任萬濱 武 劍 陳 宇 曹 晟 崔 黎翟國富

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

1 引言

電觸點材料廣泛應用于各類接觸器、繼電器、照明開關、故障電流開關及輔助開關中，其工作電流從幾安培至幾千安培不等，不同工業(yè)應用需求使觸點材料的成分、制備工藝與尺寸結構各異。觸點是電器開關內完成導通、分斷電流功能的載體，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鍵[1]。觸點對間由于接觸面的凹凸不平使得真正導電面積遠遠小于其視在面積，由此產生電流線彎曲收縮并形成收縮電阻，再加上觸點材料表面膜產生的膜電阻一并構成了觸點材料的接觸電阻[2,3]。接觸電阻是決定電接觸性能的關鍵參數，同時觸點材料的靜態(tài)接觸理論亦是經典電接觸科學的重要分支[4,5]，所涉及的靜接觸特性即接觸壓力、觸點電流與接觸電阻間的關系曲線將不僅決定觸點材料正確選擇、觸點幾何形狀正確設計，同時也是開關電器電壽命與可靠性的主要研究內容。

觸點材料靜接觸特性實驗研究的核心在于微歐級接觸電阻的精確測量[6]。微弱信號不僅表現為其幅值微弱，更表現在其可能被各種噪聲信號嚴重淹沒。直流微弱信號的測量還會受到諸如接觸電動勢、溫差電動勢、電化學電動勢、放大電路失調電壓與電流等直流誤差信號嚴重影響。雖然文獻[7,8]提出了以較大脈沖電流測量接觸電阻的原理，并提高了接觸電阻測量精度；且國外學者以超導量子器件方法[9]、電解槽法[10]和三次諧波法[11]對接觸電阻測量進行了創(chuàng)新。但國家標準GB/T 15078—1994《貴金屬電觸點材料接觸電阻的測量方法》已規(guī)定了貴金屬及其合金電觸點材料接觸電阻的測量方法（靜態(tài)接觸），因此通常應用四線法進行電阻測量的過程中，仍常以典型直流恒流源激勵，電壓測量的方式間接獲得接觸電阻值。固然數字微歐計已成為一種精密測量低電阻的數字式測量儀器，但能同時滿足夾持各種尺寸規(guī)格電觸頭、無級調整接觸壓力和觸點電流、精確測試觸點間接觸電阻，進而研究接觸壓力與接觸電阻對應關系的專用測量儀器則未見報道。本文首先設計了一種新型的電觸點材料接觸電阻實驗系統，并應用0.01級標準電阻和 M22級標準砝碼對測量系統和方法的有效性和正確性進行評價，確保了系統的精度與準度。最后實測了一批銀氧化鎘鉚釘式觸點材料不同激勵電流條件下接觸壓力與接觸電阻的對應關系，并詳細分析了影響接觸電阻測試結果的相關因素。

2 接觸電阻實驗系統設計

實驗系統主要由機械結構部分與測量系統兩部分組成。機械結構用于電觸頭材料的安裝、夾持，一維方向柔性接觸壓力加載。測量系統采用單片機C8051F120作為控制核心，通過SPI口外擴4通道24bit模數轉換器AD7193，用于對接觸電壓、接觸電流和接觸力進行高精度模數轉換。接觸電流可調范圍為5mA～1A，步進率1mA，精度為±2.5%；觸頭開路電壓DC6V。接觸電阻測試范圍為0～450?。測量系統配有鍵盤和液晶屏完成輸入和顯示功能。實驗系統中的力傳感器為電阻應變式傳感器（量程0～5000cN），靈敏度為1.5mV/V。對力傳感器采用±5V供電，力傳感器輸出的差分信號由高性能儀表運放AD8221轉為單端信號，經低通濾波后進入模數轉換器AD7193。實驗系統總體框圖如圖1所示。為提高測量的穩(wěn)定性，減小氣流擾動、溫度變化和微振動等環(huán)境因素對結果的影響，機械結構部分采用隔振平臺與透明有機玻璃外罩防護，測量系統以電磁屏蔽外殼形式防護。

