接觸電阻作用原理

在顯微鏡下觀察連接器接觸件的表面，盡管鍍金層十分光滑，則仍能觀察到5-10微米的凸起部分。會(huì)看到插合的一對(duì)接觸件的接觸，并不整個(gè)接觸面的接觸，而是散布在接觸面上一些點(diǎn)的接觸。實(shí)際接觸面必然小于理論接觸面。根據(jù)表面光滑程度及接觸壓力大小，兩者差距有的可達(dá)幾千倍。實(shí)際接觸面可分為兩部分；一是真正金屬與金屬直接接觸部分。即金屬間無過渡電阻的接觸微點(diǎn)，亦稱接觸斑點(diǎn)，它是由接觸壓力或熱作用破壞界面膜后形成的。部分約占實(shí)際接觸面積的5-10%。二是通過接觸界面污染薄膜后相互接觸的部分。因?yàn)槿魏谓饘俣加蟹祷卦趸餇顟B(tài)的傾向。實(shí)際上，在大氣中不存在真正潔凈的金屬表面，即使很潔凈的金屬表面，一旦暴露在大氣中，便會(huì)很快生成幾微米的初期氧化膜層。例如銅只要2-3分鐘，鎳約30分鐘，鋁僅需2-3秒鐘，其表面便可形成厚度約2微米的氧化膜層。即使特別穩(wěn)定的貴金屬金，由于它的表面能較高，其表面也會(huì)形成一層有機(jī)氣體吸附膜。此外，大氣中的塵埃等也會(huì)在接觸件表面形成沉積膜。因而，從微觀分析任何接觸面都是一個(gè)污染面。

綜上所述，真正接觸電阻應(yīng)由以下幾部分組成

接觸電阻1) 集中電阻

電流通過實(shí)際接觸面時(shí)，由于電流線收縮（或稱集中）顯示出來的電阻。將其稱為集中電阻或收縮電阻。

接觸電阻2) 膜層電阻

由于接觸表面膜層及其他污染物所構(gòu)成的膜層電阻。從接觸表面狀態(tài)分析；表面污染膜可分為較堅(jiān)實(shí)的薄膜層和較松散的雜質(zhì)污染層。故確切地說，也可把膜層電阻稱為界面電阻。

接觸電阻3) 導(dǎo)體電阻

實(shí)際測(cè)量電連接器接觸件的接觸電阻時(shí)，都是在接點(diǎn)引出端進(jìn)行的，故實(shí)際測(cè)得的接觸電阻還包含接觸表面以外接觸件和引出導(dǎo)線本身的導(dǎo)體電阻。導(dǎo)體電阻主要取決于金屬材料本身的導(dǎo)電性能，它與周圍環(huán)境溫度的關(guān)系可用溫度系數(shù)來表征。

為便于區(qū)分，將集中電阻加上膜層電阻稱為真實(shí)接觸電阻。而將實(shí)際測(cè)得包含有導(dǎo)體電阻的稱為總接觸電阻。

在實(shí)際測(cè)量接觸電阻時(shí)，常使用按開爾文電橋四端子法原理設(shè)計(jì)的接觸電阻測(cè)試儀（毫歐計(jì)），其專用夾具夾在被測(cè)接觸件端接部位兩端，故實(shí)際測(cè)量的總接觸電阻R由以下三部分組成，可由下式表示：

R= RC Rf Rp,式中：RC—集中電阻；Rf—膜層電阻；Rp—導(dǎo)體電阻。

接觸電阻檢驗(yàn)?zāi)康氖谴_定電流流經(jīng)接觸件的接觸表面的電觸點(diǎn)時(shí)產(chǎn)生的電阻。如果有大電流通過高阻觸點(diǎn)時(shí)，就可能產(chǎn)生過分的能量消耗，并使觸點(diǎn)產(chǎn)生危險(xiǎn)的過熱現(xiàn)象。在很多應(yīng)用中要求接觸電阻低且穩(wěn)定，以使觸點(diǎn)上的電壓降不致影響電路狀況的精度。

