接触测量（共8篇）
接触测量 篇1
0 引言
铁路接触网担负着从牵引变电所所获得的电能直接供给电力机车使用的重要任务,它的质量和工作状态直接影响着电气化铁路的运输能力[1~3]。对其检修和维护,首先要进行有关参数(导高、承力索高度、接触网和承力索高差、外轨超高、拉出值、跨距等)的测量。随着铁路大规模提速以及高速铁路的建设,要求对接触网参数测量的速度不但要快,而且要更精确[4]。
目前国内在铁路接触网方面的测量方法主要有两种:
1)吊杆与卷尺相结合的测量方法;
2)激光测距仪与光学观察系统相结合的测量方法。
吊杆与卷尺相结合的测量方法,测量时间长,精度低,需要进行人工记录和计算;激光测距仪与光学观察系统相结合的测量方法,只能在轨平面垂直方向测量而不能在轨平面水平方向测量,即只能测量俯仰方向角度而无法测量方位方向角度,从而限制了对轨距、跨距、建筑侧面限界等参数的测量。
分析以上两种测量方法的优点和不足,根据接触网检修和维护的实际需求,本文研究了一种利用距离传感器、角度传感器、位移传感器、CCD摄像机和嵌入式数据处理系统进行铁路接触网参数测量的新方法,开发了一种高性能的接触网测量系统,不仅可以测量接触网的导高、拉出值、接触网和承力索高差、外轨超高等参数,而且可以测量轨距、跨距、侧面限界、红线等参数。整个测量系统操作简便、对各个参数的测量速度快、精度高。
1 系统的硬件组成及工作原理
系统的硬件部分由测量仪、CCD摄像组件、显示及操作面板组成、测量架,如图1所示。
测量仪用来测量目标的距离、方位角度和俯仰角度参数,它主要由半导体激光器、测距发射和测距接收部分、方位角度测量光栅和俯仰角度测量光栅等组成。
CCD摄像组件用来对测量目标进行观察和瞄准,它主要由物镜和CCD组成,其中物镜的焦距和口径根据观察目标的距离和大小来确定,CCD采用高分辨率像素以使目标的成像更清晰,从而减小瞄准误差。
显示及操作面板用来显示测量目标和测量参数信息,显示屏为3.5英寸液晶屏,在面板上布局各种操作按钮,可实现对不同参数的测量和对测量数据进行保存、删除、导出等操作。
测量架用来支撑测量仪并实现和铁轨的测量定位,测量架上有位移传感器和倾斜传感器,位移传感器用来测量轨距,倾斜传感器用来测量轨平面相对大地水平面的夹角。
系统工作原理:如图2所示。把测量系统安装在铁轨上,通过旋转测量仪的高低和水平向,使测距的激光点可以精确地瞄准测量目标。测量系统瞄准光轴和激光测距光轴同轴,同时在显示屏上有十字分划,十字分划和测距激光点校为重合,则十字分划的中心压住接触网线的中心时即为精确瞄准,此时通过操作面板就可对各个参数进行测量。
1.测量仪;2.CCD摄像组件;3.显示及操作面板;4.测量架
A点是测量目标点,A'是A点在轨平面内的投影,B点是A'在两铁轨中心线上的垂足,D点是测量基准点,O是D点在铁轨1上的垂足,α是A'D和DO的夹角,β是DA和轨平面夹角。利用三角形的边角关系计算出AA'(导高)和A'B(拉出值)等参数;再利用不同点的导高、拉出值,可以计算出水平间距、垂直高差及偏移角度。利用位移传感器测量轨距,结合倾斜传感器,便可测量出外轨超高。用光栅进行高精度角度测量,相位激光测距仪进行目标距离高精度测量。其中观察光轴、激光测距发射和激光测距
接收光轴三轴重合,确保测量数据的准确性。
2 测量数学模型和误差分析
测量接触网参数所用到的数据:位移传感器电阻值,倾斜传感器的角度值,测距仪的距离值和光栅的角度值。
位移传感器电阻值:5 KΩ,对应距离555mm;倾斜传感器的角度:范围[-10~+10]°,精度1′;测距仪测量的距离L:范围[0.5~70]m,精度ΔL为2mm。
光栅的角度值:和轨平面垂直向夹角β,在轨平面内的角度α;精度Δβ、Δα为2″。
2.1 目标点在轨平面内的投影和基准轨的距离计算公式为:
其中L//为目标点在轨平面内的投影和基准轨的距离;L为测距仪测量目标距离;α为目标点在轨平面内的投影和基准轨法线夹角;β为目标点和轨平面夹角。
公式(1)误差传递公式为:
当α、β为0时,ΔL//值最大:
由公式(3)知,目标点在轨平面内的投影和基准轨的距离误差主要由测距仪的误差传递影响。
2.2 导高的测量
接触线的导高计算公式为:
其中H为接触线的导高;L为测距仪测量的目标点距离;β为目标点和轨平面夹角。
如上同理,
2.3 拉出值的测量
测量要求范围:(-600mm~600mm),一般默认测量位置在铁轨左侧。
计算公式为:
其中D为拉出值;L为测距仪测量的目标点距离;α为目标点和基准轨法线夹角;β为目标点和轨平面夹角。
同理可得出,当α、β为0时,ΔD值最大,
3 系统的软件部分
系统软件是专门为图像采集显示工业控制终端定制的一套软件解决方案,采用自下而上的层次化分析和构建方法,把整个系统的软件划分为操作系、设备驱动层与应用软件层,采用嵌入式linux操作系统作为应用软件的运行环境。
嵌入式系统是嵌入式操作系统和数据处理程序运行的平台,进行各种参数测量的操作控制和计算,同时对测量目标在CCD上的图像进行采集并显示。
根据外部具体接口设计接口驱动,系统应用软件具有以下几个功能:
1)提供友好的人机界面功能,用户能够方便的进行操作;
2)实现图像采集显示功能;
3)可对数据信息进行记录、存储和导出。
软件部分的工作流程为:观察通道CCD图像经采集卡传给主板CPU,经处理后传给显示屏显示;传感器测量500mm处线岔间距、轨距和倾角,测量仪测量导线的斜距和角度等参数,传感器和测量仪测量的参数传给嵌入式主板ARM9 CPU进行数据处理,得到测量项目的参数,并把有用的数据保存起来,然后利用电子报表自动生成系统进行数据的归类统计,形成标准电子文档。
4 测量系统的不确定度分析
把接触网激光测量系统放在标定的标准轨上,对标定的接触网的高度和拉出值进行测量,按照JJF1059-1999对测试结果的不确定度分量进行分析和评定,结果可得出其测量精度为±5mm。
系统的不确定度来源主要由测量重复性、环境、测量目标位置差异和标准器引起。
4.1 测量重复性引入的不确定度分量
在标准轨的固定点,装上测量系统,进行测量,然后取下测量系统,这样重复10次类同的操作测量,测得10组数据如表1所示。
H是接触线高度;L表示拉出值。
根据贝塞尔公式计算出标准偏差:SH1=0.83,SL1=0.37。
4.2 环境引入的不确定度分量
在标准轨的固定点,装上测量系统,对接触线高度连续10次测量,测得10组数据如表2。
同理可计算出标准偏差为:SH2=0.63,SL2=0.28。
4.3 测量目标的位置差异引起的不确定度分量
在标准轨的固定点,装上测量系统,对准接触线,进行测量,每测量完一次,在重新对准接触线,同样步骤进行10次测量,测得10组数据如表3。
同理可计算出标准偏差为:SH 3=0.5 1,SL3=0.28。
4.4 标准器引入的不确定度分量
在测量时,用10m卷尺,准确度为II级,用其测量标准铁轨,在轨距1435mm距离上的误差为:Δ=0.2*1.435=0.287mm。由此引入的不确定度分量为:SL4=0.287mm。
试验用0.02mm/m水平仪校正标准铁轨上的平面,按最大量程轨距1435mm计算,带来的误差为0.0287,由此引入的不确定度分量为:
SH4==0.0287mm,SL5=0.0287mm。
4.5 合成标准不确定度
各不确定度分量为独立分量,不存在相关性,则合成不确定度为:
相关的数据带入计算可得:SH=1.2,SL=0.61。
由此可得出接触线高度和拉出值合成不确定度3SH和3SL分别小于5mm,因而该测量系统满足精度±5mm误差要求。
5 结束语
作为接触网测量中心任务之一的接触网几何参数自动测量已引起国内外有关专家的极大关注。本文介绍了一种距离传感器、角度传感器、位移传感器、单CCD摄像机和嵌入式数据处理技术实现对铁路接触网参数的激光测量系统。相比国内目前的几种测量方法,这种测量系统原理正确、精度高达±5mm、速度快、测量的参数全,测量数据可自动生成电子报表格式。它将被广泛应用于铁路接触网的日常检修和维护中,对高速铁路的正常运行产生极其重要的作用。
参考文献
[1]吴昌博,周洪.接触网应力实时检测及短线事故预警系统[J].微计算机信息,2009,25:102-103.
