紅外熱成像技術在電連接器插拔磨損檢測中的應用研究

駱燕燕，潘曉松，馬 旋，武雄偉

（1.河北工業(yè)大學電氣設備可靠性和智能化國家重點實驗室，天津 300130；2.國家電網(wǎng)冀北電力有限公司張家口供電公司，河北張家口 075000；3.國家電網(wǎng)河北電力有限責任公司邯鄲新區(qū)供電分公司，河北邯鄲 056000）

電連接器是用于實現(xiàn)電氣和信號通斷的重要機電元件之一，被廣泛應用于航空航天、國防和電子通信等領域。據(jù)統(tǒng)計，目前70%的系統(tǒng)故障或失效是由電子元器件失效引起的，而其中的40%是由電連接器失效導致的[1]。電連接器壽命期內可能會經(jīng)受多次插拔，其插針與插孔之間會產(chǎn)生相對位移，從而引起接觸部位機械磨損，產(chǎn)生磨屑并堆積在磨損區(qū)域周邊。磨屑和因磨損而暴露的基底金屬會與大氣中的氧氣發(fā)生氧化反應，形成氧化物，使得電連接器的接觸電阻迅速上升，從而導致其可靠性降低[2]。由此可知，電連接器接觸件間產(chǎn)生磨屑與電連接器磨損程度和接觸性能退化之間存在內在關聯(lián)。

在關于電連接器微動磨損的研究中，許多學者探究了影響微動行為的關鍵因素，主要包括相對濕度、溫度、法向力、位移幅值、頻率、粗糙度以及鍍層厚度等[3-7]。因微動行為而產(chǎn)生的磨屑會導致電連接器電觸點的壽命縮短，從而加快其接觸性能的退化[8]。電連接器接觸件的性能退化程度可以通過阻抗測量來評估[9]。在微動磨損試驗中，學者們通常借助掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope，SEM）和能譜儀（energy dispersive spectrometer，EDS）等來觀察材料的表面形貌及物質組成，以探索電接觸失效機理及磨損機理[10-13]。隨著數(shù)值模擬技術的飛速發(fā)展，國內外學者開始對電連接器的微動磨損過程進行數(shù)值仿真分析，以得到該過程的變化規(guī)律[14-18]。

作為電氣設備狀態(tài)檢測與故障診斷的有效手段之一，紅外熱成像技術既可用于檢測不同類型設備外部的接觸性過熱故障，又可用于診斷設備內部的缺陷和絕緣故障[19]，但其尚未被應用于電連接器的插拔磨損及故障檢測中。基于此，筆者選取某型號的圓形電連接器作為研究對象，利用紅外熱成像技術來檢測插拔試驗后電連接器接觸件間磨屑的分布狀態(tài)及其變化過程。同時，對電連接器的接觸件進行了表面形貌分析和能譜分析，并探討紅外熱成像法的誤差來源，以驗證紅外熱成像技術的可行性。

1 插拔磨損檢測試驗

1.1 電連接器試樣

選擇25M-2A（25M系列-兩芯）型圓形電連接器為試樣，其插針和插孔的基體材料為鉛黃銅（HPb59-1），表面為鎳層鍍金；插孔為彈性元件，四開槽結構，插針為剛性元件，如圖1所示。

圖1 25M-2A型圓形電連接器實物圖Fig.1 Physical map of 25M-2A circular electrical connector

1.2 插拔磨損檢測裝置

電連接器插拔磨損檢測裝置的工作原理和實物圖如圖2所示。

圖2 電連接器插拔磨損檢測裝置的工作原理和實物圖Fig.2 Working principle and physical map of plug-in wear detection device for electrical connectors

