电流至接触电阻稳定后读数的方式。本文实验中激励电流水平分别选取为5mA、10mA、20mA和50mA。从批次产品中选取触点试样40支，分为4组，每种激励电流条件下的试样10支。接触压力测试范围选为1～100g，1～50g区间步长为1g，50～100g区间步长为5g。测试环境为室温21℃，相对湿度为65%RH。

2.2结果分析

将不同AgCdO12触点材料试样接触电阻最小值、最大值及平均值与接触压力的对应关系示于图3。对比图3中各图可见，在1～2g范围内，接触电阻随接触压力的增加而快速减小，在2～8g范围内，接触电阻降低趋势减缓，在8～100g范围内，接触电阻减小率接近线性常数。同时，卸载过程中接触电阻的增加过程较加载过程曲线稍低，与此种现象即与大多数学者所得到的结果相似，称滞回现象[12-14]。Timsit[13]对此指出随着接触力载荷的增加，接触对间的微观表面凸丘发生挤压塑性变形的个数趋向增多，凸丘的塑性压扁状态伴随着导电斑点个数的增加，因此所产生的收缩电阻及接触电阻将具有减小趋势。同时，发生塑性变形的微观材料晶粒应力逐渐硬化机理也将使微观接触表面面积增加趋于饱和状态。卸载过程中的局部塑性变形无法恢复即是接触电阻存在滞后现象的根本原因。测试电流对于触点材料静接触特性具有一定影响，5mA电流条件下接触电阻的滞回现象相对最弱，而10mA、20mA和50mA电流条件下的滞回曲线均十分相近，并在100g接触压力条件下接触电阻随电流的增加而呈单调下降趋势。因此电流幅值在微观导电表面的热效应将使得接触面积增大是致使收缩电阻和膜电阻减小的主要原因。基于上述实验结果可见，接触压力和激励电流对于触点材料的接触电阻的测量结果影响很大。8g接触压力是接触电阻变化速率相对稳定的最小压力，同时考虑到10mA电流也是使接触电阻滞回特性相对稳定的最小电流，其对于触点材料表面的损伤也将达到最小，因此可以选择8g接触压力和10mA激励电流条件作为评价触点材料产品接触电阻一致性的实验条件。由于触点生产商所提供的工业用触点制备过程中必然存在表面粗糙度及本身材质的差异，因而触点间的接触电阻也难免存在或多或少的差异[15]。接触电阻的实验结果是标准压头与试样间“即时接触面”的接触电阻，不同的接触面将具有不同的结果，同一试样反复检测也不能为同一接触面，因此，测量结果必然不具有唯一性和复现性。同一对触点若重新装夹检测，其接触面一般也不能与前次检测吻合，但在一个批次的产品中，抽检一定数量的触点检测，其概率是相同的。抽检的数量越大，其概率越接近真实。所以，一定数量的触点接触电阻检测值就反映了该批触点的接触电阻状况和接触电阻值的分布情况。另外，在触点材料接触电阻检测过程中，若发现个别值偏大，可初步判定试样材料局部接触表面存在划痕等缺陷，进一步可应用激光共聚焦显微镜进行微观表面分析。若发现触点接触电阻普遍高于正常值，则说明触点表面存在某种化学镀层，进一步可通过扫描电子显微镜和能谱分析完成确认。

3结论

（1）针对铆钉式触点材料提出并设计了新型接触电阻测试分析系统及方法，通过综合应用激励电流断续斩波、低噪低漂移弱信号调理和滑动窗口平均滤波等技术，实现了接触电阻测试范围为0～450，分辨率小于0.01m，测量偏差小于2%；接触压力测试偏差小于1%，分辨率小于1cN的技术指标。（2）AgCdO12铆钉触点抽样测量结果表明，接触压力和激励电流是决定接触电阻的关键因素，实验证明了接触表面微观凸丘的塑性变形及应力硬化是接触电阻与接触压力间发生滞回现象的根本原因。接触电阻测量结果不唯一性和不可复现性的特点使得合理的抽检方法对于触点材料产品一致性评估工作具有现实而重要的意义。

作者：任万滨 武剑 陈宇 曹晟 崔黎 翟国富 单位：哈尔滨工业大学军用电器研究所 北京时代之峰科技有限公司硬件开发部