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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。會看到插合的一對接觸件的接觸,并不整個接觸面的接觸,而是散布在接觸面上一些點的接觸。實際接觸面必然小于理論接觸面。根據表面光滑程度及接觸壓力大小,兩者差距有的可達幾千倍。實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。即金屬間無過渡電阻的接觸微點,亦稱接觸斑點,它是由接觸壓力或熱作用破壞界面膜后形成的。部分約占實際接觸面積的5-10%。二是通過接觸界面污染薄膜后相互接觸的部分。因為任何金屬都有返回原氧化物狀態的傾向。實際上,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。即使特別穩定的貴金屬金,由于它的表面能較高,其表面也會形成一層有機氣體吸附膜。此外,大氣中的塵埃等也會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污染面。

綜上所述,真正接觸電阻應由以下幾部分組成

1、集中電阻

電流通過實際接觸面時,由于電流線收縮(或稱集中)顯示出來的電阻。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成的膜層電阻。從接觸表面狀態分析;表面污染膜可分為較堅實的薄膜層和較松散的雜質污染層。故確切地說,也可把膜層電阻稱為界面電阻。

3、導體電阻

實際測量電連接器接觸件的接觸電阻時,都是在接點引出端進行的,故實際測得的接觸電阻還包含接觸表面以外接觸件和引出導線本身的導體電阻。導體電阻主要取決于金屬材料本身的導電性能,它與周圍環境溫度的關系可用溫度系數來表征。

為便于區分,將集中電阻加上膜層電阻稱為真實接觸電阻。而將實際測得包含有導體電阻的稱為總接觸電阻。

在實際測量接觸電阻時,常使用按開爾文電橋四端子法原理設計的接觸電阻測試儀(毫歐計),其專用夾具夾在被測接觸件端接部位兩端,故實際測量的總接觸電阻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-導體電阻。

接觸電阻檢驗目的是確定電流流經接觸件的接觸表面的電觸點時產生的電阻。如果有大電流通過高阻觸點時,就可能產生過分的能量消耗,并使觸點產生危險的過熱現象。在很多應用中要求接觸電阻低且穩定,以使觸點上的電壓降不致影響電路狀況的精度。

除用毫歐計外,也可用伏-安計法,安培-電位計法。

在連接微弱信號電路中,設定的測試數條件對接觸電阻檢測結果有一定影響。因為接觸表面會附有氧化層,油污或其他污染物,兩接觸件表面會產生膜層電阻。由于膜層為不良導體,隨膜層厚度增加,接觸電阻會迅速增大。膜層在高的接觸壓力下會機械擊穿,或在高電壓、大電流下會發生電擊穿。但對某些小型連接器設計的接觸壓力很小,工作電流電壓僅為mA和mV級,膜層電阻不易被擊穿,接觸電阻增大可能影響電信號的傳輸。

在GB5095"電子設備用機電元件基本試驗規程及測量方法"中的接觸電阻測試方法之一,"接觸電阻-毫伏法" 規定,為防止接觸件上膜層被擊穿,測試回路交流或直流的開路峰值電壓應不大于20mV,交流或直流的測試中電流應不大于100mA。

在GJB1217"電連接器試驗方法"中規定有"低電平接觸電阻" 和"接觸電阻"兩種試驗方法。其中低電平接觸電阻試驗方法基本內容與上述GB5095中的接觸電阻-毫伏法相同。目的是評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電氧化薄膜的電壓和電流條件下的接觸電阻特性。所加開路試驗電壓不超過20mV,試驗電流應限制在100mA。在這一電平下的性能足以表現在低電平電激勵下的接觸界面的性能。而接觸電阻試驗方法目的是測量通過規定電流的一對插合接觸件兩端或接觸件與測量規之間的電阻。通常采用這一試驗方法施加的規定電流要比前一種試驗方法大得多。如軍標GJB101"小圓形快速分離耐環境電連接器總規范"中規定;測量時電流為1A,接觸對串聯后,測量每對接觸對的電壓降,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、使用電壓和電流等因素影響。

