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在顯微鏡下觀察連接器接觸件的表面,盡管鍍金層十分光滑,則仍能觀察到5-10微米的凸起部分。會(huì)看到插合的一對(duì)接觸件的接觸,并不整個(gè)接觸面的接觸,而是散布在接觸面上一些點(diǎn)的接觸。實(shí)際接觸面必然小于理論接觸面。根據(jù)表面光滑程度及接觸壓力大小,兩者差距有的可達(dá)幾千倍。實(shí)際接觸面可分為兩部分;一是真正金屬與金屬直接接觸部分。即金屬間無(wú)過(guò)渡電阻的接觸微點(diǎn),亦稱接觸斑點(diǎn),它是由接觸壓力或熱作用破壞界面膜后形成的。部分約占實(shí)際接觸面積的5-10%。二是通過(guò)接觸界面污染薄膜后相互接觸的部分。因?yàn)槿魏谓饘俣加蟹祷卦�氧化物狀態(tài)的傾向。實(shí)際上,在大氣中不存在真正潔凈的金屬表面,即使很潔凈的金屬表面,一旦暴露在大氣中,便會(huì)很快生成幾微米的初期氧化膜層。例如銅只要2-3分鐘,鎳約30分鐘,鋁僅需2-3秒鐘,其表面便可形成厚度約2微米的氧化膜層。即使特別穩(wěn)定的貴金屬金,由于它的表面能較高,其表面也會(huì)形成一層有機(jī)氣體吸附膜。此外,大氣中的塵埃等也會(huì)在接觸件表面形成沉積膜。因而,從微觀分析任何接觸面都是一個(gè)污染面。

綜上所述,真正接觸電阻應(yīng)由以下幾部分組成

1、集中電阻

電流通過(guò)實(shí)際接觸面時(shí),由于電流線收縮(或稱集中)顯示出來(lái)的電阻。將其稱為集中電阻或收縮電阻。

2、膜層電阻

由于接觸表面膜層及其他污染物所構(gòu)成的膜層電阻。從接觸表面狀態(tài)分析;表面污染膜可分為較堅(jiān)實(shí)的薄膜層和較松散的雜質(zhì)污染層。故確切地說(shuō),也可把膜層電阻稱為界面電阻。

3、導(dǎo)體電阻

實(shí)際測(cè)量電連接器接觸件的接觸電阻時(shí),都是在接點(diǎn)引出端進(jìn)行的,故實(shí)際測(cè)得的接觸電阻還包含接觸表面以外接觸件和引出導(dǎo)線本身的導(dǎo)體電阻。導(dǎo)體電阻主要取決于金屬材料本身的導(dǎo)電性能,它與周圍環(huán)境溫度的關(guān)系可用溫度系數(shù)來(lái)表征。

為便于區(qū)分,將集中電阻加上膜層電阻稱為真實(shí)接觸電阻。而將實(shí)際測(cè)得包含有導(dǎo)體電阻的稱為總接觸電阻。

在實(shí)際測(cè)量接觸電阻時(shí),常使用按開(kāi)爾文電橋四端子法原理設(shè)計(jì)的接觸電阻測(cè)試儀(毫歐計(jì)),其專用夾具夾在被測(cè)接觸件端接部位兩端,故實(shí)際測(cè)量的總接觸電阻R由以下三部分組成,可由下式表示:

R= RC + Rf + Rp,式中:RC-集中電阻;Rf-膜層電阻;Rp-導(dǎo)體電阻。

接觸電阻檢驗(yàn)?zāi)康氖谴_定電流流經(jīng)接觸件的接觸表面的電觸點(diǎn)時(shí)產(chǎn)生的電阻。如果有大電流通過(guò)高阻觸點(diǎn)時(shí),就可能產(chǎn)生過(guò)分的能量消耗,并使觸點(diǎn)產(chǎn)生危險(xiǎn)的過(guò)熱現(xiàn)象。在很多應(yīng)用中要求接觸電阻低且穩(wěn)定,以使觸點(diǎn)上的電壓降不致影響電路狀況的精度。

除用毫歐計(jì)外,也可用伏-安計(jì)法,安培-電位計(jì)法。

在連接微弱信號(hào)電路中,設(shè)定的測(cè)試數(shù)條件對(duì)接觸電阻檢測(cè)結(jié)果有一定影響。因?yàn)榻佑|表面會(huì)附有氧化層,油污或其他污染物,兩接觸件表面會(huì)產(chǎn)生膜層電阻。由于膜層為不良導(dǎo)體,隨膜層厚度增加,接觸電阻會(huì)迅速增大。膜層在高的接觸壓力下會(huì)機(jī)械擊穿,或在高電壓、大電流下會(huì)發(fā)生電擊穿。但對(duì)某些小型連接器設(shè)計(jì)的接觸壓力很小,工作電流電壓僅為mA和mV級(jí),膜層電阻不易被擊穿,接觸電阻增大可能影響電信號(hào)的傳輸。

