連接器接觸瞬斷監(jiān)測(cè)技術(shù)與方法

鄧銳，魏武

（工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣東　廣州　510610）

連接器接觸瞬斷監(jiān)測(cè)技術(shù)與方法

鄧銳，魏武

（工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣東廣州510610）

在對(duì)低頻連接器進(jìn)行振動(dòng)沖擊試驗(yàn)時(shí)必須監(jiān)測(cè)連接器是否會(huì)出現(xiàn)接觸瞬斷，但是現(xiàn)有的儀器和技術(shù)只能監(jiān)測(cè)到持續(xù)時(shí)間大于1 μs的接觸瞬斷。通過(guò)采用電阻分壓技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)高速瞬斷電阻的測(cè)量，采用脈沖計(jì)數(shù)-時(shí)間轉(zhuǎn)換測(cè)量技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)瞬斷脈沖時(shí)間寬度的測(cè)量，從技術(shù)上實(shí)現(xiàn)了高精度的瞬斷測(cè)量；并以此為基礎(chǔ)制備了瞬斷監(jiān)控樣機(jī)，實(shí)現(xiàn)了瞬斷時(shí)間精度達(dá)到0.1 μs的瞬斷測(cè)量。

連接器；瞬斷；電阻分壓技術(shù)；脈沖計(jì)數(shù)-時(shí)間轉(zhuǎn)換測(cè)量技術(shù)

0　引言

在武器裝備的各類整機(jī)系統(tǒng)中，軍用連接器在器件與器件、組件與組件、系統(tǒng)與系統(tǒng)之間起著電氣連接和信號(hào)傳遞的作用，是構(gòu)成一個(gè)完整的系統(tǒng)所必需的基礎(chǔ)元件。軍用低頻連接器的可靠性首先取決于其內(nèi)部接插件的可靠性，由于接插件的瞬間斷路等故障會(huì)引起一系列的事故，尤其在航空、航天系統(tǒng)和軍用設(shè)備中，在靜態(tài)、振動(dòng)、沖擊和發(fā)射等動(dòng)態(tài)條件下，接插件的接觸耦能否良好地接觸，電纜各個(gè)接頭、焊點(diǎn)連接是否可靠，對(duì)于電子設(shè)備的可靠性都有著重要的影響。因此，在運(yùn)載條件下對(duì)電連接器接插件的工作性能進(jìn)行測(cè)試，判斷其是否發(fā)生瞬斷現(xiàn)象有著十分重要的意義。當(dāng)前，現(xiàn)代連接器瞬斷測(cè)試設(shè)備的發(fā)展趨勢(shì)是成本低、功能多和精度高。

1　瞬斷監(jiān)測(cè)儀的監(jiān)測(cè)特點(diǎn)及技術(shù)指標(biāo)

瞬斷監(jiān)測(cè)儀是用來(lái)監(jiān)測(cè)低頻連器件在振動(dòng)、沖擊等動(dòng)態(tài)使用環(huán)境下是否會(huì)發(fā)生瞬間斷電現(xiàn)象的設(shè)備，它所檢驗(yàn)的是低頻連接器在振動(dòng)、沖擊試驗(yàn)環(huán)境下的電接觸可靠性，并能顯示最早發(fā)生瞬斷的位置和時(shí)間。低頻連接器在振動(dòng)和沖擊試驗(yàn)的過(guò)程中，其連接狀態(tài)會(huì)發(fā)生變化，如圖1所示。

圖1　電連接器受到振動(dòng)沖擊時(shí)的瞬斷示意圖

瞬斷監(jiān)測(cè)儀通過(guò)監(jiān)測(cè)電路變化過(guò)程中相關(guān)量（電阻值）的變化，同時(shí)記錄時(shí)間，便可以完成對(duì)瞬斷時(shí)間的測(cè)試。

