超声波法在电连接器接触压力测试中的应用

骆燕燕， 冯郁竹， 郝 良， 刘昕昊， 刘 硕

(1.河北工业大学 电气工程学院 电磁场与电器可靠性省部共建重点实验室， 天津 300130； 2.国家电网 北京市电力公司， 北京 100031)

1 引 言

电连接器是用来实现电气和信号通断的基础元件，广泛应用于航空、航天、国防等军用和民用系统中，其可靠性的高低对电气设备的性能好坏、系统的安全可靠运行有重要的影响[1]。

电连接器的可靠接触是通过接触件间稳定的接触压力实现的，接触压力是电连接器的重要性能指标之一。由于结构特点及接触件(插针与插孔)过盈配合的插合方式，电连接器接触压力的测量存在较多困难。

接触压力的传统测试方法主要有以下几种[2～8]：(1)用测克砝码加上标准插针来检测接触压力，这实际上是检测摩擦力而得到压力值，准确度和精度都不太理想；(2)通过传感器元件测量(如压敏元件、力敏元件等)，不能实现极小量程的测量，操作相对繁琐，且对检测件有一定的“破坏”作用；(3)间接测量方法，如通过测量插孔的应变量，再由接触压力与接触应变间的关系得到接触压力；(4)采用先进的光学方法测量，如用激光散斑干涉法测量电连接器“镰刀型”接触簧片接触压力，其测量足够准确但是测试操作步骤较复杂。

借鉴超声波法在厚度、流量、位移检测及无损探伤等方面的成功应用经验[9,10]，本文用超声波法测试电连接器的接触压力，以解决封闭式紧密配合的电连接器接触件接触压力的无损检测技术问题。

2 接触压力的超声波法检测原理

2.1 超声波波速与应力的关系

在弹性体中传播，超声波的传播速度只与材料的力学性能有关，材料的应力发生变化，相应地超声波波速发生改变[11]。由于连接器接触件间的接触压力主要表现在径向方向上，且考虑到超声波衰减度和对应力的灵敏度，本文选择纵波法进行测试。

超声波纵波在介质中的传播速度V与应力σ间关系为[12～14]：

(1)

式中：V为超声波纵波传播波速；ρ0为超声波传播介质在不受应力情况下的密度；λ、μ为材料的二阶弹性系数；l、m为三阶弹性系数。

若式(1)中的应力值等于零，就可得到被测固体材料没有应力存在时的超声波纵波波速：

(2)

将式(2)代入式(1)，进行恒等变形后可得：

(3)

式(3)中，二阶弹性系数与三阶弹性系数均为常数，则有：

(4)

式中：

对式(4)两边求导可得：

(5)

式(5)即是应力变化引起超声波速度变化的关系表达式。通常情况下，V和V0是近似相同的，故可将波速变化视为一阶无穷小，则式(5)便可简化为：

(6)

由式(6)可见，超声波传播速度的改变与传播介质中应力的变化量成正比，应力的大小与外界施加压力大小成正比，因此可知，压力增加，应力增大，超声波传播速度加快；反之，应力减小时，超声波的传播速度会降低。如果让超声波在被测物体中沿固定的路径传播，则根据在同一路程内超声波传播速度和时间的反比关系，式(6)可写为：

(7)

式中：k为常数；t0为插针未插入时超声波的传播时间；dt为插针插入插孔前后检测得到的超声波纵波传播时间差值。

由式(7)可知，测出超声波在物体中传播时间的变化量，即可求得传播介质中的应力变化。

2.2 应力与接触压力的关系

本文所用的电连接器插孔为劈槽式结构，插孔孔壁前端由4道纵向劈槽平均分成4个接触簧片，如图1所示。插孔前端设计为缩口结构，使连接器的插针与插孔间有足够大的接触压力，因此，插孔中会产生接触应力。

图1 插孔接触件实物图

依据材料力学相关理论，插孔中单个接触簧片可简化为集中受力的悬臂梁结构，如图2所示。

图2 插孔单个接触簧片的悬臂梁简易模型

接触件间接触压力与应力间的关系为[15]：

(8)

