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接触电阻测试系统的研制 |
摘 要：接触电阻是用来表示元器件接触点之间好坏的标准之一，所以接触电阻的测量必不可少，本文对接触电阻测试仪的研制进行了阐述，详细介绍了系统的各部分组成以及各部分所完成的功能。 关键词：接触电阻 四点法 模数转换 串口通信 1.引言 在电子、通信或电力系统中，不仅元件之间、电路之间、设备之间乃至元件内部都需要可靠的电子连接[1]。但由于导体界面处于不同的大气环境中，经常覆盖着不同气体的氧化层或电化学腐蚀层，从而使接触状态复杂化[2]，增加了接触面间的接触电阻值，影响了接触性能，所以，为了研究触点的可靠性，接触电阻的测量必不可少。微动电阻测试仪硬件电路部分主要是采用LM1458、ICL7135等芯片完成接触电阻的测量。电阻测试仪的精度为四位半，量程2V/2Ω,精度0.1mV/ 0.1mΩ。LM1458是双运算放大器，它的作用是将实际测量的电压值进行放大，并输出给ICL7135芯片。ICL7135芯片用来完成A/D转换，将传递过来的数据由模拟量转换成数字量，并由五位数码管动态显示所测电阻值。 2. 接触电阻测试系统的研究 2.1 测量原理 贵金属电触点材料接触电阻的测量方法参照国家标准GB/T 15078-1994贵金属电触点材料接触电阻的测量方法[3]，采用四点法测量，由于四点法测量接触电阻采用20mA/100mA的恒流源，故测量接触电阻的实质是测量微动接触电压。四点法接触电阻的测量原理见图1。  图1 四点法测量接触电阻原理图 图1所测电阻即为触头和样片接触时的电阻，其中的恒流源用来为接触区域提供电流IC，电压表用来测量P+和P-之间的电压VC，由于电压表内阻相对于所测接触电阻来说相当大（一般的接触电阻大于100m的话就属于高阻），所以电压表上分得的电流可以忽略不计，可以认为电压表所测电压VC即为P+和P-之间的电压值，从而电压VC与电流IC的比值即为电阻值。但由于触点和样片的接触区域非常小，按图中的接线得到的是P+和P-之间的电阻值。为了使测得的数据尽量接近真实的接触电阻值，应使得P+接线端尽量靠近触头与样片的接触区域。 2.2 硬件结构 2.2.1放大电路：  图2 接触电阻测量系统放大电路 电路图中有两个LM1458芯片，P+和P-分别接被测电阻两端（如图1），经过图2放大电路后的输出电压为：  由于R1、R2为固定值（R1=2K，R2 =1K）,所以要想使输出电压放大50倍或10倍，只能改变可调电阻R3的阻值来控制放大倍数。通过计算可知，R385时输出电压放大50倍，R3470时输出电压放大10倍。 2.2.2 模数转换和数码管驱动电路 模数转换部分是核心部分，本系统选用ICL7135芯片进行A/D转换，将测得的电压值经过模数转换后以数字的形式显示出来。ICL7135芯片要求120KHz时钟输入。我们选用3.840M晶体振荡器，晶振的3.840M频率通过HCF4060BE芯片进行32分频后得到120KHz的频率。 ICL7135芯片实现A/D转换的接线如图3所示。  图3 ICL7135芯片A/D转换接线图[5] 数码管采用动态显示，可以大幅度地降低硬件成本和电源的功耗。ICL7135芯片的输出有D1（LSD）～D5（MSD）五位位选信号输出和B1、B2、B4、B8四位BCD码输出。五位位选信号输出与驱动器（MC1413）连接，驱动五个数码管，用来选中某一位，四位BCD码输出与BCD—七段十进制锁存器（MC14513）连接，使数码管显示所选中的某一位的数据。 同时，ICL7135芯片的选通信号（STROBE）、忙信号（BUSY）和D1（LSD）～D5（MSD）五位数字驱动信号以及B1、B2、B4、B8四位BCD码可以送入串行接口，与计算机相连，即时存储及处理数据。 本毫伏毫欧表精度为四位半，因此有五位读数，精确到小数点后一位。采用并行LED数码管动态扫描显示电路（共阴极）驱动数码管。 2.2.3整流与稳压源部分 整流与稳压源部分为A/D转换芯片ICL7135提供+5V和-5V的参考电压。原理图如图4所示。  图4 整流与稳压源原理图 通过变压器，220V交流电调整为10V交流电，经过桥式整流，供给稳压源。+10V供给MC7805，经过电平转换输出+5V；-10V供给MC7905，经过电平转换输出-5V。 3. 硬件系统与PC机接口 本文采用RS232协议并通过uP51C单片机学习板来实现串口通信，单片机核心部分为AT89S51。 计算机与计算机或计算机与终端之间的数据传送可以采用串行通讯和并行通讯二种方式。由于串行通讯方式具有使用线路少、成本低，特别是在远程传输时，避免了多条线路特性的不一致而被广泛采用。在串行通讯时，要求通讯双方都采用一个标准接口，使不同 的设备可以方便地连接起来进行通讯。 RS-232-C接口（又称 EIA RS-232-C）是目前最常用的一种串行通讯接口。 AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含4k Bytes ISP（In-system programmable）的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元[6]。 3.1 uP51C单片机介绍 uP51C单片机核心部分AT89S51管脚图见图5所示。  图5 AT89S51管脚图 ICL7135的STROBE与P3.2口连接，低电平触发，BUSY 接到P2.0口，4个BCD信号分别接到P1.0 、P1.1、 P1.2、 P1.3，4个位选信号分别接到P1.4 、P1.5、 P1.6、P1.7 ，单片机与毫伏表共地。 3.2 传输数据的自定义格式 计算机一个字节只有8位，而我们需要传输的有效位是9位：4个BCD 码和5个位选信号，为此我们通过软件编码，将5个位选信号转化为4个BCD码，放在被传输字节的高4位，低4位用来存放显示的数值。 5个位选信号转化成4个BCD码的真值表见表1。  4. PC机软件开发 本文采用VB6.0来实现PC机界面的软件编程。Visual Basic 的串行通信对象是将RS232 的低级操作予以封装，用户以高级的BASIC语法即可以利用232与外界通信[7]。软件编程流程图见图6。  图6 软件编程流程图 5.对研制的本系统进行测试 对研制出的本系统进行实际接触电阻测试，测试结果见图7。（被测样片为经过SO2腐蚀后的纯铜样片）  图7 实际接触电阻测试 根据图片分析，腐蚀后的铜片经过一定周期的微动过程将SO2腐蚀膜层磨去，并且一直保持在几个毫欧，结合电接触理论的一些过往的结果[8]，可以认为这次的测试结果是正确的，测试系统可以完成一定精度的测试任务。 6.结论 本文主要详述了接触电阻测量系统，包括硬件部分、接口部分和PC机软件编程部分。实现了对接触电阻的实时测量以及数据的记录和后期处理，并对系统进行了实际测试，验证了其可行性，为研究连接器的接触性能提供了很好的工具。 |