收稿日期:2004-11-10作者简介:刘民(1961-),男,高级工程师,主要从事电磁计量。
2005年6月宇航计测技术Jun.,2005第25卷 第3期Journal of Astronautic Metrology and MeasurementVol.25,No.3文章编号:1000-7202(2005)03-0022-04 中图分类号:TM934111文献标识码:A一种测量接触电阻的新方法刘 民(北京8722信箱,100080)摘 要 总结接触电阻的测试方法,讨论了产生测量不确定度的因素,对四线法测量原理和消除热电势的方法进行了论述。
提出了接触电阻的间接测量法,给出了间接测量法的计算公式,该方法可以用于测试电气回路中的接触电阻,并可以应用在环路电阻标准器的计量校准中。
关键词 接触电阻 环路电阻+四线法测量 机械装配A New Method for Measuring Contact ResistanceLI U Min(Post Box 8722Beijing China,100080)Abstract The contact resistance was often applied in quality testing of switches,relays and PCB pads and testing of the shield assembly for E MC.The method of measuring c ontact resistance has been summed up and the fac tors that induce measure ment uncertainty have been discussed.A ne w method of indirect measuring contact resistance has been put forward in this paper creatively,and the indirect calculation formula has been given out.This method can be used in measuring c ontact resistance that includes in loop circuit.This method can also been appliced on calibration loop resistor standard.Key words C ontact resistance Loop resistance +Four-wire terminal Machine assembly1 引 言接触电阻的测试应用领域相当广泛。
在电气方面,线路有焊接、压接、搭接、插接、螺栓紧固连接等等各种连接方法,如果希望了解线路的连接质量和其导电特性,就需要进行接触电阻测试。
接触电阻的测试,经常应用于开关、继电器和印刷电路焊盘的质量检验当中。
在机械装配方面,测量两个金属表面相互连接后的接触电阻,可以判断机械装配的牢固性和可靠性。
在电磁兼容方面,导电密封圈、弹性导电片和编织铜网带的导电特性,也可以通过接触电阻来判断。
接触电阻反映了接触表面的导电特性,接触的面积越大,表面杂质越少,导电性好,则接触电阻越小。
反之,接触的面积越小,表面杂质越多,导电性差,则接触电阻越大。
通过测量接触电阻可以定性地判断机械连接的牢固性和可靠性,定性地检查EMC屏蔽的导电性和接地是否良好,是工艺、工装、施工质量检查的手段之一。
测试目的不同,采用的测试方法也不一样。
比如,测试大功率开关和继电器的接触电阻时,应采用大电流进行测试[1],使接触表面的氧化膜和尘埃受热融化,这样测得的接触电阻才能反映在大电流下使用时的真实情况;测试小功率连接器的接触电阻时,如信号通道的接插件、继电器和开关等,为防止接触表面受热烧结,要用小电流进行测试,这样才能反映在小电流下使用时的实际情况[2];测试机械装配质量时,还需要根据构件的连接方式不同,选择不同的测试线路,有构成回路和不构成回路这两种情况,其测试方法不同。
我们在介绍常用的接触电阻测量方法之后,着重分析在构成回路的电气连接中如何测量接触电阻。
这种方法在复杂的机械装配中,为测量接触电阻提供了一种解决方案。
2接触电阻的定义接触电阻的定义是接触表面两边的电位差与通过接触表面的电流的比值,符合欧姆定律,如图1。
图1接触电阻R x的定义图(右图为等效电路)图1中,金属1与金属2有一个界面,电流源施加的电流通过该界面,用电流表测出通过界面的电流I,电压表测量界面两边的电压U,则界面的接触电阻R x为R x=UI(1)式中:U)))由电压表读出的界面两边的电压,(V);I)))由电流表读出的通过界面的电流,(A)。