[2]邸荣光.准高速铁路接触网动态参数测量研究[J].科技广场,2005,1:90-92.
[3]于万聚.高速电气化铁路接触网[M].成都:西南交通大学出版社,2001.
[4]吴健,张华.接触网多参数测量仪设计[J].微计算机信息,2008,10:47-50.
接触测量 篇2
关键词：关节轴承；装配高度；测量基准；测量仪
中图分类号：TH133 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）14-0013-03
1 概述
角接触（推力）关节轴承由于球形滑动接触面积大，倾斜角大，有较大的载荷能力和抗冲击能力，并具有抗腐蚀、耐磨损、自动调心、润滑好或自润滑型无润滑物污染的特点，因此广泛用于速度较低的摆动运动、倾斜运动和旋转运动的场合，如工程液压油缸、锻压机床、工程机械、自动化设备、汽车减震器、水利机械等。
角接触关节轴承和推力关节轴承是我公司六大系列中的两大系列的主导产品，产品型号繁多，每月都有大批量生产。该产品的装配高度（如图3的H值）是一个重要的技术参数，特别是自润滑型的，在成品终检时属于全数检验项目。因此，如何提高测量精度及测量效率，降低检测人员的劳动强度，成为企业保证批量生产产品质量、满足市场需求急待解决的问题。
2 原有测量方法及存在的问题
由于角接触（推力）关节轴承内、外圈的工作滑动表面均为少半球面，外圈与内圈可以相互摆动，常用的高度测量仪无法对该参数进行测量。原有的检测手段主要有两种：第一种是采用芯轴法测量，如图1所示。该检验方法有四个缺陷：（1）每种型号需配备一根与轴圈内径尺寸一致的芯轴；（2）芯轴与轴圈是间隙配合，间隙太大，测量值误差大；间隙太小，不容易装、卸出芯轴，测量困难；（3）检测大型号且批量大的产品，在装、卸出芯轴过程中对检验人员的体力要求较高，劳动强度大，且稍有不慎可能压伤手指；（4）每套次测量要重复装、卸出芯轴，检测效率低。第二种用千分尺测量法，如（图2）所示。用两把千分尺在产品的对称位置进行测量，测量时需反复调整千分尺的测量值，直至两把千分尺的测量值一致后，此时的测量值即为装配高度。该种检验方法缺陷是：（1）两把千分尺得多次调整才能得到测量值，测量繁琐，效率低，不适合批量测量；（2）需要一定的测量技能，才能得到准确的测量值。以上两种测量方法的缺陷主要是为了在测量中克服外圈与内圈可以相互摆动而造成的，所以如何在测量中快速保证两测量基准面相互平行这个测量难点成为设计的重点及核心。为此，本人设计了这台角接触（推力）关节轴承装配高度测量仪，以解决这一难题。
3 测量仪的测量原理
由于角接触（推力）关节轴承具有内外圈球径同心且可自动调心、球面的表面粗糙度小于Ra0.8等特点，所以对轴圈施加较小的压力F后，如图3所示，就可使轴圈的基准面与座圈的基准面平行，测量此时的H值即为该轴承的装配高度。
4 测量仪的主要结构
为实现图3所示的测量原理，可通过图4的测量机构来实现。仪器主要由以下几个部分组成：基础装置（工作台、立柱、悬臂、V型定位叉、防磨损垫片等）；升降传动系统（螺纹旋钮、梯形螺纹轴、压板）；测量系统（指示仪表架、精度0.01指示仪表）；防过载系统（防过载衬套、手柄等）；V形定位叉（位置可调节，定位被测轴承）。为了满足生产过程中不同型号规格轴承的检测，该测量仪设计时还考虑尽可能覆盖较多的型号，从GAC25～GAC150，GX10～GX120（轴承座圈公称外径Φ30～Φ230mm）均可测量。
5 设计要点
（1）本测量仪是利用轴承内、外圈可相互摆动且球径同心，可自动调心的特点设计的，其中压板与工作台是否平行是影响测量精度的一个重要因素。为了保证测量精度，除基础装置各相关部件的刚性及形位公差保证外，梯形螺纹轴外径与悬臂孔径的配合间隙，在满足梯形螺纹轴上下运动灵活的前提下，必须是精密的导向（间隙配合控制在0.02～0.04mm），以消除该间隙对测量精度的影响。
（2）在升降传动系统中，采用的是工艺性好、螺纹强度高、对中性好的梯形螺纹（导程20、螺距5）进行负荷的传递及行程的传动。该升降机构可以实现快速升降运动，提高工作效率，降低劳动强度；同时为防止对测量轴承施加的负载过大，造成测量仪和产品变形，还特别设计了一套防过载系统进行过载保护，如图5所示。手柄带动防过载衬套及钢球旋转，同时螺纹旋钮在压力钢球带动下旋转，当负载过大时，钢球被顶起，防过载衬套打滑旋转，从而起到过载保护作用。
（3）由于角接触轴承成品的轴圈非基准面与座圈基准面处于同一平面，如图6所示，在轴圈压平前，A点将低于基准面，所以测量时必须用支承块垫高轴承的座圈才能实现装配高度的测量。为此，我们在工作台上设计了两个可移动的支承块支承被测轴承。对于推力关节轴承，由于轴圈小端面高于座圈基准面，在轴圈压平前，A点不会低于基准面，所以可以拆除支承块，将轴承直接置于工作台测量。
以上是该仪器的一些创新点和设计思路，该仪器设计的最大创新点在于把原有的两种测量方法中需努力克服的测量难点（外圈与内圈可以相互摆动）转化为设计思路，并通过测量仪来实现快速、精确的测量。
6 测量误差分析
（1）从测量原理分析：在该仪器的刚性及制造精度保证（仪器的制造精度主要是指两方面：梯形螺纹轴外径与悬臂孔径配合精度、压板相对于工作台的平行度）的前提下，加上防过载系统保护及被测轴承自动调心的特点，该仪器的测量精度是可以保证的，并且测量定位快速。
（2）从实际使用进行验证：仪器制造完成后，我们从以下两个方面对测量误差进行实际验证：
第一，用不同的标准高度块进行重复测量验证，表1为验证数据。
第二，用芯轴测量法和该测量仪测量两种方法分别对同一套的GAC110S/K轴承的装配高度进行多次重复测量，验证其测量结果的重复性，测量数据如表2。
从表1的数据可以看出，测量结果的测量精度、重复精度均在0.01mm以内；从表2的数据可以看出，芯轴法测量较本测量仪测量的重复精度要差，这和芯轴法的测量缺陷是息息相关的。综上，该装置完全可以满足产品测量要求（装配高度公差值均在0.1mm以上）。
7 检测效率比较
经过现场生产的实际应用，本测量仪可降低检验人员的劳动强度，并且较芯轴法提高检测效率达近10倍（以GAC110S/K为例，芯轴法30～40秒/件，本测量仪3～5秒/件）。
8 结语
该测量仪解决了采用原有检测方法时检测精度差、检验人员劳动强度大的问题。
该测量仪检测效率比原有检测方法提高近10倍，并且可以对同系列不同规格的轴承进行检测，满足批量生产的要求。
因此，该测量仪的设计是成功的。
作者简介：陈小春（1971—），男，福建漳州人，福建龙溪轴承（集团）股份有限公司工程师，研究方向：关节轴承检测技术及工艺设计。
插入式接触电阻测量夹头的研制 篇3
但由于其结构的原因,传统的接触电阻测量夹头(下称传统夹头)无法准确触及到被试导电部位,这给接触电阻的测量工作带来了相当棘手的问题,使环网柜这类电气设备的安全运行水平处于不可控的范围。
本文介绍了研制的一种插入式接触电阻测量夹头(下称插入式夹头)用于环网柜接触电阻的测量,可以解决传统夹头无法准确触及到环网柜被测试导电部位的问题。
1 环网柜的应用情况
截至2010年,在由上海市电力公司下属的市区、市北、市南这3家供电公司供电范围内,采用环网柜作为开断元件的环网站和箱式变电站的数量分别为4 648座和11 648座,共计有31 260台环网柜在运行中。