電連接器插拔磨損檢測裝置主要包括插拔操作儀、負載電路（含電連接器和直流穩(wěn)壓穩(wěn)流電源）和紅外熱成像檢測單元（由紅外熱像儀和計算機組成）。其中，插拔操作儀用于電連接器試樣的插拔操作，其結構如圖3所示，由安裝基座、控制單元（位于儀器內部，圖中未標注）、驅動單元（包括步進電機和絲杠螺母）、機械傳動單元和夾持單元（包括插孔夾具和插針夾具）組成。插拔操作儀的工作原理為：控制單元向步進電機發(fā)送指令，驅動絲杠螺母運動，從而帶動電連接器的插孔和插針完成插拔操作。

圖3 電連接器插拔操作儀的結構組成Fig.3 Structure composition of electric connector plugin operator

本試驗選用WYK-3020-J型直流穩(wěn)壓穩(wěn)流電源，其主要技術參數(shù)如表1所示。

表1 直流穩(wěn)壓穩(wěn)流電源的主要技術參數(shù)Table 1 Main technical parameters of direct-current stabilized voltage and current power supply

紅外熱成像檢測單元用于獲取插拔試驗后電連接器試樣接觸件表面的溫度分布狀況。本試驗選用型號為MAG13的在線式紅外熱像儀，它是一款（80×60）像素的非制冷焦平面在線式紅外熱像儀，熱靈敏度為0.1℃，具備無熱化免調焦方式。

1.3 插拔試驗

由于電連接器試樣的絕緣體（電木）的導熱性能較差，在本試驗中將電連接器金屬殼體上以及插孔外的絕緣體去掉，露出完整的插孔簧片。為使待測接觸件表面的發(fā)射率均勻化，提高紅外熱成像檢測的準確性，在電連接器其余絕緣體以及祼露的插孔簧片外表面上噴覆一層黑色油漆并晾干，如圖4所示。

圖4 電連接器試樣的噴漆處理Fig.4 Painting treatment of electrical connector sample

電連接器插拔操作儀放置在無劇烈沖擊和振動的環(huán)境中，將電連接器試樣的插針與插孔對準并插合在一起，如圖5所示。在進行紅外熱成像檢測時，電連接器試樣附近無高溫熱源。

圖5 電連接器試樣安裝實物圖Fig.5 Physical map of electrical connector sample installation

根據(jù)《電連接器試驗方法》（GJB1217A—2009）[20]的規(guī)定，試驗環(huán)境條件設定如下：溫度為15～35℃；相對濕度為20%～80%；大氣壓力為73～106 kPa。分別對8個電連接器試樣進行1 000次插拔操作，插拔操作時不施加負載。設定完成1次插拔操作用時20 s，且每次插針插入插孔的深度不小于插孔簧片深度的70%。每間隔200次插拔操作，電連接器試樣通電1次，當其達到熱穩(wěn)態(tài)后，利用紅外熱像儀進行磨損檢測。插拔試驗后，利用SEM和EDS分析電連接器試樣接觸件間磨屑的分布特征和成分組成。

2 紅外熱成像檢測結果分析

2.1 插孔簧片的紅外熱像圖分析

圖6所示為插拔試驗前8號電連接器試樣（下文簡稱為8#試樣）1號插孔簧片的紅外熱像圖（插拔前所有試樣的均相同）。圖7所示為不同插拔次數(shù)下8#試樣1號插孔簧片的紅外熱像圖。所有紅外熱像圖中均設置了分段線性灰度拉伸（灰度值為0～255）和溫度范圍（29～30℃）。

圖6 插拔試驗前8#試樣插孔簧片的紅外熱像圖Fig.6 Infrared thermal image of jack reed of 8#sample before plug-in test

圖7 不同插拔次數(shù)下8#試樣插孔簧片的紅外熱像圖Fig.7 Infrared thermal image of jack reed of 8#sample under different plugging times

由圖7可以看出，隨著插拔次數(shù)的增加，8#試樣插孔簧片的溫度較高區(qū)域逐漸增大且其位置也在發(fā)生變化。由此說明，在插拔過程中，電連接器接觸件間產(chǎn)生的磨屑不僅數(shù)量增多，聚集區(qū)域面積增大，而且會隨著插拔運動遷移至插孔簧片的不同部位。其他試樣接觸件間的磨屑隨插拔次數(shù)增加的變化規(guī)律與8#試樣基本一致。

