高精度接触电阻测量系统

一．设计名称：高精度接触电阻测量系统

二．具体要求：

用于检测各种电器的接地电阻、接触电阻等，以确定良好接地或导通。

1.被测对象

用电器与蓄电池负极电阻值

接触器、开关的接触电阻值

2.测量范围

0.5mΩ—100mΩ

3.测量精度

10uΩ（0.01mΩ）

4.测量点数

20点

5.超限报警

三．具体设计

接触电阻是触点接触工作性能的最基本的参数, 接触电阻直接反映继电器触点接触的可靠性。在研究继电器可靠性过程中, 一般都要对触点接触电阻进行监测。因此触点接触电阻的测量是继电器可靠性研究中的重要一环, 接触电阻的测量有多种方法。工程中, 通常采用四端法(其测试条件为开路电压6V , 电流10mA ) 来测量实际触点的接触电阻, 对于大容量的触点,也有采用27V ×100mA 的方法来测量接触电阻。本设计采用矩形脉冲电流来测量接触电阻。

在正常情况下, 继电器触点的接触电阻Rj约在10m8 左右, 触点流过10mA 电流时, 触点两端的电压降Uj为100LV , 由于此电压降数值较小, 对测量接触压降U j 的仪表要求具有较高的灵敏度, 但是灵敏度提高信杂比变小, 要想获得较高的测量精度颇为困难。为了提高测量精度, 同时为了根据接触电阻来研究触点接触可靠性, 可以设法提高通过触点的电流的数值。一般认为测量电流提高, 接触电阻也升高, 触点上的电流电压呈现非线性关系。当通电电流增加时, 触点间的电压降也随之增大, 由接触电阻而产生的焦耳热使触点温度升高, 而接触电阻与温度间关系可表示为:

如果大电流通过触点, 但通电时间很短(如小于300Ls) , 接触电阻产生的焦耳热使触点温度升高不多, 则由(1) 式可知, 接触电阻值变化不大。另一方面, 由于温度上升不多, 虽然接触压降可能超过触点材料的软化压降或熔化压降, 但触点接触面也不会发生软化或熔化。同时, 由于电流值较大, 在触点上的接触压降较高, 使得测量精度提高, 减少了信杂

比的影响。这就是脉冲电流测量接触电阻的基本原理。

设计采用计算机控制,其主要预计技术性能如下:

(1) 脉冲电流为矩形波, 幅值在1A～ 100A之间可调, 调节最小值为1A 的整数倍;

(2) 脉冲电流的脉冲宽度不大于300us;

(3) 脉冲电流源最大输出电压为28V;

(4) 全部控制命令由键盘输入,具有人机对话功能;

(5) 可对触点连续测量, 测量电流幅值可以恒定, 也可以递增或递减, 增量可由程序设定;

(6) 可测量的接触电阻最小值为0.01u ohm ;

(7) 具有保存测量数据的功能;

该设计硬件包括三大部分: 第一部分是计算机控制系统; 第二部分是测量控制系统; 第三部分是电源系统。计算机控制系统通过通讯控制接口与测量系统相连。计算机系统主要包括计算机及显示器、打印机、键盘等外设, 是标准的微机控制系统。测量系统包括电流脉冲宽度设定电路、电流幅值设定电路、逻辑控制电路、A\D 数据接口电路等, 电源系统包括电流源和A\D 转换电路。其原理框图见图1。

电流脉冲宽度设定电路控制电流源开启,并控制电流源发出恒定脉冲电流的长短, 进而控制脉冲电流的脉冲宽度, 它是脉冲电流测量接触电阻装置中的一个较关键电路。电流源可以工作在较大的电流下(最大可达100A ) , 而电流源中的功率器件受发热影响, 流过的电流时间不能太长, 因此电流源开启时间必须严格控制, 以防超过允许时间使电流源损坏; 另一方面对于被测量的触点来说, 长时间通过大电流, 也容易破坏触头表面状态, 电流源开启时间也需要严格控制。在脉冲电源设计过程中, 脉冲宽度的控制采取了特殊控制电路来限

制脉冲宽度,增强了装置的可靠性。如果脉冲源的控制仅用软件来完成定时, 定时时间容易受到干扰, 出现误差, 有时可能引起故障。特别是当人为操作不慎或出现“死机”时, 可能造成测试装置的损坏。这里采用了软件硬件相结合的脉冲宽度控制电路, 如图2 所示。

脉冲宽度控制字由软件写入寄存器后, 便由硬件来完成计时和启闭电流源, 进行触点接触电阻的测量。如果在操作过程中计算机复位,则立即关闭电流源, 如果出现“死机”现象则计时电路也将在计时时间到时关闭电流源, 保证了测量脉冲电流的宽度。另外在计时电路设计上也限制脉冲宽度。如果软件设置的电流源开启时间过长, 本电路也会自动调整使脉冲宽度不超过某一最大值。

整个装置的工作过程如下:

首先, 通过计算机的键盘把测量脉冲电流所需要的运行参数输入到计算机, 然后计算机根据这些参数在接到测量的命令后立即设定电流的幅值大小、脉冲电流的脉冲宽度等控制字,然后启动电流源, 输出脉冲电流经过一个短暂的延时, 启动A\D 转换, 将被测的触点压降转换成数字量, 脉冲电流时间到时, 关闭电流源。此时再通过A\D转换的数据接口把A\D 转换的结果读到计算机内存, 同时读入了此次测量量程和是否发生溢出(即触点上的电压降超过A\D转换的量程) 等信息, 至此就完成了一次测量。每次测量就重复上述过程。对于读入到计算机内存的数据, 还需要由软件完成数据的转换、存储和排序等工作。

测量系统的软件是用来控制脉冲电流源的工作, 完成各种测量与数据处理工作, 该软件包括测量服务程序和数据处理程序。测量系统的软件主程序框图如图3 所示。

初始化程序是在开机后初始化计算机的通信控制口, 将全部测量系统置于计算机的控制下, 并将受控电流源及其他逻辑硬件初始化。

测量服务程序是用来驱动受控电流源、A\D 转换及有关的逻辑控制, 完成测量的全过程。并将采集到的数据存到计算机内存。

数据处理程序: 把测量程序采集到的数据进行数理统计和图形绘制输出。通常被处理的数据可达数百个到几十万个。这样数据的存放是按一定的规律存放的, 有专门的分类排表处理程序将其排序、分组, 然后运用数理统计的方法可以计算出其数学特征。某些参数(如触点的接触电阻分布等) 可以在屏幕上显示或打印输出。数据处理程序所采用的原理大部分是典型的数学方法, 这一部分可以只在计算机内存的磁盘之间完成运行, 而与测量系统的其它逻辑控制电路无关。

结果输出程序是用于输出测量结果或数据处理结果的, 对于测量程序测量到的结果除了保存在内存或磁盘上外, 还可以直接以原始数据的方式在屏幕或打印机上输出, 以迅速了解本次测量的情况。对于数据处理程序处理后的数据结果可以用图表及特征方式输出(最大值、最小值、方差等) , 因而数据的规律简洁直观。

接触电阻一般服从正态分布或威布尔分布, 许多学者都采用威布尔分布描述接触电阻, 并且指出接触电阻的平均值、方差、最大值均不能正确反映出触点接触状态, 而应采用在一定置信度下的接触电阻值来表示。我们可以由数据处理程序对所测接触电阻数据做上述处理。