目前常用的瞬斷監(jiān)測(cè)儀技術(shù)較成熟，使用穩(wěn)定，但其所測(cè)得的瞬斷時(shí)間只能精確到1 μs，無(wú)法滿足現(xiàn)階段部分連接器的檢測(cè)需要及檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)的新要求，也無(wú)法適應(yīng)低頻連接器對(duì)瞬斷時(shí)間的要求變得更加嚴(yán)格了的新變化。為了滿足這個(gè)在低頻連接器振動(dòng)沖擊下的瞬斷監(jiān)測(cè)新要求，本文設(shè)計(jì)、研發(fā)了一套新的瞬斷監(jiān)測(cè)儀。其作用是監(jiān)測(cè)低頻連接器及其組件在動(dòng)態(tài)的振動(dòng)和沖擊試驗(yàn)中的耐振性能，要求為低頻連接器的瞬斷時(shí)間不能超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的值。瞬斷監(jiān)測(cè)儀通過(guò)發(fā)光和發(fā)聲兩種方式來(lái)報(bào)警，能夠在第一時(shí)間內(nèi)檢測(cè)出發(fā)生瞬斷的位置和時(shí)間，瞬斷檢測(cè)的最小分辨率為0.01 μs，精度達(dá)到0.1 μs，并且能夠?qū)崟r(shí)地測(cè)量低頻連接器的連接回路的接觸電阻值。本文研發(fā)的瞬斷監(jiān)測(cè)儀的主要技術(shù)參數(shù)有測(cè)試電流、瞬斷電阻的判定值與測(cè)量值、瞬斷最小感知時(shí)間 （分辨率）、瞬斷的監(jiān)測(cè)時(shí)間和可設(shè)定的瞬斷時(shí)間判定值等。

本文研究的主要目的是為了提高瞬斷監(jiān)測(cè)儀的檢測(cè)精度，所設(shè)計(jì)的瞬斷監(jiān)測(cè)儀的主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1　主要技術(shù)指標(biāo)

由于本文研究的瞬斷監(jiān)測(cè)儀的測(cè)量精確度需要達(dá)到0.1 μs，因此，要求瞬斷時(shí)間的測(cè)試分辨率要達(dá)到0.01 μs。

2　高精度接觸電阻及瞬斷時(shí)間的測(cè)量方法

2.1電阻分壓法測(cè)量電阻

采用電阻分壓法能夠?qū)崿F(xiàn)高速瞬斷電阻的測(cè)量，其測(cè)量原理如圖2所示。

圖2　電阻分壓法實(shí)現(xiàn)的電阻測(cè)量原理

電阻分壓法的原理是在由兩個(gè)電阻組成的串聯(lián)電路中，流經(jīng)兩個(gè)電阻的電流相等，兩個(gè)電阻兩端的電壓之和等于電路的總電壓。在圖2中，即有Vref=IR1+IR2，已知Vref、R2的值為固定值，連接器的接觸電阻R1為被測(cè)值，在連接器回路中，由于流經(jīng)R2、R1的電流I相同，因此可通過(guò)以下公式推算出連接器接觸電阻R1的值。

由公式 （3）可知，通過(guò)測(cè)量R1兩端的電壓值V0即可計(jì)算出I值，然后通過(guò)公式 （4）即可計(jì)算出連接器接觸電子R1的電阻值。電阻分壓法的基準(zhǔn)電壓源精度高、無(wú)調(diào)節(jié)器件、穩(wěn)定且容易制造，從原理上講，測(cè)量電壓輸出的大小只與被測(cè)電阻阻值的大小有關(guān)，瞬斷電壓上升率與瞬斷電阻值的變化率有關(guān)，因此，輸出電壓變化速度快，符合本文對(duì)瞬態(tài)電阻實(shí)現(xiàn)快速測(cè)量的要求。

但是，在電路設(shè)計(jì)與安裝的過(guò)程中，PCB板、連線接口和運(yùn)算放大器正反輸入端等都存在電容分量，這些電容會(huì)與分壓電阻串聯(lián)而組成RC充電回路；電容C的存在，影響了瞬斷電壓的上升率，這對(duì)高速測(cè)量瞬態(tài)電阻的影響是致命的。RC充電回路的原理圖如圖3所示，電容對(duì)瞬斷電壓上升的影響原理圖如圖4所示。