2.2 插孔簧片內表面磨屑分布及變化規(guī)律分析

根據(jù)電連接器插孔簧片紅外熱像圖中各點的溫度，分析其接觸件間磨屑的分布特征。插孔簧片的溫度提取路徑如圖8所示，其中，選取沿插孔簧片軸向的9條路徑Lai（i=1，2，…，9）和沿縱向的9條路徑Lrj（j=1，2，…，9）。

圖8 插孔簧片溫度提取路徑示意圖Fig.8 Schematic diagram of temperature extraction path of jack reed

圖9所示為8#試樣插拔200次時，其1號插孔簧片沿不同路徑的溫度—位置（與像素對應）關系曲線。

圖9 插拔200次時8#試樣插孔簧片的溫度—位置關系曲線Fig.9 Temperature-position relationship curve of 8#sample jack reed with plugging times of 200

以不同插拔次數(shù)下8#試樣1號插孔簧片紅外熱像圖中的高溫點（對應圖9中虛線以上的溫度）為界限，劃分磨屑的聚集區(qū)域。由此可得，插拔200后8#試樣1號插孔簧片內表面磨屑的分布狀況，如圖10所示。其中，用矩形框描述磨屑的分布狀況，矩形的位置和大小對應磨屑聚集區(qū)域的位置及其面積；實線矩形表示該區(qū)域內高溫點占比多，即磨屑密集，虛線矩形表示該區(qū)域高溫點占比少，即磨屑稀疏。

圖10 插拔200次時8#試樣插孔簧片內表面磨屑的分布狀況Fig.10 Distribution of wear debris on the inner surface of jack reed of 8#sample with plugging times of 200

按照上述方法，繪制不同插拔次數(shù)下部分試樣1號插孔簧片內表面磨屑的分布狀況，如圖11所示。

圖11 不同插拔次數(shù)下部分試樣插孔簧片內表面磨屑的分布狀況Fig.11 Distribution of wear debris on the inner surface of jack reed of some samples with different plugging times

由圖11可知：

2）隨著插拔次數(shù)的增加，插孔簧片內表面磨屑的聚集區(qū)域不斷擴大；插拔1 000次后，磨屑聚集區(qū)域已從端部逐漸延展至中部，根部僅有少量磨屑散落。

3）沿插孔簧片縱向，磨屑的分布無明顯特征，有的對稱分布，如圖11（b）所示；有的偏于插孔簧片的一側，如圖11（c）所示。可能與插孔簧片的加工誤差有一定關聯(lián)。

2.3 插孔簧片內表面磨損面積估算

利用從電連接器插孔簧片紅外熱像圖中提取的溫度數(shù)據(jù)，估算插孔簧片內表面端部磨損區(qū)域的面積，計算式為：

式中：Sb、Sm分別為插孔簧片內表面及其端部磨損區(qū)域的實際面積；S'b、S'm分別為紅外熱像圖中插孔簧片內表面及其端部磨損區(qū)域的面積。

8#試樣1號插孔簧片內表面的實際尺寸約為9 mm×2 mm，其在紅外熱像圖中的面積為270像素；插孔簧片內表面端部磨損區(qū)域在紅外熱像圖中的長為10像素、寬為2像素，面積約為20像素?；谑剑?），估算得到插拔1 000次時8#試樣1號插孔簧片內表面端部磨損區(qū)域的實際面積約為1.333 3 mm2。

根據(jù)上述方法，估算不同插拔次數(shù)下部分試樣1號插孔簧片內表面端部磨損區(qū)域的實際面積，結果如圖12所示。

圖12 不同插拔次數(shù)下部分試樣插孔簧片內表面端部磨損區(qū)域的實際面積Fig.12 Actual area of wear area at the end of inner surface of jack reed of some samples under different plugging times