在GB5095"電子設(shè)備用機(jī)電元件基本試驗(yàn)規(guī)程及測(cè)量方法"中的接觸電阻測(cè)試方法之一,"接觸電阻-毫伏法" 規(guī)定,為防止接觸件上膜層被擊穿,測(cè)試回路交流或直流的開(kāi)路峰值電壓應(yīng)不大于20mV,交流或直流的測(cè)試中電流應(yīng)不大于100mA。

在GJB1217"電連接器試驗(yàn)方法"中規(guī)定有"低電平接觸電阻" 和"接觸電阻"兩種試驗(yàn)方法。其中低電平接觸電阻試驗(yàn)方法基本內(nèi)容與上述GB5095中的接觸電阻-毫伏法相同。目的是評(píng)定接觸件在加上不改變物理的接觸表面或不改變可能存在的不導(dǎo)電氧化薄膜的電壓和電流條件下的接觸電阻特性。所加開(kāi)路試驗(yàn)電壓不超過(guò)20mV,試驗(yàn)電流應(yīng)限制在100mA。在這一電平下的性能足以表現(xiàn)在低電平電激勵(lì)下的接觸界面的性能。而接觸電阻試驗(yàn)方法目的是測(cè)量通過(guò)規(guī)定電流的一對(duì)插合接觸件兩端或接觸件與測(cè)量規(guī)之間的電阻。通常采用這一試驗(yàn)方法施加的規(guī)定電流要比前一種試驗(yàn)方法大得多。如軍標(biāo)GJB101"小圓形快速分離耐環(huán)境電連接器總規(guī)范"中規(guī)定;測(cè)量時(shí)電流為1A,接觸對(duì)串聯(lián)后,測(cè)量每對(duì)接觸對(duì)的電壓降,取其平均值換算成接觸電阻值。

主要受接觸件材料、正壓力、表面狀態(tài)、使用電壓和電流等因素影響。

1、接觸件材料

電連接器技術(shù)條件對(duì)不同材質(zhì)制作的同規(guī)格插配接觸件,規(guī)定了不同的接觸電阻考核指標(biāo)。如小圓形快速分離耐環(huán)境電連接器總規(guī)范GJB101-86規(guī)定,直徑為1mm的插配接觸件接觸電阻,銅合金≤5mΩ,鐵合金≤15mΩ。

2、正壓力

接觸件的正壓力是指彼此接觸的表面產(chǎn)生并垂直于接觸表面的力。隨正壓力增加,接觸微點(diǎn)數(shù)量及面積也逐漸增加,同時(shí)接觸微點(diǎn)從彈性變形過(guò)渡到塑性變形。由于集中電阻逐漸減小,而使接觸電阻降低。接觸正壓力主要取決于接觸件的幾何形狀和材料性能。

3、表面狀態(tài)

接觸件表面一是由于塵埃、松香、油污等在接點(diǎn)表面機(jī)械附著沉積形成的較松散的表膜,這層表膜由于帶有微粒物質(zhì)極易嵌藏在接觸表面的微觀凹坑處,使接觸面積縮小,接觸電阻增大,且極不穩(wěn)定。二是由于物理吸附及化學(xué)吸附所形成的污染膜,對(duì)金屬表面主要是化學(xué)吸附,它是在物理吸附后伴隨電子遷移而產(chǎn)生的。故對(duì)一些高可靠性要求的產(chǎn)品,如航天用電連接器必須要有潔凈的裝配生產(chǎn)環(huán)境條件,完善的清洗工藝及必要的結(jié)構(gòu)密封措施,使用單位必須要有良好的貯存和使用操作環(huán)境條件。

4、使用電壓

使用電壓達(dá)到一定閾值,會(huì)使接觸件膜層被擊穿,而使接觸電阻迅速下降。但由于熱效應(yīng)加速了膜層附近區(qū)域的化學(xué)反應(yīng),對(duì)膜層有一定的修復(fù)作用。于是阻值呈現(xiàn)非線性。在閾值電壓附近,電壓降的微小波動(dòng)會(huì)引起電流可能二十倍或幾十倍范圍內(nèi)變化。使接觸電阻發(fā)生很大變化,不了解這種非線性變化,就會(huì)在測(cè)試和使用接觸件時(shí)產(chǎn)生錯(cuò)誤。

