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技术支持
新型瞬斷儀測試要領 (HC-560/450)

摘要 瞬间断电是互连电路常见的一种失效模式。其产生原因是动态接触电阻的瞬间变化导致传输信号或能量的瞬间中断。它是影响电连接器接触可靠性的技术关键环节。本文在详细阐述动态接触电阻和瞬间断电等物理意义和影响因素的基础上,重点介绍了用于监测瞬间断电失效现象的瞬断检测仪的原理、特点和应用。并研讨该类仪器在实际使用中遇到的一些问题。

 

1 动态接触电阻和瞬间断电

1。1 动态接触电阻

  电连接器的接触件接触形式有点接触、线接触和面接触三种形式。不论何种接触形式都将在接触部位产生电阻。在所有影响接触电阻的因素中,接触压力是影响接触电阻大小的主要因素。当接触压力保持不变或其变化几乎可以忽视时,所对应的是静态接触电阻。由于运动是绝对的,在实际振动、冲击、碰撞等动态应用环境将影响接触部位的接触压力,接触电阻必将随接触压力数值、方向及时间的变化而变化,此时的接触电阻称为动态接触电阻。由于这种变化是受外界动态环境影响而在极短的时间内发生的,电连接器接触件的接触电阻有可能受到挤压而减小,也可能受到牵引而导致增大。甚至致使连接中断而造成严重后果。

  产品可靠性定义为在规定的条件和规定的时间内,产品完成规定功能的概率。电连接器要可靠工作,必须保证插合的阴、阳接触件之间接触可靠,无断开现象。并保证变化的接触电阻不超过规定值。然后在实际使用过程中,无论何种类型电连接器,都或多或少存在着接触不良和动态接触电阻超过规定值的现象。过去一些老的技术条件中笼统地用无电接触不良现象来定义,无法定量地评定电连接器电接触的可靠性。现在许多技术条件对电接触可靠性的评定,比过去有所进步。许多国军标电连接器技术标准中将瞬间断电是否大于 1 微秒,作为电接触瞬断的判断依据。个别标准还规定了在此过程中,接触电阻的增值不能大于某一量值。通过这样量化,使得这一短暂存在的现象更加具体,具有更强的可操作性。

  如何检测在动态应力环境条件下发生的瞬间断电现象?通常是在产品进行振动、冲击、碰撞等动态应力环境模拟试验时,对被检电连接器及其组件(线束)在规定的时间、规定的方向,施加规定的频率和加速度,配套应用瞬断检测仪作为监测仪器检查有否超过规定的瞬间断电现象。例如在 GJB681 “射频同轴连接器总规范中规定;当接有电缆的连接器在进行高频振动试验时,应采用一个在 100mA 电流下能够检测出 1 μ S 和优于 1 μ S ,或者所规定的中断时间间隔的检测器来监测电气的连续性。

1.2 影响动态接触电阻的主要因素

  造成电连接器动态接触电阻变化的原因很多,首先要排除人为因素的影响;例如操作人员在采用焊接、压接等端接工艺时造成虚焊或虚压,装配时不规范操作引起的不可靠连接,特别是射频连接器的连接用力过重或过轻,甚至极小的一点偏心或空气间隙,都会使传输信号发生极大的衰减或反射,导致信号失真。故使用操作人员的责任心尤为重要,应尽可能使用定力矩板手进行连接。

  此外,还应消除外在因素的影响,主要是指安装夹具、试验和检测设备等影响。在进行振动、冲击、碰撞等动态应力环境试验时安装夹具在结构刚度的设计、材料选用、尺寸加工、安装调试时应尽可能防止谐振的产生。因为安装夹具的谐振对试验结果影响很大。

  众上所述,影响电连接器动态接触电阻变化的主要因素为插合状态的阴、阳接触件间的接触压力过小和谐振两方面。前者要求设计人员在进行电连接器产品设计时,应在保证其使用性能的前提下,适当增大接触压力。但过大的接触压力会出现接触电阻钝化现象,即使接触压力增加很多,接触电阻也不会明显减小;相反会造成接触件的磨损加剧,使用寿命缩短,并导致电连接器使用时总分离力过大,插合后分离非常困难等诸多问题。故设计增加接触压力务必适当。后者是由于电连接器及其接触件都有各自不同的谐振频率。这种谐振与电连接器所选用的材料、结构、尺寸、形状和重量等许多因素有关。实践证明;当电连接器谐振频率较低时,电接触瞬断失效现象大多发生在 80HZ 以下的低频段。而电连接器谐振频率较高时,电接触瞬断失效现象大多发生在 200HZ 以下的高频段。由于谐振(即共振)严重时会导致电连接器结构破坏,故在设计电连接器时应根据实际使用情况尽量避免或减小谐振现象的发生。

1.3 动态接触电阻的检测

  为准确检测动态应力环境下电接触的瞬断时间和接触电阻的变化,必须防止接触表面的氧化膜和绝缘薄膜被检测回路中的大电流或高电压击穿。故检测瞬间断电时间应在直流电流不超过 150mA 和测试电压不超过 10V 的条件下进行。检测接触电阻变化时,一般要求通过的直流电流不大于 50mA ,测试回路的电压不超过 20mV 。可采用数字贮存记忆示波器并配以计算机控制与分析进行监测。这样可以将动态应力条件下电连接器的接触电阻随时间变化的整个过程的波形显示和记录下来,通过与规定值比较,可准确判断该产品在任一时间和频率段内接触是否可靠合格。

  在动态应力环境试验时发现;电连接器非稳定时间达毫秒甚至微秒级的接触电阻瞬变或间断不但存在,而且可以检测。例如某厂在进行电连接器可靠性研究时,用电接触故障监测仪和数字贮存记忆示波器对 P 型连接器作振动试验(加速度为 15g 、振动频率为 70Hz )时,检测发现过 10 136 μ S 的瞬断。

