接触电阻测试方法

接触电阻测试方法 刘民 高级工程师 (航天科技集团公司五院514所 北京8722信箱100080) 文摘:本文总结了接触电阻的测试方法，讨论了产生测量不确定度的因素， 对四线法测量原理和消除热电势的方法进行了论述。 本文创造性地提出了接触电阻的间接测量法，并给出了间接测量法的计 算公式，该方法可以用于测试电气回路中的接触电阻，该方法还可以应用在 环路电阻器的计量校准中。 关健词:接触电阻，测试，环路电阻，四线法，机械装配 一、概述 接触电阻的测试，其应用领域相当广泛。在电气方面，线路的连接有各种各样的连接方法， 有焊接、压接、搭接、插接、螺栓紧固连接等等，如果希望了解线路的连接质量和其导电特性， 就需要进行接触电阻测试。接触电阻的测试，经常应用于开关、继电器和印刷电路焊盘的质量检 验当中。在机械装面，测量两个金属表面相互连接后的接触电阻，可以判断机械装配的牢固 性和可靠性。在电磁兼容方面，导电密封圈、弹性导电片和编织铜网带的导电特性，也可以通过 接触电阻来判断。接触电阻反映了接触表面的导电特性，接触的面积越大，表面杂质越少，导电 性好，则接触电阻越小。反之，接触的面积越小，表面杂质越多，导电性差，则接触电阻越大。 通过测量接触电阻可以定性地判断机械连接的牢固性和可靠性，定性地检查EMC屏蔽的导电性和 接地是否良好，是、工装、施工质量检查的手段之一。 测试目的不同，采用的测试方法也不一样。比如，测试大功率开关和继电器的接触电阻时， 应采用大电流进行测试川，使接触表面的氧化膜和尘埃受热融化，这样测得的接触电阻才能反映 在大电流下使用时的真实情况;测试小功率连接器的接触电阻时，如信号通道的接插件、继电器 和开关等，为防止接触表面受热烧结，要用小电流进行测试，这样才能反映在小电流下使用时的 实际情况川;测试机械装配质量时，还需要根据构件的连接方式不同，选择不同的测试线路，有 构成回路和不构成回路这两种情况，其测试方法完全不同。 本文在介绍常用的接触电阻测量方法之后，着重分析在构成回路的电气连接中如了苛测量接触 电阻。这种方法在复杂的机械装配中，为测量接触电阻提供了一种解决。 二、接触电阻的定义 接触电阻的定义是接触表面两边的电位差与通过接触表面的电流的比值，符合欧姆定律，如 图to 图1中，金属1与金属2有一个界面，电流源施加的电流通过该界面，用电流表测出通过界 面的电流11电压表测量界面两边的电压U.则界面的接触电阻无为: RX (1) 式中 V-一 由电压表读出的界面两边的电压，(V); I-一 由电流表读出的通过界面的电流，(A); 动 电流源 图1接触电阻R、的定义 (右图为等效电路) 三、消除热电势的影响 不同的金属相接触，会产生热电势，如果两边金属材料相同，就没有热电势的影响。有三种 方法可以消除热电势的影响: 1.交流阻抗测量法。 在图1中采用交流电流源、交流电压表和交流电流表进行测量，读取电压、电流的有效值， 代入公式 (1)中，计算结果虽然是交流阻抗，但是在频率较低的情况下，可近似为直流电阻。 因为热电势是直流电压，不会影响交流电压的测量，所以交流测量方法可以消除热电势的影响。 2.正反两次测量法。 使用直流测量仪器，应该使电流源正反两个方向各测量一次，计算两次测量结果的平均值， 可以消除热电势的影响。计算方法如公式 ((2)> Rx=UMUILiEd十U,&ar&k 21 (2) 3.零电流法。W 使用直流测量仪器，先将电流设置为零，记录电压表的读数Un，再将电流设置为1，记录电 压表读数U,，利用公式(3)计算接触电阻RX: R,.=U,一Ua (3) 直流脉冲式微欧计，就是利用这种方法。 四、测量不确定度来源 影响接触电阻测量结果的不确定因素有: 1.接触电阻的定义是不完善的。在铡量电压时，测量点如果不靠近界面，将会把金属的体 电阻包含在接触电阻的测量结果中，而真实地测得界面两边的电压，几乎是不可能的所以接触电 阻的测量结果只能是近似结果，但是如果金属的体电阻相比接触电阻很小时，则可以忽略不计 实际测量中，这种情况经常遇到。 2 接触表面的氧化膜和尘埃等杂质物，受温度的影响发生预料不到的变化，改变了其导电 特性，而环境温度和通过电流的大小使界面温度变化不定，所以接触电阻在不同的温度下有不同 的表现。 3.接触表面的应力随时间、温度、气压、湿度的改变而变化，使接触面积发生改变，进而 改变了接触电阻的数值。 4.测量仪器的不确定度影响了测量结果。 五、 四线法测量原理 接触电阻一般比较小，比如电源插销与插座的接触电阻一般小于lomf2。如何减小引线电阻 的影响和测试电极接触电阻的影响是小电阻的测量的特殊问。采用四线测量法能够有效地消除 引线电阻和接触电阻的影响。如图2，假设r, ,乃，n,八，分别代表电压表和电流回路的引线电 阻和接触电阻，因为: I) 电压表的输入阻抗很大，通过电压表的电流几乎为零，所以A, C点等电位，B, D点等 电位，电压表的读数能够反映A, B点之间的电位差U,而n, n不影响电压测量; 2)串联电路的各个点电流相等，A, B两点不产生分流，所以电流表的读数I正是通过被测 电阻Rx的电流，而乃，八不影响电流测量; 所以，U和I的比值，就是定义在A, B两点之间的电阻值。