圖1 接觸電阻實驗系統原理框圖Fig.1 Schematic diagram of contact resistance experimental system

2.1 接觸電壓信號的調理

首先分析前兩種誤差因素，此時接觸電壓Uc可表示為

式中 I——激勵電流；

通常潔凈觸點接觸對的Rc在毫歐數量級，若激勵電流I為毫安數量級，那么接觸電壓為微伏級信號。此時Ur和Uh將嚴重影響Uc，必須盡可能予以消除?？紤]到 Ur和 Uh短時間內基本穩(wěn)定且與激勵電流無關，故可周期性地接通和切斷激勵電流 I，即對激勵電流進行斷續(xù)斬波即可消除 Ur和 Uh的影響。

當激勵電流I斷開時，式（1）可改寫為

式（1）與式（2）相減后，得

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

如前述，Uc和在經放大器調理的過程中，還受到失調電壓 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。

由于運放 Us的幅度通常與 Uc和相當，而Uz中位于 0.1～10Hz頻帶內的 1/f噪聲也是測量隨機誤差的主要來源，因此二者也必須予以最大程度的抑制。為此，調理電路中設計了由直-交調制器、變增益運放8253、同步解調與濾波器和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調制頻率能使放大器遠離0.1～10Hz頻帶，從而消除1/f噪聲的影響。此外，因調制頻率是50Hz的整數倍，故工頻交流對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）還能進一步濾除和中尚存的微弱白噪聲。

在上述措施的基礎上，最后在單片機程序中，Rc得到了精確恢復，從而實現了低噪低漂移調理的全過程

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

經反復實驗，本文所述系統中的電流斬波周期設定為1 000ms（電流開通和切斷時間均為500ms）。

當接觸電壓高于1mV時，優(yōu)先使用AD7193內部放大器（增益為1～128倍，軟件調節(jié)）；當接觸電壓低于1mV時，設置AD8253的增益進行輔助放大（可在1倍、10倍、100倍和1 000倍間選擇切換）。

2.2 滑動窗口平均濾波

為進一步提高接觸電壓信號的測量精度和讀數穩(wěn)定性，采用滑動窗口平均濾波法對接觸電壓和激勵電流信號進行數字濾波處理。寬度為N的滑動窗口平均濾波器幅頻響應函數為

當N=20、采樣頻率為20Hz時（各測量通道設置相同），濾波器幅頻響應如圖2所示，接觸電阻測量值的穩(wěn)定周期約為4s（在每個電流斬波周期內，放大器末端RC濾波器達到穩(wěn)態(tài)后，和各采集5次）；力通道不存在斬波，數據穩(wěn)定周期約為2s。

圖2 測量系統中數字濾波器的幅頻響應Fig.2 Amplitude frequency response of digital filter in measurement system

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

2.3 測量系統誤差分析

以5mA、10mA、20mA、50mA和100mA的激勵電流分別對標稱阻值為 1mΩ、10mΩ 和 100mΩ 的BZ3型 0.01級標準電阻各進行 50次重復測量。測量結果示于下表中。5mA電流條件下，標準偏差不超過2%，其他電流條件下標準偏差不超過1%。因此 100mΩ 量程內測量偏差小于 2%，分辨率小于0.01mΩ。單獨對力傳感器以1g、2g、5g、10g、50g和100g標準砝碼50次重復稱重測量，對所得數據統計分析可得測量偏差小于 1%，分辨率小于1cN。

表 測量結果統計Tab.Measurement results

3 實驗結果分析

3.1 實驗條件

為統一評價電觸點材料的接觸電阻，選用不銹鋼鍍金球頭（球面半徑0.5mm，鍍金層厚度3μm）作為標準壓頭（上觸頭），以銀氧化鎘AgCdO12平面型鉚釘為下觸頭進行靜接觸特性測量。應用乙醇酒精將標準壓頭與待測觸頭在超聲波清洗機中清洗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。將標準壓頭與待測觸頭用清洗干凈的鑷子安裝至夾具中固定，并注意保持觸點表面的干凈。以四線法接線方式連接至實驗系統，以消除引線電阻對測試結果的影響。所進行的觸點材料接觸電阻測試，即是獲得一定測試電流條件下接觸力加載過程和卸載過程中接觸電阻的變化規(guī)律。實驗過程中嚴格按照接觸壓力先達到設定值，再通入恒定電流至接觸電阻穩(wěn)定后讀數的方式。本文實驗中激勵電流水平分別選取為 5mA、10mA、20mA和50mA。從批次產品中選取觸點試樣 40支，分為 4組，每種激勵電流條件下的試樣10支。接觸壓力測試范圍選為1～100g，1～50g區(qū)間步長為1g，50～100g區(qū)間步長為 5g。測試環(huán)境為室溫 21℃，相對濕度為65%RH。

