电触点材料接触电阻高精密测量技术

任万滨 武 剑 陈 宇 曹 晟 崔 黎翟国富

（1.哈尔滨工业大学军用电器研究所 哈尔滨 150001 2.北京时代之峰科技有限公司硬件开发部 北京 100085 3.桂林航天电子有限公司 桂林 541002）

1 引言

电触点材料广泛应用于各类接触器、继电器、照明开关、故障电流开关及辅助开关中，其工作电流从几安培至几千安培不等，不同工业应用需求使触点材料的成分、制备工艺与尺寸结构各异。触点是电器开关内完成导通、分断电流功能的载体，因此其电接触性能已成为影响电气与电子工程可靠性的关键[1]。触点对间由于接触面的凹凸不平使得真正导电面积远远小于其视在面积，由此产生电流线弯曲收缩并形成收缩电阻，再加上触点材料表面膜产生的膜电阻一并构成了触点材料的接触电阻[2,3]。接触电阻是决定电接触性能的关键参数，同时触点材料的静态接触理论亦是经典电接触科学的重要分支[4,5]，所涉及的静接触特性即接触压力、触点电流与接触电阻间的关系曲线将不仅决定触点材料正确选择、触点几何形状正确设计，同时也是开关电器电寿命与可靠性的主要研究内容。

触点材料静接触特性实验研究的核心在于微欧级接触电阻的精确测量[6]。微弱信号不仅表现为其幅值微弱，更表现在其可能被各种噪声信号严重淹没。直流微弱信号的测量还会受到诸如接触电动势、温差电动势、电化学电动势、放大电路失调电压与电流等直流误差信号严重影响。虽然文献[7,8]提出了以较大脉冲电流测量接触电阻的原理，并提高了接触电阻测量精度；且国外学者以超导量子器件方法[9]、电解槽法[10]和三次谐波法[11]对接触电阻测量进行了创新。但国家标准GB/T 15078—1994《贵金属电触点材料接触电阻的测量方法》已规定了贵金属及其合金电触点材料接触电阻的测量方法（静态接触），因此通常应用四线法进行电阻测量的过程中，仍常以典型直流恒流源激励，电压测量的方式间接获得接触电阻值。固然数字微欧计已成为一种精密测量低电阻的数字式测量仪器，但能同时满足夹持各种尺寸规格电触头、无级调整接触压力和触点电流、精确测试触点间接触电阻，进而研究接触压力与接触电阻对应关系的专用测量仪器则未见报道。本文首先设计了一种新型的电触点材料接触电阻实验系统，并应用0.01级标准电阻和 M22级标准砝码对测量系统和方法的有效性和正确性进行评价，确保了系统的精度与准度。最后实测了一批银氧化镉铆钉式触点材料不同激励电流条件下接触压力与接触电阻的对应关系，并详细分析了影响接触电阻测试结果的相关因素。

2 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0～450Ω。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。

图1 接触电阻实验系统原理框图Fig.1 Schematic diagram of contact resistance experimental system

2.1 接触电压信号的调理

首先分析前两种误差因素，此时接触电压Uc可表示为

式中 I——激励电流；

通常洁净触点接触对的Rc在毫欧数量级，若激励电流I为毫安数量级，那么接触电压为微伏级信号。此时Ur和Uh将严重影响Uc，必须尽可能予以消除。考虑到 Ur和 Uh短时间内基本稳定且与激励电流无关，故可周期性地接通和切断激励电流 I，即对激励电流进行断续斩波即可消除 Ur和 Uh的影响。

当激励电流I断开时，式（1）可改写为

式（1）与式（2）相减后，得

当断续斩波的频率远高于 Ur和 Uh的变化速率时，就可以基本消除二者的影响。

如前述，Uc和在经放大器调理的过程中，还受到失调电压 Us以及噪声 Uz的影响，从而得到放大后的接触电压和，二者可表示为

式中 A——放大倍数。

由于运放 Us的幅度通常与 Uc和相当，而Uz中位于 0.1～10Hz频带内的 1/f噪声也是测量随机误差的主要来源，因此二者也必须予以最大程度的抑制。为此，调理电路中设计了由直-交调制器、变增益运放8253、同步解调与滤波器和1kHz方波源组成的低噪低漂移放大器。由于放大器内部采用交流耦合，因此Us作为直流和极低频成分被滤除，而1kHz调制频率能使放大器远离0.1～10Hz频带，从而消除1/f噪声的影响。此外，因调制频率是50Hz的整数倍，故工频交流对放大器的影响也可被消除。放大器末端 RC滤波器（截至频率为 10Hz）还能进一步滤除和中尚存的微弱白噪声。

在上述措施的基础上，最后在单片机程序中，Rc得到了精确恢复，从而实现了低噪低漂移调理的全过程

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经反复实验，本文所述系统中的电流斩波周期设定为1 000ms（电流开通和切断时间均为500ms）。

当接触电压高于1mV时，优先使用AD7193内部放大器（增益为1～128倍，软件调节）；当接触电压低于1mV时，设置AD8253的增益进行辅助放大（可在1倍、10倍、100倍和1 000倍间选择切换）。

2.2 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。宽度为N的滑动窗口平均滤波器幅频响应函数为

当N=20、采样频率为20Hz时（各测量通道设置相同），滤波器幅频响应如图2所示，接触电阻测量值的稳定周期约为4s（在每个电流斩波周期内，放大器末端RC滤波器达到稳态后，和各采集5次）；力通道不存在斩波，数据稳定周期约为2s。

图2 测量系统中数字滤波器的幅频响应Fig.2 Amplitude frequency response of digital filter in measurement system

如图2所示，数字滤波器截至频率为0.22Hz，已能够滤除绝大部分残余噪声能量，使接触电阻的读数稳定性大为提高。

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 1mΩ、10mΩ 和 100mΩ 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 100mΩ 量程内测量偏差小于 2%，分辨率小于0.01mΩ。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。

表 测量结果统计Tab.Measurement results

3 实验结果分析

3.1 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3μm）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。

3.2 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。

图3 AgCdO12触点材料静接触特性曲线Fig.3 Static contact characteristics of AgCdO12

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。

4 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0～450Ω，分辨率小于 0.01mΩ，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。

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