r?n, n, r,，和A, B两点之 外的引线均不影响测量结果.在计量标准器具中，中低值标准电阻无一例外地采用了四端钮结构， 就是利用了这个原理。 以上分析，可以归为两句口诀 “电压回路等电位，电流回路等电流” 电压测量端PL 电压测量端PH 电流测量端 右/电流测量端IH 图2 四线法消除引线和接触电阻的影响 在测量接触电阻时，必须采用四线法测量，还要注意电流测量端 IN, I:应跨在电压测量端 P?, P}之外。 测量小电阻的仪器有双电桥、三次平衡电桥，和数字式毫欧表、微欧计等等，它们都有两个 电流测量端钮I?, IL和两个电压测量端钮P?, Pl, 六、接触电阻的测试方法 1.不构成环路情况 (两点法) 不构成环路是两个金属指除了被测接触表面之外，没有其它点相接触的情况。测试接触电阻 的线路如图1。也可以用电阻测量仪直接读数，注意电压测试点要尽可能靠近接触表面。图3为 实际应用举例。 一 49 一 金属 1 被测接触点 金属z 金属 金属z V,\测试黔 Ix Px P} L 电阻测量仪 Ix Yx p} Ii 电阻测量仪 Ca) (b) Ix Px PL IL (d) 图3不构成环路情况下直接测量 2.构成环路情况 (三点法) 构成回路是指两个金属指除了被测接触表面之外，还有其它点相接触的情况。这种情况比较 复杂，需要间接测量，这里不能包容所有例子，从简单的例子说明间接测量方法，如图4。 . ie 9i . 被测接 触电阻 (a) (c) 图4 接触电阻的间接测量法 图4 (a), (b)表示金属体自身通过连接点构成回路，欲测量连接点的接触电阻，仅在1, 2 两点测量电阻值，不能得到正确结果。还需要增加测试点3，分别测量三次: a.将电阻表接在1, 2两点，记录读数为东 b 将电阻表接在2, 3两点，记录读数为B; c.将电阻表接在3, 1两点，记录读数为民 这样，等效电路可以用图4 (c)表示， 1, 2点之间的电阻R:是待测接触电阻:2, 3点之 间的电阻R?是金属体电阻;3, 1点之间的电阻R,也是金属体电阻。于是根据电阻的串并联关系 得到方程组 (4): R,z (R,,止Rz止_A R,z+(凡:+R?) ~R?(R,Z + R,止=B R?+(R,2+凡，) (4) 二1 (R23土凡上=C 凡I +(Rz,+风2) 解方程组 ((4)得到R,:即为测量结果，这就是接触电阻的间接测量方法。 法非常复杂，一般要用计算机编程经过多次迭代计算出来。 为了解方程组((4)，我们将图4 (c)的三角型电路模型进一步等效成图 模型，则有: 方程组 (4)的解 4(d)的星形电路 凡+凡=A R,+凡=B 凡+R, =C (5) 解方程组 (5)得到: (6) ? ? ?? ? 一A ? ? ? ? ? ? ? ?， ? ? ?? ? ??? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? ?? ? ?? ? ? ?? ? ? 再根据星— 三角电路变换公式(7)，将方程组 ((6)式代入方程组 (7)式，可以计算出 R?危，几，结果表达式见公式((8)。经过三次测量，得到三个测量结果A,B,C，再代入公式 (8)可以计算出接触电阻R12，但是如果A, B, C的数值差异太大，仪器分辨力引入的误差和计 算中的舍入误差将严重影响测量结果，甚至计算结果出现负值，可以采用附加短路电线的方法， 使Rz。和R,:与R,z，保持同一个数量级，减小A, B, C的数值差异。 =R, + RZ十 =Rz + R,+ =凡+ R,+ (7) ???????? 12 一 R23= A十生 2 B+生 2 (8) R?=C+合 A2一(B一C)2 一A+B+C B‘一(C一A) z A一B+C CZ一(A一B)3 A+B一C 选择测试点1, 2时，应当尽量靠近被测接触表面，测试点3可以任意选取。测试时电流电 极与电压电极只能与测试点独立连接，而不能在测试点之外相互连接，最好保持较小的间隙，如 图50 电流电极电流电极 图5电压电极不能与电流电极相互连接 七、总结 接触电阻的数值受接触表面的大小和杂质的影响较大，不同的电流和不同的温度，接触电阻 的数值是不同的，测试中要注意电流和温度的使用条件。测量结果符合统计规律，应该经过多次 测量，以平均值作为测量结果，或者以一个数值区间作为测量结果。 接触电阻的测试必须采用四线法，测试电极要根据具体应用进行设计，因为测试引线电阻和 电极触点的接触电阻不影响电阻测量，所以测试电极设计起来比较灵活。 选用微欧计、毫欧表和数字多用表直接测量时，要注意测试电流是否满足要求。 采用三点法可以解决电气回路中的接触电阻测试问题，这种方法己经应用在环路电阻标准器 的计量校准中，证明是正确的。但是三次测量读数差异太大，或者仪器分辨力较差可能计算出错 误结果。