3消除热电势的影响不同的金属相接触,会产生热电势,如果两边金属材料相同,就没有热电势的影响。
有3种方法可以消除热电势的影响:11交流阻抗测量法图1中采用交流电流源、交流电压表和交流电流表进行测量,读取电压、电流的有效值,代入公式(1)中,计算结果虽然是交流阻抗,但是在频率较低的情况下,可近似为直流电阻。
因为热电势是直流电压,不会影响交流电压的测量,所以交流测量方法可以消除热电势的影响。
21正反两次测量法使用直流测量仪器,应该使电流源正反两个方向各测量一次,计算两次测量结果的平均值,可以消除热电势的影响。
计算方法见下式R x=U电流正向+U电流反向2I(2)31零电流法[3]使用直流测量仪器,先将电流设置为零,记录电压表的读数U0,再将电流设置为I,记录电压表读数U1,利用公式(3)计算接触电阻R xR x=U1-U0I(3)#23#第3期一种测量接触电阻的新方法直流脉冲式微欧计,就是利用这种方法。
4 测量不确定度来源影响接触电阻测量结果的不确定因素有:11接触电阻的定义是不完善的。
在测量电压时,测量点如果不靠近界面,将会把金属的体电阻包含在接触电阻的测量结果中,而真实地测得界面两边的电压,几乎是不可能的,所以接触电阻的测量结果只能是近似结果,但是如果金属的体电阻相比接触电阻很小时,则可以忽略不计。
实际测量中,这种情况经常遇到。
21接触表面的氧化膜和尘埃等杂质物,受温度的影响发生预料不到的变化,改变了其导电特性,而环境温度和通过电流的大小使界面温度变化不定,所以接触电阻在不同的温度下有不同的表现。
31接触表面的应力随时间、温度、气压、湿度的改变而变化,使接触面积发生改变,进而改变了接触电阻的数值。
41测量仪器的不确定度影响了测量结果。
5 四线法测量原理接触电阻一般比较小,比如电源插销与插座的接触电阻一般小于10m 8。
如何减小引线电阻的影响和测试电极接触电阻的影响是小电阻的测量的特殊问题。
采用四线测量法能够有效地消除引线电阻和接触电阻的影响。
如图2,假设r 1,r 2,r 3,r 4,分别代表电压表和电流回路的引线电阻和接触电阻,因为:11电压表的输入阻抗很大,通过电压表的电流几乎为0,所以A 、C 点等电位,B 、D 点等电位,电压表的读数能够反映A ,B 点之间的电位差U,而r 1,r 2不影响电压测量;21串联电路的各个点电流相等,A ,B 两点不产生分流,所以电流表的读数I 正是通过被测电阻R x 的电流,而r 3,r 4不影响电流测量。
所以,U 和I 的比值,就是定义在A,B 两点之间的电阻值。
r 1,r 2,r 3,r 4,和A ,B 两点之外的引线均不影响测量结果。
在计量标准器具中,中低值标准电阻无一例外地采用了四端钮结构,就是利用了这个原理。
以上分析,可以归为两句口诀/电压回路等电位,电流回路等电流0。
图2 四线法消除引线和接触电阻的影响图在测量接触电阻时,必须采用四线法测量,还要注意电流测量端I H ,I L 应跨在电压测量端P H ,P L 之外。
测量小电阻的仪器有双电桥、三次平衡电桥,和数字式毫欧表、微欧计等等,它们都有两个电流测量端钮I H ,I L 和两个电压测量端钮P H ,P L 。
6 接触电阻的测试方法11不构成环路情况(两点法)不构成环路是两个金属指除了被测接触表面之外,没有其它点相接触的情况。
测试接触电阻的线路如图1。
也可以用电阻测量仪直接读数,注意电压测试点要尽可能靠近接触表面。
图3为实际应用举例。
21构成环路情况(三点法)构成回路是指两个金属指除了被测接触表面之外,还有其它点相接触的情况。
这种情况比较复杂,需要间接测量,这里不能包容所有例子,从简单的例子说明间接测量方法,如图4。
图4(a),(b)表示金属体自身通过连接点构成回路,欲测量连接点的接触电阻,仅在1,2两点测量电阻值,不能得到正确结果。
还需要增加测试点3,分别测量3次1)将电阻表接在1,2两点,记录读数为A ;2)将电阻表接在2,3两点,记录读数为B;3)将电阻表接在3,1两点,记录读数为C 。
#24#宇航计测技术 2005年图3不构成环路情况下直接测量图图4 金属体自身通过连接点构成回路图这样,等效电路可以用图4(c)表示,1,2点之间的电阻R 12是待测接触电阻;2,3点之间的电阻R 23是金属体电阻;3,1点之间的电阻R 31也是金属体电阻。
于是根据电阻的串并联关系得到R 12(R 31+R 23)R 12+(R 31+R 23)=AR 23(R 12+R 31)R 23+(R 12+R 31)=BR 31(R 23+R 12)R 31+(R 23+R 12)=C(4)解方程组(4)得到R 12即为测量结果,这就是接触电阻的间接测量方法。