除用毫歐計(jì)外,也可用伏-安計(jì)法，安培-電位計(jì)法。

在連接微弱信號(hào)電路中，設(shè)定的測(cè)試數(shù)條件對(duì)接觸電阻檢測(cè)結(jié)果有一定影響。因?yàn)榻佑|表面會(huì)附有氧化層，油污或其他污染物，兩接觸件表面會(huì)產(chǎn)生膜層電阻。由于膜層為不良導(dǎo)體，隨膜層厚度增加，接觸電阻會(huì)迅速增大。膜層在高的接觸壓力下會(huì)機(jī)械擊穿，或在高電壓、大電流下會(huì)發(fā)生電擊穿。但對(duì)某些小型連接器設(shè)計(jì)的接觸壓力很小，工作電流電壓僅為mA和mV級(jí)，膜層電阻不易被擊穿，接觸電阻增大可能影響電信號(hào)的傳輸。

在GB5095“電子設(shè)備用機(jī)電元件基本試驗(yàn)規(guī)程及測(cè)量方法”中的接觸電阻測(cè)試方法之一，“接觸電阻-毫伏法” 規(guī)定，為防止接觸件上膜層被擊穿，測(cè)試回路交流或直流的開路峰值電壓應(yīng)不大于20mV，交流或直流的測(cè)試中電流應(yīng)不大于100mA。

在GJB1217“電連接器試驗(yàn)方法”中規(guī)定有“低電平接觸電阻” 和“接觸電阻”兩種試驗(yàn)方法。其中低電平接觸電阻試驗(yàn)方法基本內(nèi)容與上述GB5095中的接觸電阻-毫伏法相同。目的是評(píng)定接觸件在加上不改變物理的接觸表面或不改變可能存在的不導(dǎo)電氧化薄膜的電壓和電流條件下的接觸電阻特性。所加開路試驗(yàn)電壓不超過20mV，試驗(yàn)電流應(yīng)限制在100mA。在這一電平下的性能足以表現(xiàn)在低電平電激勵(lì)下的接觸界面的性能。而接觸電阻試驗(yàn)方法目的是測(cè)量通過規(guī)定電流的一對(duì)插合接觸件兩端或接觸件與測(cè)量規(guī)之間的電阻。通常采用這一試驗(yàn)方法施加的規(guī)定電流要比前一種試驗(yàn)方法大得多。如軍標(biāo)GJB101“小圓形快速分離耐環(huán)境電連接器總規(guī)范”中規(guī)定；測(cè)量時(shí)電流為1A，接觸對(duì)串聯(lián)后，測(cè)量每對(duì)接觸對(duì)的電壓降，取其平均值換算成接觸電阻值。

主要受接觸件材料、正壓力、表面狀態(tài)、使用電壓和電流等因素影響。

接觸電阻1) 接觸件材料

電連接器技術(shù)條件對(duì)不同材質(zhì)制作的同規(guī)格插配接觸件，規(guī)定了不同的接觸電阻考核指標(biāo)。如小圓形快速分離耐環(huán)境電連接器總規(guī)范GJB101-86規(guī)定，直徑為1mm的插配接觸件接觸電阻，銅合金≤5mΩ,鐵合金≤15mΩ。

接觸電阻2) 正壓力

接觸件的正壓力是指彼此接觸的表面產(chǎn)生并垂直于接觸表面的力。隨正壓力增加，接觸微點(diǎn)數(shù)量及面積也逐漸增加，同時(shí)接觸微點(diǎn)從彈性變形過渡到塑性變形。由于集中電阻逐漸減小，而使接觸電阻降低。接觸正壓力主要取決于接觸件的幾何形狀和材料性能。

接觸電阻3) 表面狀態(tài)