1、接觸件材料

電連接器技術條件對不同材質制作的同規格插配接觸件,規定了不同的接觸電阻考核指標。如小圓形快速分離耐環境電連接器總規范GJB101-86規定,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生并垂直于接觸表面的力。隨正壓力增加,接觸微點數量及面積也逐漸增加,同時接觸微點從彈性變形過渡到塑性變形。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

接觸件表面一是由于塵埃、松香、油污等在接點表面機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,且極不穩定。二是由于物理吸附及化學吸附所形成的污染膜,對金屬表面主要是化學吸附,它是在物理吸附后伴隨電子遷移而產生的。故對一些高可靠性要求的產品,如航天用電連接器必須要有潔凈的裝配生產環境條件,完善的清洗工藝及必要的結構密封措施,使用單位必須要有良好的貯存和使用操作環境條件。

4、使用電壓

使用電壓達到一定閾值,會使接觸件膜層被擊穿,而使接觸電阻迅速下降。但由于熱效應加速了膜層附近區域的化學反應,對膜層有一定的修復作用。于是阻值呈現非線性。在閾值電壓附近,電壓降的微小波動會引起電流可能二十倍或幾十倍范圍內變化。使接觸電阻發生很大變化,不了解這種非線性變化,就會在測試和使用接觸件時產生錯誤。

5、電流

當電流超過一定值時,接觸件界面微小點處通電后產生的焦耳熱作用而使金屬軟化或熔化,會對集中電阻產生影響,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發生機械擊穿或在高電壓、大電流下會發生電擊穿。對某些小體積的連接器設計的接觸壓力相當小,使用場合僅為mV或mA級,膜層電阻不易被擊穿,可能影響電信號的傳輸。故國家標GJB1217-91電連接器試驗方法中規定了兩種試驗方法。即低電平接觸電阻試驗方法和接觸電阻試驗方法。其中低電平接觸電阻試驗目的是評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電氧化簿膜的電壓和電流條件下的接觸電阻特性。所加開路試驗電壓不超過20mV,而試驗電流應限制在100mA,在這一電平下的性能足以滿足以表現在低電平電激勵下的接觸界面的性能。而接觸電阻試驗目的是測量通過規定電流的一對插合接觸件兩端或接觸件與測量規之間的電阻,而此規定電流要比前者大得多,通常規定為1A。

2、單孔分離力

為確保接觸件插合接觸可靠,保持穩定的正壓力是關鍵。正壓力是接觸壓力的一種直接指標,明顯影響接觸電阻。但鑒于接觸件插合狀態的正壓力很難測量,故一般用測量插合狀態的接觸件由靜止變為運動的單孔分離力來表征插針與插孔正在接觸。通常電連接器技術條件規定的分離力要求是用實驗方法確定的,其理論值可用下式表達。

F=FN·μ

式中FN為正壓力,μ為摩擦系數。

由于分離力受正壓力和摩擦系數兩者制約。故決不能認為分離力大,就正壓力大接觸可靠。現隨著接觸件制作精度和表面鍍層質量的提高,將分離力控制在一個恰當的水平上即可保證接觸可靠。作者在實踐中發現,單孔分離力過小,在受振動沖擊載荷時有可能造成信號瞬斷。用測單孔分離力評定接觸可靠性比測接觸電阻有效。因為在實際檢驗中接觸電阻件很少出現不合格,單孔分離力偏低超差的插孔,測量接觸電阻往往仍合格。

3、檢驗

在許多實際使用場合,汽車、摩托車、火車、動力機械、自動化儀器以及航空、航天、船舶等軍用連接器,往往都是在動態振動環境下使用。實驗證明僅用檢驗靜態接觸電阻是否合格,并不能保證動態環境下使用接觸可靠。往往接觸電阻合格的連接器在進行振動、沖擊、離心等模擬環境試驗時仍出現瞬間斷電現象。故對一些高可靠性要求的連接器,許多設計員都提出最好能100%對其進行動態振動試驗來考核接觸可靠性。日本耐可公司推出了一種與導通儀配套使用的小型臺式電動振動臺,已成功地應用于許多民用線束的接觸可靠性檢驗。