由圖12可知，隨著插拔次數(shù)的增加，電連接器插孔簧片內表面端部磨損區(qū)域的面積逐漸增大；每經(jīng)過200次插拔，電連接器插孔簧片內表面端部磨損區(qū)域的面積約以50%的增大率增大。

研究一的主要目的是初步驗證假設H1，即同異步溝通對心流體驗的差異影響。本文選擇某網(wǎng)絡視頻網(wǎng)站中的網(wǎng)絡用戶作為樣本，共69名被試參與了實驗，其中男性39名，女性30名。

3 檢測結果驗證與討論

為了進一步驗證插拔試驗后電連接器接觸件間磨屑的分布特征，采用非接觸式三維形貌測量儀對插拔試驗前后電連接器插孔簧片的內表面進行觀測，并計算磨損區(qū)域的面積；對插拔試驗前后電連接器插孔簧片內表面進行能譜分析，從物理化學角度分析試驗后插孔簧片內表面磨屑的分布特征及成分組成。

3.1 磨損區(qū)域分析

插拔1 000次后，8#試樣4個插孔簧片內表面端部的三維形貌及磨損區(qū)域面積如表2所示（磨損區(qū)域用實線標出，其中1號和3號為相對的插孔簧片，2號和4號為相對的插孔簧片）。

表2 8#試樣插孔簧片內表面端部的三維形貌及磨損區(qū)域面積Table 2 Three-dimensional topography and wear area of inner surface end of jack reed of 8#sample

由表2可見，8#試樣4個插孔簧片內表面端部的磨損位置及磨損程度略有不同（相對的2個插孔簧片的磨損區(qū)域面積相差不大，差值約為0.100 0 mm2）。這是因為電連接器在加工過程中存在一定誤差，導致其插孔簧片不能達到相對孔心對稱分布的理想狀態(tài)，如圖13所示。

圖13 圓形電連接器插孔簧片的分布狀態(tài)Fig.13 Distribution state of jack reed of circular electrical connector

3.2 磨損程度分析

插拔試驗前后部分試樣1號插孔簧片內表面端部和中部的三維形貌分別如圖14和圖15所示。鑒于插拔試驗前所有試樣插孔簧片內表面的三維形貌均相同，圖14僅給出8#試樣。

圖14 插拔試驗前8#試樣插孔簧片內表面的三維形貌（800×）Fig.14 Three-dimensional topography of inner surface of jack reed of 8#sample before plug-in test(800×）

圖15可以見，電連接器插孔簧片內表面的磨損主要為粘著磨損和犁溝磨損，磨屑幾乎粘著在接觸簧片內表面上；端部的磨屑聚集區(qū)域較大，而中部零星分布著磨屑塊，說明端部的磨損比中部嚴重，這與紅外熱成像檢測結果一致。

圖15 插拔試驗后部分試樣插孔簧片內表面的三維形貌（800×）Fig.15 Three-dimensional topography of inner surface of jack reed of some samples after plug-in test(800×）

插拔試驗前后部分試樣1號插孔簧片內表面端部的能譜如圖16和圖17所示。鑒于插拔試驗前所有試樣插孔簧片內表面端部的能譜均相同，圖16僅給出8#試樣。

圖16 插拔試驗前8#試樣插孔簧片內表面端部的能譜Fig.16 Energy spectrum of inner surface end of jack reed of 8#sample before plug-in test

圖17 插拔試驗后部分試樣插孔簧片內表面端部的能譜Fig.17 Energy spectrum of inner surface end of jack reed of some samples after plug-in test

插拔試驗前后，部分試樣1號插孔簧片內表面端部主要成分的含量如表3所示。

表3 插拔試驗前后部分試樣插孔簧片內表面端部主要成分的含量對比Table 3 Content comparison of main components of inner surface end of jack reed of some samples before and after plug-in test %