在这些环网柜中采用DIN标准(德国工业标准)型式的电缆接线座的环网柜共有22 106台,占比71%。目前,越来越多的环网柜设备采用DIN标准。
2 环网柜传统夹头接触电阻测量
对环网柜接触电阻试验就是对环网柜内开关回路电阻的测量,例如一台型号为LCG-CFC型环网柜(见图1)。在图1中,所标注的回路电阻测量路径。
环网柜中符合DIN标准的电缆线接头如图2所示。电缆接线头内部是导电部位,完全被绝缘层包裹,导电部位的直径仅16 mm。
传统夹头如图3所示。它由上钳体、下钳体、上前电阻接触机构、下前电阻接触机构组成,测量方式单一。传统夹头只能通过上、下两个电阻接触机构夹紧被试导体进行测量(见图4),而对环网柜导体部分无从下手。
如用传统夹头对环网柜导体部分进行测量,则需要2人使用试验夹头、1人操作机器进行。通过对环网柜接触电阻进行3次测量,得到了表1的数据。
厂家给出的参考接触电阻数值是≤260 μΩ,而现场第三次测量的A相接触电阻值为270 μΩ,相间、纵向误差均较大。究其原因,认为与以下几方面因素有关:①传统夹头金属面与导电部位接触依靠手工操作,人为因素造成测量误差大;②传统夹头接触面与导电部位无法完整接触,接触面小,数据不精确。另外,现场试验往往由于环境所限,环网柜仓位狭小,给试验工作带来很大不便,效率低下。
因此,为了实现对环网柜接触电阻的准确测量,研究了一种新的称作插入式接触电阻测量夹头(插入式夹头)的新设备。
3 环网柜插入式夹头接触电阻测量
3.1 插入式夹头的结构及特点
插入式夹头是在传统夹头的基础上开发而成的。它在保留原有夹头测量方式的基础上,另增加了尾部插入式测量组件,即增加了上后电阻接触机构、下后电阻接触机构。上前电阻接触机构和上后电阻接触机构与下前电阻接触机构和下后电阻接触机构在钳体内部固定连接,同时接入测量接线端,无论使用上、下前电阻接触机构或使用上、下后电阻接触机构来接触被测试导体,都可以进行接触电阻的测量,可一夹二用。插入式夹头的结构如图5所示。
插入式夹头选用机构材料为紫铜,后电阻接触机构长度为8 cm,实测内阻为7 μΩ。在不增加设备成本的基础上,插入式夹头具有如下几个方面特点。
1) 使环网柜接触电阻测试方法得到改进。插入式夹头的使用给现场环网柜数据测量带来方便,省时省力,更能提高测量精度。
2) 可进行断路器缺陷处理诊断。能对断路器不同部位分段进行测量,通过对不同部位接触电阻的比较分析,为故障诊断提供依据。
3) 降低测试过程中对被测试设备的外力损坏。
4) 防止测试时由于接触不良等造成损耗增加,引起发热而损坏被测试设备。
5) 提高测试现场工作效率。
3.2 插入式夹头的现场应用
3.2.1 用于环网柜接触电阻测量
使用插入式夹头对同一台LCG-CFC型环网柜进行测试(见图6)。
通过对环网柜接触电阻3次测量,得到了表2的数据。插入式夹头在成本可控前提下,环网柜接触电阻测量试验人员仅需1人,测量时间平均为3 min,相间误差<1%,纵向误差为0%。
3.2.2 扩展应用
插入式夹头除对环网柜的接触电阻进行测量外,还可以方便地对断路器接触电阻进行测量(见图7、图8)。插入式接触电阻测量夹头在保有原测量方法的基础上,避免了弧触头弹簧发热、降低了测量误差。
对接触电阻数值超标的断路器,插入式夹头经后电阻接触机构能与断路器各段导电部位分别测量。通过各段接触电阻数据比较,判断出接触电阻过大的部位,为故障诊断提供依据。
4 结语
1) 目前,插入式夹头已达到了设计标准要求,具有很好的操作性和安全性能,达到了预期的效果,解决了环网柜接触电阻测量难题。
2) 插入式夹头适用于大部分电气设备接触电阻的测量,完善了接触电阻试验方法,能够用于对断路器不同部位分段进行测量及分析,为故障诊断提供依据。
3) 插入式夹头制作成本低,比使用传统夹头测量更精确、高效、实用。
参考文献
[1]上海市电力公司.电力设备交接和预防性试验规程[M].北京:中国电力出版社,2007.
[2]李建明,朱康.高压电气设备试验方法[M].北京:中国电力出版社,2001.
[3]施伟斌,姚建歆,李坚,等.变电站接地电阻的短路测试研究[J].供用电,2010(1):4-6.
接触测量 篇4
触点材料广泛应用于各类接触器、继电器、照明开关、故障电流开关、辅助开关和家用电器中, 其工作电流从几安培至几百安培不等, 不同工业应用需求使触点材料的组分、制备工艺与结构特征各异。触点对是电器开关内完成导通、分断电流功能的载体, 因此其电接触性能是影响电气与电子工程可靠性的关键[1]。触点对间的导电面积远远小于视在接触面积的特征造成了电流线在接触面间的急剧收缩, 所形成的收缩电阻和表面膜电阻一并构成了触点材料的接触电阻[2]。
现代电气与电子工程应用环境的复杂性与严酷性使机电元件的接触电阻保持能力面临严峻的考验, 工程现场应用中通常表现为接触电阻稳定增大、无规律增大、周期性变化、间歇性变化等失效现象, 阻值过大将导致电接触位置焦耳热或信号插入损耗相应增大。统计分析表明电气系统中70%的电气故障均与电接触问题直接相关[3], 因此连通导电状态下保持低而稳定的接触电阻已成为电气电子工程“高可靠、长寿命”发展的根本保证。
近年来, 电器生产制造商对配套电器元件的触点材料提出了越来越高的要求, 触点批次产品接触电阻的指标已成为电器生产制造商的关注热点。同时按照电器生产制造商的需求为其选择最高质量等级的触点材料产品, 从而保证所设计的电器电接触性能最佳, 也将体现触点材料生产制造商的高端服务等级。触点材料的接触电阻不仅直接与触点材料的电阻率、硬度、接触压力、测试电流相关, 而且对空间环境的温度、湿度、气氛、气流、触点表面的粗糙度也具有一定的依赖性。通过经典的电接触理论计算固然可以定性分析接触电阻的影响因素, 但在适用性和计算准确度方面仍然存在一定缺陷。
本文根据GB/T 15078—2008《贵金属电触点材料接触电阻的测量方法》中的相关测试要求设计了一种新型的自动测量系统及相关测试方法, 实现了多触点接触电阻的自动连续测量, 并通过试验完成了不同电触头材料静接触特性的测试, 试验结果表明测试系统稳定可靠。该系统不仅适用于触点材料生产制造商对接触电阻参数进行质量检测, 同时也适用于开关电器生产制造商触点装配前对接触电阻状况进行检测评估。
2 新型接触电阻自动测量系统的设计
新型接触电阻自动测量系统的主要特点在于, 接触压力和测试电流可控条件下自动连续精确测量多个触点的接触电阻, 在保证测量过程中触点材料无损伤的前提下实现批次样品接触电阻参数的快速有效评测。自动测量系统由精密机械系统和电控测量系统构成, 以单片机和可编程逻辑控制器为核心单元完成机构运动控制和电测量任务, 并由PC机完成试验条件设定及测试结果读取、显示、统计分析、保存等功能。
2.1 机械系统设计