5、電流

當(dāng)電流超過(guò)一定值時(shí),接觸件界面微小點(diǎn)處通電后產(chǎn)生的焦耳熱作用而使金屬軟化或熔化,會(huì)對(duì)集中電阻產(chǎn)生影響,隨之降低接觸電阻。

1、低電

考慮到接觸件膜層在高接觸壓力下會(huì)發(fā)生機(jī)械擊穿或在高電壓、大電流下會(huì)發(fā)生電擊穿。對(duì)某些小體積的連接器設(shè)計(jì)的接觸壓力相當(dāng)小,使用場(chǎng)合僅為mV或mA級(jí),膜層電阻不易被擊穿,可能影響電信號(hào)的傳輸。故國(guó)家標(biāo)GJB1217-91電連接器試驗(yàn)方法中規(guī)定了兩種試驗(yàn)方法。即低電平接觸電阻試驗(yàn)方法和接觸電阻試驗(yàn)方法。其中低電平接觸電阻試驗(yàn)?zāi)康氖窃u(píng)定接觸件在加上不能改變物理的接觸表面或不改變可能存在的不導(dǎo)電氧化簿膜的電壓和電流條件下的接觸電阻特性。所加開(kāi)路試驗(yàn)電壓不超過(guò)20mV,而試驗(yàn)電流應(yīng)限制在100mA,在這一電平下的性能足以滿足以表現(xiàn)在低電平電激勵(lì)下的接觸界面的性能。而接觸電阻試驗(yàn)?zāi)康氖菧y(cè)量通過(guò)規(guī)定電流的一對(duì)插合接觸件兩端或接觸件與測(cè)量規(guī)之間的電阻,而此規(guī)定電流要比前者大得多,通常規(guī)定為1A。

2、單孔分離力

為確保接觸件插合接觸可靠,保持穩(wěn)定的正壓力是關(guān)鍵。正壓力是接觸壓力的一種直接指標(biāo),明顯影響接觸電阻。但鑒于接觸件插合狀態(tài)的正壓力很難測(cè)量,故一般用測(cè)量插合狀態(tài)的接觸件由靜止變?yōu)檫\(yùn)動(dòng)的單孔分離力來(lái)表征插針與插孔正在接觸。通常電連接器技術(shù)條件規(guī)定的分離力要求是用實(shí)驗(yàn)方法確定的,其理論值可用下式表達(dá)。

F=FN·μ

式中FN為正壓力,μ為摩擦系數(shù)。

由于分離力受正壓力和摩擦系數(shù)兩者制約。故決不能認(rèn)為分離力大,就正壓力大接觸可靠�，F(xiàn)隨著接觸件制作精度和表面鍍層質(zhì)量的提高,將分離力控制在一個(gè)恰當(dāng)?shù)乃�平上即可保證接觸可靠。作者在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn),單孔分離力過(guò)小,在受振動(dòng)沖擊載荷時(shí)有可能造成信號(hào)瞬斷。用測(cè)單孔分離力評(píng)定接觸可靠性比測(cè)接觸電阻有效。因?yàn)樵趯?shí)際檢驗(yàn)中接觸電阻件很少出現(xiàn)不合格,單孔分離力偏低超差的插孔,測(cè)量接觸電阻往往仍合格。

3、檢驗(yàn)

在許多實(shí)際使用場(chǎng)合,汽車、摩托車、火車、動(dòng)力機(jī)械、自動(dòng)化儀器以及航空、航天、船舶等軍用連接器,往往都是在動(dòng)態(tài)振動(dòng)環(huán)境下使用。實(shí)驗(yàn)證明僅用檢驗(yàn)靜態(tài)接觸電阻是否合格,并不能保證動(dòng)態(tài)環(huán)境下使用接觸可靠。往往接觸電阻合格的連接器在進(jìn)行振動(dòng)、沖擊、離心等模擬環(huán)境試驗(yàn)時(shí)仍出現(xiàn)瞬間斷電現(xiàn)象。故對(duì)一些高可靠性要求的連接器,許多設(shè)計(jì)員都提出最好能100%對(duì)其進(jìn)行動(dòng)態(tài)振動(dòng)試驗(yàn)來(lái)考核接觸可靠性。日本耐可公司推出了一種與導(dǎo)通儀配套使用的小型臺(tái)式電動(dòng)振動(dòng)臺(tái),已成功地應(yīng)用于許多民用線束的接觸可靠性檢驗(yàn)。