由圖16、圖17和表3可知，插拔試驗前電連接器插孔簧片內表面端部的Ni元素的X射線計數(shù)峰值最高，其質量分數(shù)和原子百分比最高。由此推斷，插拔試驗前電連接器插孔簧片內表面的鍍層很完整，未被破壞。插拔試驗后，電連接器插孔簧片內表面端部的Cu元素的X射線計數(shù)峰值最高，其質量分數(shù)和原子百分比也最高；C和O元素的質量分數(shù)和原子百分比有所增大，而Au和Ni元素的質量分數(shù)和原子百分比則降低很多。由此推斷，經(jīng)過多處插拔操作后，較薄的鎳金鍍層受到了不同程度的磨損，露出了基底金屬，且在插孔簧片內表面端部出現(xiàn)了磨屑聚集。這與圖7所示的插孔簧片端部磨損較嚴重以及磨屑聚集的檢測結果基本一致。

3.3 磨損區(qū)域面積估算

基于紅外熱成像法和三維形貌法估算的所有試樣插孔簧片內表面磨損區(qū)域的面積（4個插孔簧片的磨損區(qū)域面積之和）如表4所示。

表4 基于不同方法估算的所有試樣插孔簧片內表面磨損區(qū)域面積對比Table 4 Comparison of wear area of inner surface end of jack reed of all samples estimated by different methods

由表4可知，基于紅外熱成像法估算得到的電連接器插孔簧片內表面磨損區(qū)域的面積比基于三維形貌法估算的稍大，平均約高出19.70%。這主要是因為：1）儀器的分辨率不同；2）估算時磨損區(qū)域的劃分方法不同，基于三維形貌法估算時劃分的更接近實際磨損區(qū)域的形狀；而基于紅外熱像法時采用矩形區(qū)域劃分法，對形狀不規(guī)則的磨損區(qū)域劃分時存在很大誤差；3）2種方法均存在一定誤差，在劃定磨損區(qū)域時無法完全覆蓋零散的、面積很小或深度很淺的磨損區(qū)域。但紅外熱成像法可在插拔過程中進行實時監(jiān)測，從而估算電連接器插孔簧片磨損面積的變化規(guī)律。因此，可以通過紅外熱像儀定性和定量地分析電連接器的磨損程度及其接觸件間磨屑的分布狀況。

4 結論

1）隨著插拔次數(shù)的增加，電連接器接觸件間磨屑逐漸增多，每經(jīng)過200次插拔，磨損區(qū)域面積約以50%的增大率增大；此外，磨屑聚集區(qū)域的位置也隨著插拔運動發(fā)生變化，隨機地分布在接觸件間。

2）電連接器插孔簧片的主要磨損區(qū)域為內表面端部，根部有少量的磨屑且相對分散，推測可能是磨屑遷移所致。

3）由于電連接器在加工過程中存在一定的誤差，使得其接觸件的磨損不對稱，這可能會造成電連接器接觸件局部磨損過度嚴重，從而過早失效。

4）紅外熱成像法能夠初步實現(xiàn)對電連接器接觸件間磨屑分布特征的檢測。利用紅外熱成像方法估算的磨損區(qū)域面積與利用三維形貌法估算的有一定的誤差，但紅外熱成像法可在插拔試驗過程中實時監(jiān)測磨損情況并估算其變化規(guī)律，可用于觀察接觸件插拔磨損的發(fā)展過程。

5）紅外熱成像檢測方法具有一定局限性，即無法直接檢測電連接器封閉空間內接觸件的磨損狀況，須對其進行一些特殊的處理。

6）在測試條件允許的情況下，紅外熱成像檢測方法還可用于分析航空航天、國防、電子通信和其他領域中其他類型電連接器的磨損程度及其接觸件間磨屑的分布特征。

紅外熱成像檢測方法可為電連接器性能退化機理和失效分析提供有效的觀察和研究手段；進一步改進檢測裝置有助于實現(xiàn)服役期間電連接器接觸件磨損程度的在線監(jiān)測以及剩余壽命的預測。