机械系统示意图如图1所示。三个电动滑台正交布局连接构造成三维定位系统。机械系统还包括多触点定位夹具和接触力控制机构。多触点定位夹具由定位精度为0.02 mm的X轴电动滑台、Y轴电动滑台以及可一次装卡20个触点的多触点夹具体构成。X轴滑台行程300 mm, Y轴滑台行程40 mm, 自动测量系统对X轴滑台和Y轴滑台进行控制, 使探针 (镀金球头或同类别触点材料) 能够在规定平面范围内精确定位, 实现探针与多触点夹具体各个触点的定位功能。接触力控制机构由定位精度为0.02 mm的Z轴滑台、分辨率为50 mg的应变式力传感器和刚度为0.5 N/mm的弹性元件构成。系统控制Z轴滑台向下运动实现探针和触点材料接触力加载, 同时通过接收力传感器的反馈信号实现接触力的闭环控制。弹性元件起缓冲作用, 提高接触力的控制精度, 并且避免探针与触点材料接触时产生较大的冲击力。Z轴滑台由步进电机驱动器进行64倍分频, 实际步长为0.15μm。通过M22等级标准砝码进行校准, 接触力控制机构对接触压力的控制范围为0.2~300 g, 控制精度50 mg。为提高测量的稳定性, 减小气流扰动、温度变化和微振动等环境因素对结果的影响, 机械系统采用隔振平台并采用透明有机玻璃外罩防护。
2.2 测量系统设计
参照GB/T 15078—2008《贵金属电触点材料接触电阻的测量方法》, 采用四线法测量接触电阻, 示意图见图2。采用可控恒流源对触点施加电流, 测量图2中P+和P-两端的电压降, 通过计算电压降与电流的比值求得电阻值, 由此可消除引线电阻对测试结果的影响。为了使测得的数据尽量接近真实的接触电阻值, 应使P+、P-两个接线端尽量靠近触点材料。接触电流可调范围为1~1000 m A, 步进率1 m A, 精度±2.5%, 开路电压5~200 m V。接触电阻测试范围为0~450Ω, 通过1、10、100 mΩ的0.01级标准电阻进行校准, 精度达到±1%+5字, 分辨率0.1 mΩ。
测量系统以Micro Logix可编程逻辑控制器和C8051F120单片机为核心, 对三自由度电动滑台进行精确控制, 实现标准压头和触点材料的闭合、加力、卸力与分离, 并根据应变式力传感器的回馈信号闭环控制接触压力。C8051F120单片机通过内部D/A (数/模) 转换器输出可调电压模拟量控制恒流源, 使其产生大小可调的恒定电流。接触电压、电流信号和力传感器的输出信号分别通过低噪声前置放大器和斩波放大器进行信号放大, 经过4通道24位模/数转换器 (ADC) 转换为数字量输入C8051F120单片机。单片机根据所测得的电压、电流值计算得出电阻值, 通过滑动窗口平均滤波算法得到电阻的稳定值, 并将所得电阻值上传至上位机。同时, 系统采用128×64液晶屏对其运行状态和测试结果进行辅助显示。测量系统以电磁屏蔽外壳形式防护, 框图如图3所示。系统在镀金球头和触点材料闭合时测得的电阻值为其接触电阻与触点材料接触部分外的附加电阻之和。测量系统首先对附加电阻值进行测定, 通过上位机软件完成附加电阻值的去除。
2.3 系统软件设计
Lab VIEW是一个工业标准的图形化开发环境, 结合了图形化编程方式的高效能与灵活性以及专为测试测量与自动化控制应用设计的高端性能与配置功能, 为数据采集、仪器控制、测量分析与数据显示等各种应用提供必要的开发工具。
自动测量系统应用Lab VIEW软件设计上位机操作界面, 实现与C8051F120单片机的数据传输和人机对话。操作界面分为接触电阻测试界面、附加电阻测试界面和系统位置校准界面三部分。系统位置校准界面用来对标准压头在水平面X轴、Y轴方向的偏移进行清零, 从而保证压头与触点材料间的精准定位。附加电阻测试界面可对附加电阻进行测定, 记录并显示附加电阻值。接触电阻测试界面中可输入触点电流、接触压力、触点材料尺寸等参数, 并显示、保存测量结果。
3 试验结果分析
分别选取Ag Cd O、Ag Sn O2和Ag Ni铆钉触点材料试样各40只, 试验中电流水平分别为5、10、20、50 m A, 每种电流条件下试样各10只。接触压力测试范围为1~100 g, 1~50 g区间步长为1 g, 50~100 g区间步长为5 g。测试环境为室温21℃, 相对湿度65%RH。不同电流条件下Ag Cd O、Ag Sn O2和Ag Ni铆钉触点材料静接触特性的试验结果如图4~6所示。
压力加载过程中接触电阻随接触压力的增加而减小, 且接触电阻降低趋势减缓, 接近线性常数。同时, 压力卸载过程中接触电阻的增加过程较加载过程曲线稍低, 此种现象即与大多数学者所得到的结果相似, 称为滞回现象[4~6]。Timsit[5]对此指出随着接触力载荷的增加, 接触对间的微观表面凸丘发生挤压塑性变形的个数趋向增多, 凸丘的塑性压扁状态伴随着导电斑点个数的增加, 因此所产生的收缩电阻及接触电阻将具有减小趋势。卸载过程中的局部塑性变形无法恢复即是接触电阻存在滞后现象的根本原因。
测试电流对触点材料静接触特性具有一定影响, 5 m A电流条件下接触电阻的滞回现象相对最弱, 而10、20和50 m A电流条件下的滞回曲线均十分相近, 并在100 g接触压力条件下接触电阻随电流的增加而呈单调下降趋势。因此电流幅值在微观导电表面的热效应将使得接触面积增大是致使收缩电阻和膜电阻减小的主要原因。
4 结论
本研究所设计的接触电阻自动测量系统具有以下特点: (1) 能满足0.1~450Ω的接触电阻测量, 分辨率为0.1 mΩ; (2) 自动控制最多20个触点连续测量, 触点定位精度为0.02 mm; (3) 触点接触压力可调范围为0.2~300 g, 控制精度为50 mg; (4) 触点电流可调范围为1~1000 m A, 控制精度为1 m A。
接触电阻自动测量系统的设计可直接满足我国电触点材料产品的批量检测、质量评估与可靠性分析的实际需求, 具有良好的应用推广前景。
参考文献
[1]土屋金弥.电接点技术[M].刘茂林, 译.北京:机械工业出版社, 1987.
[2]Holm R.Electrical Contacts:Theory and Application[M].4th ed.New York:Springer, 1967.
[3]Swinler J, Mcbride J W, Maul C.Degradation of Road Tested Automotive Connectors[J].IEEE Transactions on Components and Packaging Technologies, 2000, 23 (1) :157-164.
[4]Yunus E M, McBride J W, Spearing S M.The Relationship Between Contact Resistance and Contact Force on Au Coated Carbon Nanotube Surfaces[C].Proceedings of the53rd IEEE Holm Conference on Electrical Contacts, 2007, 167-174.
[5]Timsit R S.Electrical Contact Resistance:Properties of Stationary Interfaces[J].IEEE Transactions on Components and Packaging Technology, 1999, 22 (1) :85-98.