方程组(4)的解法非常复杂,一般要用计算机编程经过多次迭代计算出来。
我们通过电路计算直接给出解的解析表达式,在模拟验证和实验验证中证明是正确的。
方程组(4)的解为R 12=A +12#A 2-(B -C)2-A +B +C R 23=B +12#B 2-(C -A )2A -B +CR 31=C +12#C 2-(A -B )2A +B -C(5)选择测试点1,2时,应当尽量靠近被测接触表面,测试点3可以任意选取。
测试时电流电极与电压电极只能与测试点独立连接,而不能在测试点之外相互连接,最好保持较小的间隙,如图5。
公式(5)的分母中有差值计算,所以当差值很小时将会放大测量误差,所以测试点3应该选择在1,2点的对称位置。
图5 电压电极不能与电流电极相互连接图(下转第31页)#25#第3期 一种测量接触电阻的新方法Section21:Reverberation Chamber T est Methods6.[2]MIL-STD1377[1971],5Effecti veness of Cable,Connector,and Weapon Enclosure Shielding and Filters in Precluding Hazands of Electromagnetic Radiation to Ordnance;M easure-ment of,6.[3]MIL-STD1344A[1993],5Test Methods for Electrical Con-nectors6.[4]N.Eulig, A.Enders,H.G.Krauth&auser,and J.Nitsch,5Achievable field Strength i n Reverberation Chambers6.[5] C.J.Macdonald-Bradley,P.A.Jennings,R.J.Ball,P.H.Lever&S.D.Baker,5A Statistical Approach for Compu-tational Electromagnetics6.[6]Peter H.Lever,Robert J.Ball,and Pall A.Jennings,5De-sign of a Mode Stirring Facility for Whole Vehicle Testing6.[7]S.Baker,R.Ball,P.Jennings,P.Lever and C.Macdon-ald-Bradley,5Mode Stirring:-an Overview of an Automo-tive Susceptibili ty Testi ng Alternative6.[8]M.L.Crawford and dbury,5Mode-sti rred Cham-ber for M easuring Shieldi ng Effectivemess of Cables and Con-nectors6.[9]M ats B&a ckstr&om,Olof Lund n,and Per-Simon Kildal,5Re-verberation Chambers for Emc Susceptibility and Emission Analyses6.[10]Christian Bruns,5Reverberation Chamber Simulation6.[11]Dawson,Hatfield,Arnaut and Eulig,5Reverberation(Mode-stirred)Chambers for Electromagnetic Compatibility6. [12]Charles F.Bunting,5Shielding Effectiveness in a Reverbera-tion Chamber Using Finite Element Techniques6.[13] A.K.Sharma,Sulekh Chand,Rajni Yadav,5Shielding E f-fectiveness-measurement&Analysis6.[14]陈穷主编15电磁兼容性工程设计手册6,国防工业出版社,1993.(上接第25页)7结束语接触电阻的数值受接触表面的大小和杂质的影响较大,不同的电流和不同的温度,接触电阻的数值是不同的,测试中要注意电流和温度的测量结果符合统计规律,应该经过多次测量,以平均值作为测量结果,或者以一个数值区间作为测量结果。