  在动态应力环境条件下对电连接器的接触电阻变化进行监测发现;有各种不同的瞬间断电失效模式;

•  明显断路

  由于插孔松弛、弹簧片断裂造成接触件的接触压力骤降,通常在频率小于 70Hz 、加速度低于 6g 的低频段出现,这类失效具有明显、易发现,且一旦出现即为致命失效的特点。

•  时通时断

  产生原因除与明显断路相似外,还可能由于虚焊、虚压等引起,这类失效在整个频带内均有可能发生,特别是在振动应力环境条件下,当产品垂直安装时最为严重,一般在频率为 10 200Hz 、加速度为 15g 时最为明显。

•  接触电阻稳定增大

  表现为试验过程中接触件的接触电阻稳定增大,但其量值都未超过规定值,示波器显示的波形仍接近于基波,但不如原来光滑而稍带毛刺。发生此现象较普遍发生于不同频带。虽对连接器使用性能无明显影响,但仍应尽力消除。

•  接触电阻无规律增大

  这类失效无变化规律,示波器显示的波形杂乱无章,在某一频带下突然表现得特别严重。这类失效停留时间长,容易被检测出和排除。

•  接触电阻周期变化

  这类失效呈现一定变化规律,尤其在高频段内特别明显。如对小圆形电连接器在进行频率为 10 2000 、加速度为 10g 的正弦振动时发现;频率越高,接触电阻增大越多。电连接器串接的总电阻均值在 500Hz 时增大了 0.05 Ω,而在 20 00Hz 时增大了 0.18 Ω。即在高频段接触电阻周期性增大,表现为被检电连接器的接触电阻随正弦振动而产生周期性变化。

6) 接触电阻瞬间变化

  接触电阻瞬间变化大多发生在电连接器承受冲击、碰撞试验过程中,由于冲击、碰撞作用发生于某一瞬间,此时插合状态接触件之间的接触压力突然减小,会使接触件之间的接触电阻瞬间增大,且这种变化极有可能超过规定值,甚至造成极短的瞬断现象。

  在电连接器动态使用环境下会出现各种不同的电接触失效现象,无论出现何种失效现象,都属于不可靠连接。

2 新型瞬断检测仪的工作原理

以瞬断检测仪为例说明;

  该仪器可高速、精确地测定电连接回路中的瞬间断电现象。它采用了 IC(C-PLD) 半导体集成电路,仪器使用了以 20MHz 为基准的石英晶体作为恒定振动时间信号源 ( 振钟 ) 。该石英晶体每秒恒定振动 2 千万次,换算成每振动一次的时间为 0.05 μ S ,该时间信号源工作非常稳定,精确度达± 100ppm 。仪器通过 内部逻辑电路 信号处理,进行全部回路以 20MHz 为基准的时间运算,判断分辨出瞬断时间和时间显示、指示灯的闪烁时间等。发生瞬断时,用瞬断判定界限值启动 D-FF ,直到瞬断结束可计算出以 20MHz 为基准的时间有多少,并显示在 7 段显示屏上。

  目前许多电连接器军用标准振动、冲击、碰撞试验时,通常都规定不允许出现超过 1 μ S 的瞬间断电现象。若选用该型号仪器监测瞬断时间,若设定监测瞬断时间为 1 μ S 时, 内部逻辑电路 信号处理计数的恒定振动次数在 20 次内不报警,超过 20 次,即报警为瞬间断电失效。

  因为 以 20MHz 为基准的石英晶体每振动一次的时间为 0.05 μ S ,因此检测误差为 0。05 μ S 。该瞬断仪可检测的瞬断时间为 0.1 99。9 μ S ,瞬断时间超过 99.9 μ S ,显示值仍为 99.9 μ S 。在此量值范围上限或下限,其检测误差都为 0.05 μ S 。由于信号进入到输出要滞后 5 20nS ,故实际检测误差为 100nS ,即 0.1 μ S

  仪器输入部分使用了能限流的高速反应的晶体管,它起到输入缓冲器的作用,可过滤掉输入的不必要信号和噪声。图 1 为进入晶体管基极的输入信号和由晶体管集电极输出信号图形对比。经晶体管过滤的信号,再用 IC(C-PLD) 对信号进行瞬断时间测定。

 

3 新型瞬断检测仪HC-560/450的应用

  瞬断检测是在静态导通基础上对产品进一步的动态考核。瞬断检测时除选用符合产品技术标准规定要求的瞬断检测仪外,还必须同时配备能提供符合产品技术标准规定的频率和加速度的振动、冲击和碰撞等试验条件的设备。以考核连接器和线束中插合的接触件在动态应力情况下有否瞬间断电现象。一般认为;当插合的一对接触件两端电压降超过电源的 50 %时或接触电阻瞬间增大超过规定值,可判定为瞬间断电故障。故判定是否发生瞬断有两个条件,持续时间和电压降(或接触电阻增量),两者缺一不可。〔 3

  瞬断检测时可选用二种类型仪器;一类是瞬断检测灵敏度(最小感知时间)较高的专用于瞬断检测的仪器;

  瞬断检测时设定的技术参数有测试电压、测试电流、瞬断电阻判定值、瞬断最小感知时间、检测的瞬断时间、可设定的瞬断时间判定值等。其中测试电压、测试电流、瞬断电阻判定值(个别仪器除外)和瞬断最小感知时间是仪器内部已固定设置的。只有部分型号仪器可根据被检测对象的不同,由用户自行设定瞬断电阻判定值和瞬断时间判定值。

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