接触测量 篇5
在电力系统中,接触点是完成导通、分断电流的载体,因此其电接触性能已经成为影响电气可靠性的关键。而目前对断路器连接点接触可靠与否,除了检修时进行机械检测或者通以直流电流测量回路电阻外,对运行中设备仅以温度监视其发热程度,可靠性较差,不能及时发现缺陷,一旦接触电阻增大,当断路器流过大电流时,将导致接触体的温度迅速升高,很有可能使接触体变形甚至粘连,从而影响了电连接器的性能甚至可能对整个电气系统造成致命的危害[1]。因此,接触电阻的测量越来越受到研究者的重视,并取得了一定的研究成果。参考文献 [2] 利用动态接触电阻测量系统,对触点闭合过程的接触压降进行测量,进而提出了动态接触电阻的概念,对继电器触点进行失效预测。参考文献 [3] 研究了接触电阻的时变规律并进行了短期预测,进而对因接触不良导致的接触故障进行预测。上述研究的局限在于,研究内容为定性而不是定量。参考文献 [4] 研究设计了以DSP最小系统为核心,实现对超级电容充放电的控制,电压、电流信号经调理放大电路处理后进行釆集,最后通过欧姆定律计算得到回路电阻的大小。该方法只能在断路器不带强电,接触电阻两端电压很小的情况下进行测量。当断路器正常运行时,接触电阻受影响的因素众多,包括电接触点的材料、形状,触点表面与触点压力等[5],全国各地气候条件的不一致性,且我国电网中开关,其导电回路电阻为微欧级,大多数型号开关的导电回路电阻在100μΩ以下[6],很难在断路器使用过程中确保接触电阻时时刻刻是正常的。因此,本文研究了一种既保证实时性,又确保高压与测量系统隔离的安全性,能带电测量断路器的接触电阻。
1 接触电阻定义
接触电阻是指电流通过接触点时在接触处产生的电阻,一般是指收缩电阻和表面膜层电阻的和[7]。可用公式表示如下 :
上式中 :R为接触电阻 ;Ra为收缩电阻 ;Rb为表面电阻。
收缩电阻Ra与接触点数有关,且与接触点是弹性变形或者是塑性变形也有关。当触头的结构和触头的温度确定以后,触头材料的电阻率、弹性模数、触头间的压力、材料硬度等参数都是固定的,而接触点的变形性质和接触点数则随触头的每次断开后再接触而变。因此,每次触头断开闭合后,同一触头的收缩电阻一般是不同的。此外,收缩电阻还与通过电流的大小有关,这是由于流过触头的电流不同,触头温度也不同,而温度对触头的材料电阻,材料弹性模数和材料硬度都有影响。
表面电阻Rb与触头面上存在的一层薄膜有关,即使是新的触头暴露在大气层中后,不可避免地会出现一层薄膜。表面电阻Rb就是由此引起的。氧化膜实际上就是半导体,几乎不导电并且有极性。但强电触头由于触头间压力大,可把氧化膜部分压碎而导电,或由于触头间电压足够高,可把氧化膜上某些点电击穿而导电,从而降低表面电阻。
综上所述,接触电阻不仅直接与接触点材料的电阻率、硬度、接触压力、测试电流相关,而且对空间环境的温度、湿度、气氛、气流、触电表面的粗糙度也具有一定的依赖性,测量难度高。
2 测量接触电阻的基本原理
常用直流压降法测量接触电阻,当电流流过接触点时,由于接触电阻的存在,必将产生一定的电压差,测量这个电压差的数值,并根据同一时刻测量到的电流,根据欧姆定律可计算出其接触电阻[8]。虽然接触电阻受影响因素很多,不管收缩电阻和表面电阻的影响因素如何变化,空间环境如何变化,归根到底,接触电阻的测量原理如图1所示。
图1中R1和R2为导线的等效电阻,Rx为等效的接触电阻,当接触电阻流过电流I时,将会在接触电阻两端产生一个电压差U,根据欧姆定律可得接触电阻Rx。
由于接触电阻基本为微欧级别的,且断路器正常工作电流在上百安培到上千安培波动,触头间的电压差在几毫伏波动。图2为回路电阻经典测量原理图。
在图2中可以看出,测量断路器回路电阻的基本原理就是必须闭合断路器,在断路器两端接上一个恒流源,通过大电流,电流应足够大,足以击穿触头接触表面的氧化膜。根据国内GB 763—1990、DL 405—91等电力国标规定 :在直流压降法测试断路器回路电阻时,其回路电流不得小于100 A。由于断路器回路电阻一般为微欧级,ab两端压差为毫伏级,可经过运算放大器进行放大采样,再根据同一时刻的电流值,由欧姆定律即可得出回路电阻。然而,要实现实时测量接触电阻,必然要将测量系统长期安装在断路器上,由此产生了一个隔离问题。图3为实时测量接触电阻的未隔离示意图。
图3为400 V系统中,三相四线制接线中的其中一相,其余两相同理。当断路器闭合时,此时两端的压差为毫伏级的,用简单运算放大器经过放大采样,可直接与单片机等控制系统相连。电流采样可经过电流互感器直接采样,不存在什么问题。问题在于断路器不会长期闭合,当系统发生短路时,或者人为需要断开断路器时,当断路器打开,此时交流220 V电压将直接加到运放ab两端,可以瞬间烧毁运放和与运放相连的整个控制板。如果用普通电压互感器直接并联到触头ab之间,在断路器闭合期间,由于这个电压差很小,可用互感器直接测量。但是,同样断路器在流过故障电流时,继电保护装置将使断路器跳闸,由此单相220 V电压将直接加到互感器两端,造成互感器铁心饱和,如果互感器耐压水平不高,极有可能直接烧毁互感器甚至烧毁整个测量系统。寻找一个解决这个隔离问题的方法成为本设计的难点。
3 带电测量接触电阻的新方法
测量触头之间的压差,这个压差从闭合时的毫伏级低电压到断开时的220 V左右的高电压变化,既要保证闭合时测量系统能测量出接触电阻,又要保证触头断开时隔离高电压。基本设计原理如图4所示。
图4为同样三相400 V系统中的一相等效电路,其他两相亦是同理。图4中,用两个电流型的电压互感器并接在断路器两端,Ra1和Ra2为限流电阻,Rb1和Rb2为采样电阻。当断路器闭合时,互感器分别感应输出电压Ua和Ub,这两个电压可再经过电压抬升以及改变采样电阻的阻值,结合使得输出电压保持在0 ~ 5 V之间,此电压即可直接送进嵌入式系统处理,由基尔霍夫电压定律,在嵌入式系统内简单的编程减法指令即可得到断路器闭合时两端的电压差。同时,由电流互感器测量出同一时刻流过断路器的电流,根据欧姆定律即可得到接触电阻。这样,当有故障电流或人为断开断路器时,单相220 V电压会直接加到图4左边的互感器,由于限流电阻和互感器的隔离作用,此时不会烧毁嵌入式系统,而右边的电压互感器则输出电压为0,对测量系统也并不会造成影响。这样,可在断路器三相开关两头直接并接入该测量系统,既可以实时测量断路器的接触电阻大小,实时监控接触电阻是否异常,又可以将高压与测试系统的低压隔离,不管断路器闭合还是断开,都不会对测量系统造成影响。
4 控制系统设计
控制系统主要由采样部分和控制部分构成。测量系统原理如图5所示。
测量系统采用ARM7嵌入式芯片为核心,断路器的三相回路,每相采集两个电压一个电流,共需采集六路电压和三路电流,经电压抬升电路,将输入电压抬升到0 ~ 5 V之间,通过采样保持器锁存同一时刻的六路电压和三路电流的值。由于嵌入式芯片已有模数转换器,不必再加A/D转换模块。采样保持器的值可直接送进ARM7进行转换计算。接触电阻在流过大电流时必然发热,故增加六路温度测量断路器触头间周围温度,用常用的DS18B20温度传感器,具有体积小、硬件开销低、抗干扰能力强、精度高的特点,其独特的单线接口方式,仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通信,节省ARM7的I/O口资源,故可用其对断路器触头周围温度进行监控。测量得到的电压、电流、温度以及接触电阻的数值,可通过HS12864实时显示。若接触电阻增大,温度升高,通过ARM7实时检测到接触电阻异常,可通过声光报警,并通过RS232与计算机通信,将现场数据实时发送给控制中心,实现实时监控。
5 结语
利用两个电压互感器并联的方法间接测量断路器两端电压差,既可以保证控制系统与强电的隔离,又能实时测量接触电阻的大小。400 V配电系统中,最重要就是要供电可靠,不能随便停电,而断路器检修时必然要断开断路器,造成用户停电。因此,研究带电测量断路器各种参数必将是未来电器发展的趋势。带电实时测量断路器接触电阻,可不必每次都需要断开断路器造成用户停电,且可在断路器异常时及时发现,避免断路器触头烧毁或继电保护使其动作时据动,提高供电可靠性。
参考文献
[1]魏文.航天电连接器振动可靠性统计分析[D].杭州:浙江大学,2002.
[2]陈鹏,陆俭国,姚芳,李新.动态接触电阻测量及触点失效预测研究[J].电工电能新技术,2005,24(3):27-30.
[3]姚芳,李志刚,李玲玲,李文华.继电器触点接触电阻的时间序列短期预测[J].中国电机工程学报,2005,25(2):61-65.
[4]肖建涛.新型断路器回路电阻测试方法的研究[D].北京:北京交通大学,2014.
[5]蔡永健,黄爱国.电磁继电器触点接触电阻分析[J].机电元件,2011,31(3):60-62.
[6]刘青松.电工测试基础[M].北京:中国电力出版社,2004.
[7]苏阳.精密测量中接触电阻的研究[J].昆明冶金高等专科学校学报,2000,16(2):24-27.