3.2 結果分析

將不同 AgCdO12觸點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應關系示于圖3。對比圖3中各圖可見，在1～2g范圍內，接觸電阻隨接觸壓力的增加而快速減小，在2～8g范圍內，接觸電阻降低趨勢減緩，在8～100g范圍內，接觸電阻減小率接近線性常數。同時，卸載過程中接觸電阻的增加過程較加載過程曲線稍低，與此種現象即與大多數學者所得到的結果相似，稱滯回現象[12-14]。Timsit[13]對此指出隨著接觸力載荷的增加，接觸對間的微觀表面凸丘發(fā)生擠壓塑性變形的個數趨向增多，凸丘的塑性壓扁狀態(tài)伴隨著導電斑點個數的增加，因此所產生的收縮電阻及接觸電阻將具有減小趨勢。同時，發(fā)生塑性變形的微觀材料晶粒應力逐漸硬化機理也將使微觀接觸表面面積增加趨于飽和狀態(tài)。卸載過程中的局部塑性變形無法恢復即是接觸電阻存在滯后現象的根本原因。

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

測試電流對于觸點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象相對最弱，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下降趨勢。因此電流幅值在微觀導電表面的熱效應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。

基于上述實驗結果可見，接觸壓力和激勵電流對于觸點材料的接觸電阻的測量結果影響很大。8g接觸壓力是接觸電阻變化速率相對穩(wěn)定的最小壓力，同時考慮到10mA電流也是使接觸電阻滯回特性相對穩(wěn)定的最小電流，其對于觸點材料表面的損傷也將達到最小，因此可以選擇 8g接觸壓力和10mA激勵電流條件作為評價觸點材料產品接觸電阻一致性的實驗條件。

由于觸點生產商所提供的工業(yè)用觸點制備過程中必然存在表面粗糙度及本身材質的差異，因而觸點間的接觸電阻也難免存在或多或少的差異[15]。接觸電阻的實驗結果是標準壓頭與試樣間“即時接觸面”的接觸電阻，不同的接觸面將具有不同的結果，同一試樣反復檢測也不能為同一接觸面，因此，測量結果必然不具有唯一性和復現性。同一對觸點若重新裝夾檢測，其接觸面一般也不能與前次檢測吻合，但在一個批次的產品中，抽檢一定數量的觸點檢測，其概率是相同的。抽檢的數量越大，其概率越接近真實。所以，一定數量的觸點接觸電阻檢測值就反映了該批觸點的接觸電阻狀況和接觸電阻值的分布情況。

另外，在觸點材料接觸電阻檢測過程中，若發(fā)現個別值偏大，可初步判定試樣材料局部接觸表面存在劃痕等缺陷，進一步可應用激光共聚焦顯微鏡進行微觀表面分析。若發(fā)現觸點接觸電阻普遍高于正常值，則說明觸點表面存在某種化學鍍層，進一步可通過掃描電子顯微鏡和能譜分析完成確認。

4 結論

（1）針對鉚釘式觸點材料提出并設計了新型接觸電阻測試分析系統及方法，通過綜合應用激勵電流斷續(xù)斬波、低噪低漂移弱信號調理和滑動窗口平均濾波等技術，實現了接觸電阻測試范圍為0～450?，分辨率小于 0.01m?，測量偏差小于 2%；接觸壓力測試偏差小于 1%，分辨率小于 1cN的技術指標。

（2）AgCdO12鉚釘觸點抽樣測量結果表明，接觸壓力和激勵電流是決定接觸電阻的關鍵因素，實驗證明了接觸表面微觀凸丘的塑性變形及應力硬化是接觸電阻與接觸壓力間發(fā)生滯回現象的根本原因。接觸電阻測量結果不唯一性和不可復現性的特點使得合理的抽檢方法對于觸點材料產品一致性評估工作具有現實而重要的意義。

[1] 土屋金彌.電接點技術[M].劉茂林,譯.北京: 機械工業(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.接觸電阻新型測量方法的研究[J].電氣開關,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.電器觸點接觸電阻測量裝置的研究[J].電測與儀表,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] 熊經先.電觸點材料接觸電阻的測量方法[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.