圖3　RC充電回路原理圖

圖4　電容對(duì)瞬斷電壓上升的影響原理圖

在進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)的過(guò)程中，當(dāng)一個(gè)短時(shí)瞬斷電阻的變化超過(guò)了瞬斷報(bào)警的閾值時(shí)，如果此時(shí)電容比較大，那么充電時(shí)間通常也會(huì)變得比較大，從而也會(huì)導(dǎo)致瞬斷電壓上升緩慢，瞬斷輸出電壓沒有達(dá)到電壓報(bào)警閾值，短時(shí)瞬斷脈沖無(wú)法檢出，最終導(dǎo)致小的瞬態(tài)脈沖無(wú)法測(cè)量。因此，在電路PCB布板設(shè)計(jì)、運(yùn)算放大器芯片的選擇和接線組裝工藝等環(huán)節(jié)都要精益求精，確保輸入電容分量符合要求。

2.2脈沖計(jì)數(shù)-時(shí)間轉(zhuǎn)換法測(cè)量技術(shù)

本文采用脈沖計(jì)數(shù)-時(shí)間轉(zhuǎn)換法測(cè)量技術(shù)實(shí)現(xiàn)瞬斷脈沖時(shí)間寬度的測(cè)量，在被測(cè)脈沖的上升沿開始，使用一個(gè)恒定頻率的時(shí)間信號(hào)源進(jìn)行計(jì)數(shù)，在被測(cè)脈沖的下降沿關(guān)閉計(jì)數(shù)，則用被測(cè)脈沖從上升到下降產(chǎn)生的計(jì)數(shù)值乘以時(shí)間信號(hào)源的周期就可以得到瞬斷脈沖的時(shí)間。

本文中，采用有源晶體振蕩器作為恒定振動(dòng)時(shí)間信號(hào)源，該信號(hào)源用來(lái)作為計(jì)數(shù)器產(chǎn)生計(jì)數(shù)的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)，信號(hào)源必須準(zhǔn)確、穩(wěn)定，且時(shí)鐘源至少要小于最小測(cè)試時(shí)間精度的2倍才能確保測(cè)量的準(zhǔn)確性，其電路工作原理如圖5所示。

圖5　瞬態(tài)脈沖時(shí)間測(cè)量電路原理圖

3　瞬斷儀的硬件及軟件設(shè)計(jì)

本文研發(fā)的瞬斷監(jiān)測(cè)儀總體硬件電路框圖如圖6所示。

系統(tǒng)框圖中各個(gè)主要模塊的功能簡(jiǎn)述如下。

a）瞬斷測(cè)量模組單元

瞬斷測(cè)量模組單元采用模塊化的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，具有獨(dú)立完成設(shè)計(jì)要求的、對(duì)接觸電阻的測(cè)量和瞬斷電阻閾值條件的判斷，以及瞬斷時(shí)間的測(cè)量計(jì)算等功能；并且能夠通過(guò)通訊和上一級(jí)控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。本項(xiàng)目采用10個(gè)模組單元，可以測(cè)量10個(gè)通道的連接器。由于采用模塊化的結(jié)構(gòu)，該單元可根據(jù)用戶的需求進(jìn)行擴(kuò)展。

b）主控制單元

主控制單元是系統(tǒng)控制的核心，實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)測(cè)量模塊數(shù)據(jù)的采集、運(yùn)算、參數(shù)設(shè)定、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和異常狀態(tài)報(bào)警等功能，主控制單元的RS 232接口還可以和計(jì)算機(jī)進(jìn)行連接，計(jì)算機(jī)通過(guò)通訊命令可以直接對(duì)主控制單元進(jìn)行相應(yīng)的操作。

c）輔助電路單元

輔助電路單元包括電源單元、顯示單元、按鍵輸入單元、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元和通訊單元等。