接触测量 篇6
1 系统的整体设计
基于CCD的非接触尺寸测量系统的工作原理:在白天环境光的照射下, 利用平行发光管两个日光灯增强光照强度, 首先要对该测量系统进行校准, 从而保证零件被检测面的法线方向与物镜的轴线基本重合, 在测量时采用小角度轴向光照明的方式照射被测零件;然后零件的反射光通过标准镜头成像到CCD摄像机上, 通过CCD图像传感器光信号转化为模拟信号, 再利用图像采集卡把模拟信号转换成数字信号, 并通过PCI总线传送到计算机内部;最后利用Lab VIEW开发环境下开发的仪器软件模块读取图像信息, 对采集的图像进行预处理和边缘检测, 提取出有效的轮廓, 再根据标定结果, 完成尺寸测量, 并选定Microsoft Access作为后台数据库, 与数据库相结合对测量结果进行数据读取、写入、存储、显示。系统结构如图1所示。
2 图像处理
采集系统捕获的原始图像, 往往会因为各种因素含有噪声和干扰, 图像的边缘不够清晰, 为了得到可供尺寸参数测量的清晰的边缘轮廓, 需进行图像处理。
2.1 滤波平滑
选用二维快速中值滤波算法, 即用某种结构的二维滑动模板W (i, j) , W (i, j) 表示中心位于 (i, j) 的窗口, 把窗口中心位置在图像上逐像素移动。将板内像素按照像素值的大小进行排序, 生成单调上升 (或下降) 的二维数据序列。找出中间值;若当前中心在 (i, j) , 则滤波后图像 (i, j) 像素之值为窗口w (i, j) 内所有像素的中值, 输出即为
式中:f (x, y) , g (x, y) 分别为原始图像和处理后图像数据。
2.2 图像锐化
采用拉普拉斯锐化法, 对去噪后的图像进行锐化处理。拉普拉斯算子是二阶导数的二维等效式。图像灰度函数f (x, y) 的拉普拉斯公式为
假设i对应x方向, j对应y方向, 使用差分方程对x和y方向上的二阶偏导数近似如下
同理可以得到根据式 (2) 、式 (3) 推出两个方向上的近似8邻域拉普拉斯算子的掩模板
2.3 图像阈值分割与区域填充
由于非接触测量系统使用的是黑白CCD摄像机, 拍摄的是灰度图像, 为了便于处理, 需将灰度图像变为黑白图像, 便于图像边缘提取。通过比较分析, 本系统采用一种全局阈值选取法。该方法是基于直方图的灰度信息来确定一个最佳阈值, 将直方图在某个阈值处分割成两组, 使图像进行二值化分割处理, 被分成的两组目标物和背景像素的类间方差最大时即为最佳阈值。方差值越大, 图像越分明。原理如下:取一幅图像, 灰度值被分为0~m级, 其中灰度值为i的像素为ni, 那么总像素数为
则各灰度值出现的概率为: , 接着, 将灰度值各分为c0={0~k}和c1={ (k+1) ~m}两组。
c0的概率为
c1的概率为
依据式 (6) 、式 (7) 可推导出c0的平均值为
c1的平均值为
结合式 (6) ~式 (9) 可推导出两组之间的方差公式为
在0~m之间对k值进行改变, 求σ2 (k) 最大值, 当σ2 (k) 取得最大值时, 此时的k值就是图像二值化分割的最佳阈值T。然后可以利用该T值并结合二值化公式实现对图像的二值化处理, 二值化公式为
经过全局阈值选取法二值化后的图像对比图如图2a、图2b所示。
通过图2可以看出, 采用全局阈值选取法对图像进行二值化处理, 处理后的图像十分清晰, 且噪声点少。对于图像中存在的噪声点, 主要是因为被测零件顶部反光使得图像顶部灰度值过大所致, 对于这种情况, 系统采用四连通将目标相邻像素为数值0的背景像素设置为目标的边界像素值255, 从而填充空洞。填充后的效果如图3a、3b所示。
2.4 图像的边缘提取
工业生产对测量精度的要求越来越高, 传统的边缘提取像素级精度已经无法满足高精度零部件的检测。需要提取高精度的边缘, 对整个检测系统来说, 可以一定程度上提高CCD相机的分辨率, 但是系统成本增加。因此利用软件的方法来提高像素精度定位问题是一个好的选择。本系统对亚像素边缘检测法进行了研究。亚像素边缘检测是以传统边缘检测算法为基础发展起来的。本系统将该方法中的zernike正交矩法应用于对称目标图像的亚像素精度定位中, 从而得到边缘参数的近似值, 取得了非常好的效果。边缘提取后的结果如图4所示。
3 软件实现与数据分析
3.1 软件实现
利用Lab VIEW模块化设计思想, 遵循了自上而下的设计方法, 根据系统的总体特性, 将系统进行了功能模块划分, 逐个实现对数据进行读取、存储、显示等, 再将各个功能模块集成在一个主程序中[5]。利用基于ADO技术的LabVIEW数据库访问包, 直接在Lab VIEW中实现对数据库的访问、添加。利用Microsoft Access作为后台数据库。通过SQL语句“SELECT*FROM磁环数据”、“INSERT INTO磁环数据 (圆环, 平均值) VALUES (‘壁厚’, ) ”等对数据库进行自动访问添加。最后, 将分析后的数据添加到数据库表中。
3.2 数据分析
利用该系统对硬质磁环进行测量, 测量值与实际值对比如表1所示。
分析可知, 磁环的内径、外径与壁厚的测量结果与实际值基本吻合, 两者之间测量的绝对误差小于0.02 mm, 相对误差小于0.07%, 引起测量误差的环节可能包括光学系统的像差、CCD的精度误差以及图像的阈值处理误差等。这一精度与游标卡尺和千分尺的测量精度相当, 满足高精度工程要求, 并且CCD测量法可实现对环形工件尺寸的自动、快速和非接触测量, 该原理只要在计算方法上稍作改动同样适合于对矩形、椭圆形乃至复杂形状的工件尺寸的测定, 因此具有广泛的实用价值。
4 总结与展望
本文设计了一种基于CCD的环形部件尺寸非接触测量系统, 通过对图像的平滑处理、图像锐化处理, 并采用全局阈值选取法实现对图像的二值化处理与填充, 最终利用亚像素边缘检测法实现对图像边缘的提取, 实验表明该测量方法方便可行。本文的系统也具有很大的实用性, 可以实现对批量零件的检测, 不但可以减小检测成本, 还可以避免人为因素带来的误判, 另外, 还可以适应高温、有污染或腐蚀性物质的工业现场环境。随着技术的进一步发展, 算法的进一步改进, 这种测量系统的的精度会越来越高, 应用范围越来越广。
参考文献
[1]黄艳岩, 钟绍俊, 徐红伟.基于LabVIEW的零件尺寸测量系统[J].微计算机信息, 2007, 23 (34) :131-133.
[2]聂锟, 萧泽新.图像处理技术在微小冲压件尺寸测量中的应用[J].电视技术, 2005, 29 (S1) :156-158.
[3]李培江, 李淑清, 高华, 等.基于虚拟仪器技术的电池夹视觉检测系统[J].新技术新工艺, 2006 (12) :28-31.
[4]IMAQ Vision for LabVIEW User Manual October[EB/OL].[2012-11-05].http://www.ni.com/pdf/manuals/322917b.pdf.