式中：F为插孔与插针间的接触压力，N；σ为接触应力，MPa；L为插孔接触簧片长度，mm；W为插孔接触簧片的宽度，mm；H为插孔接触簧片的厚度，mm。

由式(7)、式(8)可知，若能测出超声波在连接器接触件中传播时间的变化量，就可以求得接触件间的接触压力值。

3 测试电路设计

依照超声波检测的理论，本文设计了电连接器接触压力的测试电路，基本原理图如图3所示。

图3 连接器接触压力测试电路原理图

连接器接触压力的超声波检测电路中，单片机控制驱动电路工作，输出驱动信号(负的高压尖脉冲/幅值较大的窄脉冲)，激发超声波信号发生器产生超声波信号；超声波信号经连接器返回的信号由超声波信号接收器接收，并通过示波器显示。

超声波的发生器与接收器均为超声波换能器，超声波的发生器可将其他形式的能量(如机械能、电磁能、光能等)转变为超声振动能量，向电连接器接触件插孔中发射；反射的超声波信号由超声波接收器接收，并通过逆压电效应被转换为便于处理的电信号；最后通过示波器进行显示，由检测信号波形测算时间。超声波频率越低，波长越长，衰减率越低，但也可能会导致信噪比较低，所以本试验选用频率为2.5 MHz的超声波探头进行测试。

4 实验数据及分析

依照GJB 1217—91《电连接器试验方法》中规定的试验标准大气条件，本文对某型号电连接器不同型谱的接触件接触压力的测试结果如表1所示。

由表1可见，不同型谱的电连接器可按其插孔的直径分为4类；该结构参数会直接影响接触压力值的大小，即随插孔直径的减小，接触压力也有所降低；但同一型谱的电连接器不同接触件的接触压力存在一定的分散性。在排除测试误差后，这种现象可主要归结为加工后插孔接触簧片与插针实际配合的非对称性和差异性，如图4所示。

由图4可见，理想设计模型中，插孔由劈槽平均分成4个接触簧片，槽宽相等，接触簧片成中心对称分布。而实际上，即使同一型谱产品中(图4(b))不同插孔的尺寸存在一定差异，甚至同一插孔不同劈槽的宽度，不同接触簧片相对孔心的位置都存在微小的偏差。在电连接器正常使用初期，这种状况造成的插针与插孔间配合的微小差异可能不会引发电接触失效；但长期使用过程中，由于接触件间微动现象的存在，尤其是经历若干次插拔操作后，这种微小的差异很可能造成插针插孔磨损的不一致性，从而成为电接触失效的隐患区。

图4 3针圆形电连接器接触件缩口处插孔状态示意图

5 试验方法的验证

为了验证该超声波法的正确性和实用性，本文利用SDY2102E型动静态应变仪测试了3针、4针连接器试品插孔的应变值，通过集中受力悬臂梁模型关系式(9)可求得连接器接触压力，

表1 电连接器接触压力测试结果

(9)

式中：F为插孔与插针间的接触压力，N；L为插孔接触簧片长度，mm；E为插孔接触簧片弹性模量，MPa；i为离插孔接触簧片根部的距离,mm；Wi为插孔接触簧片i处的抗弯模量,mm3；εi为插孔接触簧片i处的应变。

将其与表1测试结果进行了对比分析，见表2。

表2 两种方法接触压力测试结果对比

由表2可见，两种测试方法的测试数据比较相近，均能有效地测试出连接器接触压力值。而在多针连接器检测中，超声波法操作更为便捷。

6 结 论

本文利用超声波测试原理对电连接器接触件接触压力进行了测试研究。实验结果表明：

(1)超声波检测法可实现电连接器接触件接触压力的无损检测，不会对被检测对象(接触件)紧密接触的实际工作状态造成破坏。

(2)不同型谱的电连接器接触压力值与接触件的结构参数相关，随插孔直径的减小，接触压力有所降低；但同一型谱的电连接器不同接触件的接触压力也存在一定的分散性。这种分散性可能成为导致接触失效的隐患之一。

本文提出的方法可为电连接器产品型式检验以及电接触性能退化研究中试验前后试品接触压力测试提供一种辅助手段。若能克服超声波发生器、接收器探头尺寸的限制以及测试精度受温度影响较大的局限性，该方法可以对工作状态下的电连接器接触压力进行实时检测研究。

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