主控制軟件的主要功能是完成按鍵掃描、顯示界面的數(shù)據(jù)刷新、與各測(cè)量模組的通訊、對(duì)各模組測(cè)量數(shù)據(jù)讀取、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)記錄和參數(shù)設(shè)置等操作，用戶通過(guò)對(duì)按鍵進(jìn)行操作可實(shí)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)的查詢、條件參數(shù)的設(shè)置、設(shè)備的啟動(dòng)和停止測(cè)量等操作，主控制器的RS 232接口還可以方便地與計(jì)算機(jī)進(jìn)行連接，通過(guò)計(jì)算機(jī)的上位機(jī)軟件進(jìn)行操作和數(shù)據(jù)讀取，或者通過(guò)USB接口下載測(cè)試數(shù)據(jù)，使用靈活方便。

系統(tǒng)總體軟件流程圖如圖7所示。

圖6　系統(tǒng)總體硬件框圖

圖7　系統(tǒng)總體軟件流程圖

4　試驗(yàn)驗(yàn)證

本文選用不同研制單位的5對(duì)低頻連接器進(jìn)行振動(dòng)沖擊試驗(yàn)，樣品編號(hào)為1#、2#、3#、4#、5#，此類連接器所設(shè)計(jì)的瞬斷要求為不能出現(xiàn)低于1 μs的時(shí)間，使用本文研發(fā)的瞬斷監(jiān)測(cè)儀對(duì)樣品進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2　試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果

5　結(jié)束語(yǔ)

本文研制的瞬斷監(jiān)測(cè)儀能夠監(jiān)測(cè)到低頻連接器在振動(dòng)沖擊試驗(yàn)過(guò)程中精度達(dá)到0.1 μs的瞬斷，能夠滿足現(xiàn)有及未來(lái)低頻連接器在振動(dòng)沖擊試驗(yàn)過(guò)程中瞬斷監(jiān)測(cè)的需要，具有一定的工程實(shí)用價(jià)值和推廣價(jià)值。

［1］張菊花，孔憲寶.低頻連接器失效模式分析 ［J］.機(jī)電元件，1998（1）:38-45.

［2］吳世湘.軍事航天連接器發(fā)展態(tài)勢(shì)研究 ［J］.電子產(chǎn)業(yè)世界，2008（2）:58-63.

［3］張占峰.我軍軍用連接器技術(shù)發(fā)展研究 ［C］//2004年中國(guó)電子學(xué)會(huì)第11屆年會(huì)，2004:90-96.

［4］程剛，李會(huì)方.瞬斷瞬通測(cè)試技術(shù) ［J］.電子測(cè)量技術(shù)，2006，29（6）:54-56.

［5］黃正.美國(guó)軍用射頻連接器的發(fā)展 ［J］.中國(guó)電子科學(xué)研究院學(xué)報(bào)，2007，2（2）:197-205.

The Detection Technique and Method of the Contact Transient Breaking of Connector

DENG Rui，WEI Wu
（CEPREI，Guangzhou 510610，China）

During the vibration impact test of low frequency connector，it is necessary to detect whether the connector will appear the problem of contact transient breaking or not，however，the existing instruments and techniques can only detect the contact transient breaking whose duration is more than 1 μs.The high-speed transient breaking resistance is measured by using the resistor divider technology，and the time width of the transient breaking pulse is measured by using the pulse counting-time conversion measurement technology，so that the high-precision transient breaking measurement is realized from technology.And based on this，the transient breaking monitoring prototype is made，and the transient breaking measurement with the time accuracy of 1 μs is realized.

connector；transient breaking；resistor divider technology；pulse-counting-time conversion measurement technology

TM 503+.5；TM 935.15

A

1672-5468（2016）05-0042-05

10.3969/j.issn.1672-5468.2016.05.009

2016-01-29

2016-08-24

鄧銳 （1986-），男，江西贛州人，工業(yè)和信息化部電子第五研究所元器件檢測(cè)中心助理工程師，從事元器件可靠性檢測(cè)研究工作。