接触测量 篇7
机载电子设备是飞机航电系统的重要组成部分, 由于电子技术的飞速发展, 芯片封装体积越来越小, 功耗越来越大, 各种高效的冷却方式应运而生。液体冷却由于具有散热效率高、传热路径短等优点, 越来越多的液冷技术应用于机载电子设备。工程实际中, 液冷机箱中模块芯片的热量主要通过传导的方式传递至机架导轨接触处, 以固体接触导热的方式传递至液冷机箱, 热量与流经机箱内液体进行热交换后由液体带走, 固体界面间接触热阻的大小很大程度上决定了整个系统的散热效率和芯片的运行状况, 因此提高模块与机箱的传热效率就显得尤为重要。
接触热阻在微电子封装、层合结构、核反应堆、飞行器热管理等存在接触传热的结构分析与设计中扮演着越来越重要的角色, 关于接触热阻的理论、计算和实验研究已经有了大量的文献报道。在理论研究方面通常都采用理想化的单点接触模型或者多点接触模型进行理论分析, 而在实际测试中, 还未有对采用锁紧结构的模块结构件与机箱导轨的接触热阻进行测量的。
1 接触热阻测量
1.1 测量原理
在一般情况下, 机箱导轨与模块结构件由于表面粗糙度的影响, 2个固体表面接触时在接触面上只有个别离散的接触点对发生接触, 在这些接触点对上热量采用传导的方式进行传递。在未接触的间隙空间热量是通过空隙流体介质的对流或辐射的方式进行传递的, 这样就在接触面上产生接触热阻, 并由此使得界面两侧的温度出现跳变。
长期以来, 对接触热阻的研究始于对材料界面接触热阻的测量方法。接触热阻是一个受材料物性、机械特性、表面形貌、接触压力、温度、间隙材料等众多因素影响的参数。在实际试验测量情况下接触热阻一般采用公式R= (A·△T) /Q进行计算。式中:R为接触热阻, ℃·m2/W;A为接触面积, m2;Q为功耗, W;△T为两界面温差, ℃。
1.2 接触热阻测量
模块按散热方式一般分为传导模块、风冷模块和液冷模块。一般而言, 传导和液冷模块中芯片的传热主要途径为:芯片→导热垫→模块结构件→机箱导轨→机箱内翅片→机箱内冷却介质, 如图1所示。其中每一个接触面均存在接触热阻。
结合图1建立了接触热阻测试系统, 主要测试液冷机箱导轨与模块结构件的接触界面的接触热阻。测试系统主要由液冷机箱、电子模块、液冷循环系统组成和多点测温仪组成。采用的液冷机箱内电子模块主要由结构件、2块PCB、锁紧条、导热垫等组成, 在PCB上均布发热电阻。在模块锁紧侧与机箱导轨接触面两侧上布置K型热电偶。其中机箱及模块结构件材料为6061铝合金, 结构件接触面粗糙度为Ra1.6。模块结构件与机箱导轨接触面面积为195 mm×6.5 mm。在锁紧条与机箱导轨接触界面间填充绝热材料 (本次试验不对模块锁紧力矩进行测试, 采用CALMARK可视锁紧条, 在可视锁紧装置全部陷入后不能转动即认为锁紧) 。
2 试验结果与分析
试验测试了不同功耗下模块与机箱导轨接触处温度, 芯片功耗通过模块与机架相接触的上、下导轨传导至机架, 在计算中采用均分的方法, 将芯片热量平均分配到上、下导轨与模块接触面上。根据实际情况分别计算出上、下导轨与模块接触界面的接触热阻。测试及计算结果见表1。
经计算模块与机箱导轨的接触热阻随着功耗的增加总体趋势为减小, 但是波动较小, 这是由于功耗越高、温度越高则通过模块结构件及界面间隙的热辐射效应越明显, 因而模块内有部分热量通过模块结构件的辐射散热出去, 从而影响了接触热阻。
模块与机箱上导轨接触平均值为0.000 592 49℃·m2/W, 与下导轨接触热阻平均值为0.000 472 097℃·m2/W, 上导轨接触热阻在全功耗内高于下导轨。由于模块在插入机箱后随重力下落, 在机箱设计中模块与机箱上下侧板的间隙一般为均等的, 但由于重量作用, 模块与机箱下侧板的间隙小于与上侧板的间隙。从而导致模块与下侧板导轨接触面积大于与上侧板接触面积。在计算中由于热量均分为由上下侧板传导至机箱, 因此接触面积大的下导轨接触热阻较小。
摘要：通过对电子设备模块内芯片的传热路径分析, 建立了模块结构件与机箱导轨接触热阻测试系统, 测量并计算出模块结构件与机箱导轨之间的接触热阻, 并且得出在工程实际中6061铝合金固体—固体界面间接触热阻与模块功耗的关系, 为后续设计计算、仿真提供了依据。
关键词：接触热阻,6061铝合金,测试
参考文献
[1]张平, 宣益民, 李强.界面接触热阻的研究进展[J].化工学报, 2012, 63 (2) :335-349.
[2]徐圣亚, 洪国同.真空低温下螺钉压紧的Cu-Cu界面间接触热阻的实验研究[J].真空与低温, 2010, 16 (3) :153-156.
[3]秦灏卿.LRM增强传热结构研究[J].电子机械工程, 2012, 28 (3) :24-26.
[4]ASTM.Astm D5470-06:standard test method for thermal transmission properties of thermally conductive electrical insulation materials[S].America:ASTM International, 2006.
接触测量 篇8
受电弓滑板位于弓头顶部并且直接在接触线上通过滑动来采集电流。为保证滑板均匀磨耗, 接触网相对于轨道拉出布置。但有时候在滑板上会观察到一些局部磨耗。可以认为, 接触线和滑板之间的打火是产生此类磨耗的一个原因。在某些情况下, 上述磨耗会使接触线进入滑板上的相同位置。当这种情况发生时, 局部磨耗很可能会演变成沟槽磨耗。带有沟槽磨耗的滑板会在横向推、拉接触线, 导致接触线产生过大的应力。在恶劣工况下, 会导致受电弓和接触线的破坏。
为防止此类事故的发生, 笔者提出通过在接触线上布置传感器从而探测沟槽磨耗的方法[1]。滑板上的沟槽磨耗会使接触线产生垂向和横向振动。在一些试验中, 我们通过采集接触网振动信号, 探讨了沟槽磨耗的探测方法。
2 试验装置
利用日本铁道综合技术研究所 (RTRI) 的集电试验设备进行试验研究。试验装置示意图见图1。受电弓安装在车上, 车辆可沿400 m长的试验线路运行, 借助于直流线性电机能够达到200km/h的运行速度。车辆在加速区段加速, 在70m长的滑行区段滑行, 在制动区段通过涡流制动很快减速。在上述情况下, 车辆最高运行速度为130km/h。试验线安装了一个简单的接触网系统。吊弦间距约5 m, 并且用支柱支撑吊线, 支柱间距50m。在第11个支柱和第21个支柱处的接触线拉出布置为向左100 mm, 向右380mm。在第16个支柱处不设拉臂。在图1所示的 (1) ~ (5) 处布置了垂向和横向加速度计。加速度计安装示意图见图2。此外, 在第16个支柱和第21个支柱之间的第5根吊弦上横向水平安装1个电位计, 用于测量吊弦的横向位移。接触网系统的张力以及通过张力计算得出的每根线的波速见表1。
针对在商业运营线路上运用的带有沟槽型磨耗的单臂受电弓滑板, 以及无磨耗的滑板, 进行了试验。图3给出了受电弓弯曲侧弓头滑板沟槽型磨耗测量结果。伸展侧弓头滑板沟槽型磨耗情况与图3类似。由图3可以定义左右侧的磨耗类型。滑板左侧的磨耗是在车辆实际运行过程中造成的, 滑板右侧的2个沟槽型磨耗是人为加工出来的。下文探讨因沟槽型磨耗导致滑板破坏都是以图3所示左侧沟槽型磨耗为研究对象。
3 沟槽型磨耗探测方法
带有沟槽型磨耗的受电弓滑板以2.9km/h速度沿接触线滑动时, 接触线的振动响应见图4。由图4可知, 滑板带有沟槽型磨耗的受电弓通过测量区段时会产生明显的振荡。
(1) 当接触线从沟槽型磨耗的顶部运动至底部时, 可以观测到接触线垂向和横向加速度信号产生脉冲现象 (见图4 (a) ) 。
(2) 当接触线从底部运动至顶部时, 发现接触线横向发生自振。
通过研究上述2种情况下的波形, 可以获得探测沟槽型磨耗的方法。
3.1 运动至沟槽型磨耗凹坑时的接触线探测
在本节探讨根据接触线垂向和横向加速度脉冲探测滑板沟槽型磨耗的方法。上述脉冲是由接触线从沟槽型磨耗滑板顶部滑向底部造成的。由以下公式定义的接触线峰值加速度适用于此类性能探测。
在评估离散信号aj的对中趋势时, 可以通过下式计算测量信号的平均值:
为了评估信号的变化程度, 可以按照下面的方法计算标准差σj:
在对上式进行扩展时, 可以利用由统计方法得出的峰值Kj:
峰值一般定义为随机变量的四阶原点矩与方差平方的比值。一般来说, 峰值是峰度的指数。正态分布的峰值等于3。峰值平均值越高, 就意味着比正态分布的峰度越高。峰值平均值越低, 意味着比正态分布的峰度越低。可以认为, 由垂向和横向加速度的峰值就可以找到接触线从滑板沟槽型磨耗顶部运动至底部时所形成的脉冲波形。
在处理加速度信号以前, 为降低计算量, 对采样样本的采样频率从2 000 Hz降至100 Hz。本文利用式 (3) 计算垂向和横向加速度的峰值, 其中N取100。垂向和横向加速度峰值的阀值水平设置为16。对所有的垂向加速度和所有的横向加速度进行上述计算。全部加速度峰值和阀值水平设置为12。共11种峰值被应用于沟槽型磨耗的探测。对几种传感器输出信号进行组合的方法详见3.4节。
3.2 从沟槽型磨耗底部运动至顶部的接触线探测
当接触线从沟槽型磨耗的底部运动至顶部时, 可以观测到接触线的横向自由振动的衰减过程。本节利用接触线的横向自由振动寻求检查沟槽型磨耗的探测方法。在高频区域, 因振型的复杂性, 测量的加速度取决于测量点数。故将探测的目标频率锁定在低频区域。利用带通滤波器, 保留接触线横向自由振动的固有频率, 去除接触线垂向自由振动的固有频率后, 再来观察因沟槽型磨耗导致的接触线横向自由振动将是非常有效的。
在确定初期测量频率范围的试验中, 实施了垂向激振试验和横向激振试验。例如, 图1所示第 (3) 点处接触线加速度功率谱如图5所示。由图5 (a) 可知, 接触线垂向振动的最低固有频率为1.1Hz。该频率与作为半波长度达50m跨度所对应的频率是一样的。上述频率按下面公式计算:
由图5 (b) 可知, 接触线横向振动的最低固有频率为0.7Hz。该频率与2个跨度即支柱11和支柱21间所对应的频率大致相等, 与半波长度对应。上述频率按下面公式进行计算:
由于承力索在第16个支柱处加以支撑, 故接触线在第16个支柱处不是完全无约束的, 这将导致接触线一阶固有频率测量值和计算值之间产生差异。
从以上结果可知, 用带通滤波器 (0.5 Hz~0.8Hz) 对加速度信号处理后, 能更有效地观测出规定接触网条件下的接触线横向一阶自由振动。针对由带通滤波器获得的波形, 用式 (2) 计算标准偏差。筛去标准偏差超过阀值水平的情况后, 就可以使用剩余的数据探测沟槽型磨耗。
为降低计算量, 在处理加速度信号以前, 将采样频率2 000Hz的数据进行200Hz采样处理。本文中, 利用式 (2) 计算横向加速度标准偏差时N取200。横向加速度标准偏差的阀值水平设置为0.05 m/s2。针对所有的横向加速度进行上述相同的计算, 并把所有结果的标准偏差阀值水平设定为0.1m/s2。共用6类标准偏差来探测沟槽型磨耗。对一些传感器输出信号进行组合的计算方法详见3.4节。
3.3 利用吊弦横向位移探测接触线移动到沟槽型磨耗顶部
本节探讨利用吊弦横向位移测量结果估算接触线横向自由振动, 从而探测沟槽型磨耗的方法。当计算吊弦离散的横向位移xi′时, 可以借助于下面的式子得到信号的平均值珚xi′。
在计算信号xi′的偏差时, 其标准偏差σi′算法如下:
在处理吊弦的位移信号之前, 将采样频率2 000Hz的数据进行200Hz采样处理。在此项研究中, 本文利用式 (7) 计算吊弦位移标准偏差时, N取200。吊弦位移标准偏差的阀值水平被设定为7mm。无需使用前面提到的带通滤波器来处理2跨对应的半波长低频振动, 因为吊弦的横向位移是对加速度进行2次积分的结果。因此, 该探测方法不必使用3.2节的滤波器。
3.4 传感器输出积分方法
许多探测信号都是使用3.1节传感器的输出结果计算出来的。因此需要对探测结果进行组合, 以评估滑板的接触状态。另外, 还对3.2节的探测结果进行了组合处理。对传感器输出进行组合的方法见图6。
图6 (a) 给出了接触线从沟槽顶部运动至沟槽底部的组合探测方法 (见3.1节) 。针对当1个或1个以上加速度计峰值超出阀值水平时, 以及垂向加速度总值的峰值和横向加速度总值的峰值超过阀值水平时的情况, 设计了探测沟槽型磨耗的逻辑处理过程。传感器之间存在时间延迟, 这取决于传感器的布置情况。另外, 由于必须探测脉冲输入, 故峰值超过阀值的时间会非常短暂。因此, 众多传感器输出结果很难在同一时间超出阀值水平, 并且由于存在时间延迟, 对探测结果进行逻辑“与”计算经常出错。一旦传感器探测到沟槽磨耗, 将把该探测结果保留一段时间, 时间长短正好等于由接触线的波速除传感器间隔后得出的时间。
图6 (b) 给出了接触线从沟槽型磨耗底部运动至顶部时的组合探测方法。针对当3个或3个以上加速度计标准偏差超出阀值水平时, 以及横向加速度总值标准偏差超出阀值水平时的情况, 设计了探测沟槽型磨耗的逻辑处理过程。
4 试验结果
试验结果见图7~图9。每个图的顶部给出了位置编号、2个横向加速度、2个垂向加速度以及吊弦横向位移的测量结果。每个图在中间位置给出了当接触线从沟槽顶部移动至底部时的测试数据, 包括2个垂向加速度的峰值、全部垂向加速度的峰值、2个横向加速度的峰值、全部横向加速度的峰值和峰值的组合探测结果。每个图在偏下位置给出了接触线从沟槽底部移动至顶部时的测试数据处理结果, 包括2个横向加速度带通滤波后的结果、2个横向加速度滤波后的标准偏差、全部横向加速度滤波后的标准偏差, 横向加速度的组合探测结果, 吊弦横向位移的标准偏差, 以及吊弦横向位移标准偏差的探测结果。滑板沟槽型磨耗受电弓以3.6km/h运行时的测量结果见图7。在该工况下, 在57s处, 接触线从沟槽顶部移动至底部。在80s处, 接触线从沟槽底部移动至顶部。上述结果表明, 本文所提出的3种测量沟槽型磨耗的方法都是可行的。
新滑板受电弓和无沟槽型磨耗的受电弓以121km/h速度运行时的测量结果见图8。结果表明, 本文所提出的3种测量滑板沟槽型磨耗的方法不会产生误判。
装有沟槽型磨耗滑板的受电弓以120km/h运行时的测量结果见图9。在该工况下, 可以看到在3.6s处接触线从沟槽顶部移动至底部, 在3.9s处, 接触线从沟槽底部移动到顶部。从试验结果可以看出, 根据横向加速度滤波后得出的标准偏差和吊弦横向位移的标准偏差, 就能探测出接触线何时从沟槽底部移动至顶部。不同条件下试验100次后, 发现上述两种探测方法都没有发生误判。然而, 在该工况下, 加速度峰值探测法则漏判了接触线从沟槽顶部移动至底部的过程。一个主要原因是接触线从沟槽顶部移动至底部时的冲击与高速情况下的其他外力相比太小, 脉冲信号被其他信号淹没了。因此, 为了提高监控系统的可靠性, 必须组合使用几种探测方法。对接触线从沟槽顶部移动至底部的探测方法还有待于进一步研究。
试验期间出现的吊耳缺口和接触线擦伤见图10。本文所建议的方法对于防止此类擦伤是非常有用的。
5 结论
为防止受电弓滑板沟槽型磨耗导致事故的发生, 本文作者通过在接触线上布置传感器对其进行了试验研究。试验是在RTRI的集电试验设备上进行的。最终所提出的探测方法适用的受电弓最高运行速度为130km/h。得出结论如下:
(1) 峰值加速度法能够探测接触线何时从沟槽型磨耗滑板的沟槽顶部移动至底部。但是, 该方法会漏判受电弓高速运行时的滑板沟槽型磨耗。
(2) 可以利用横向加速度滤波后得出的标准偏差, 以及吊弦横向位移的标准偏差探测接触线何时从沟槽底部移动至顶部。
(3) 本文所提出的探测方法不会误判沟槽型磨耗。
本文所提出的探测算法中, 某些参数的最优值与受电弓运行速度息息相关, 这也是今后开展相关研究所面临的最大挑战。
参考文献