接觸件表面一是由于塵埃、松香、油污等在接點(diǎn)表面機(jī)械附著沉積形成的較松散的表膜，這層表膜由于帶有微粒物質(zhì)極易嵌藏在接觸表面的微觀凹坑處，使接觸面積縮小，接觸電阻增大，且極不穩(wěn)定。二是由于物理吸附及化學(xué)吸附所形成的污染膜，對(duì)金屬表面主要是化學(xué)吸附，它是在物理吸附后伴隨電子遷移而產(chǎn)生的。故對(duì)一些高可靠性要求的產(chǎn)品，如航天用電連接器必須要有潔凈的裝配生產(chǎn)環(huán)境條件，完善的清洗工藝及必要的結(jié)構(gòu)密封措施，使用單位必須要有良好的貯存和使用操作環(huán)境條件。

接觸電阻4) 使用電壓

使用電壓達(dá)到一定閾值，會(huì)使接觸件膜層被擊穿，而使接觸電阻迅速下降。但由于熱效應(yīng)加速了膜層附近區(qū)域的化學(xué)反應(yīng)，對(duì)膜層有一定的修復(fù)作用。于是阻值呈現(xiàn)非線性。在閾值電壓附近，電壓降的微小波動(dòng)會(huì)引起電流可能二十倍或幾十倍范圍內(nèi)變化。使接觸電阻發(fā)生很大變化，不了解這種非線性變化，就會(huì)在測(cè)試和使用接觸件時(shí)產(chǎn)生錯(cuò)誤。

接觸電阻5) 電流

當(dāng)電流超過一定值時(shí)，接觸件界面微小點(diǎn)處通電后產(chǎn)生的焦耳熱作用而使金屬軟化或熔化，會(huì)對(duì)集中電阻產(chǎn)生影響，隨之降低接觸電阻。

接觸電阻1) 低電

考慮到接觸件膜層在高接觸壓力下會(huì)發(fā)生機(jī)械擊穿或在高電壓、大電流下會(huì)發(fā)生電擊穿。對(duì)某些小體積的連接器設(shè)計(jì)的接觸壓力相當(dāng)小，使用場(chǎng)合僅為mV或mA級(jí)，膜層電阻不易被擊穿，可能影響電信號(hào)的傳輸。故國(guó)家標(biāo)GJB1217-91電連接器試驗(yàn)方法中規(guī)定了兩種試驗(yàn)方法。即低電平接觸電阻試驗(yàn)方法和接觸電阻試驗(yàn)方法。其中低電平接觸電阻試驗(yàn)?zāi)康氖窃u(píng)定接觸件在加上不能改變物理的接觸表面或不改變可能存在的不導(dǎo)電氧化簿膜的電壓和電流條件下的接觸電阻特性。所加開路試驗(yàn)電壓不超過20mV，而試驗(yàn)電流應(yīng)限制在100mA，在這一電平下的性能足以滿足以表現(xiàn)在低電平電激勵(lì)下的接觸界面的性能。而接觸電阻試驗(yàn)?zāi)康氖菧y(cè)量通過規(guī)定電流的一對(duì)插合接觸件兩端或接觸件與測(cè)量規(guī)之間的電阻，而此規(guī)定電流要比前者大得多，通常規(guī)定為1A。

接觸電阻2) 單孔分離力

為確保接觸件插合接觸可靠，保持穩(wěn)定的正壓力是關(guān)鍵。正壓力是接觸壓力的一種直接指標(biāo)，明顯影響接觸電阻。但鑒于接觸件插合狀態(tài)的正壓力很難測(cè)量，故一般用測(cè)量插合狀態(tài)的接觸件由靜止變?yōu)檫\(yùn)動(dòng)的單孔分離力來表征插針與插孔正在接觸。通常電連接器技術(shù)條件規(guī)定的分離力要求是用實(shí)驗(yàn)方法確定的，其理論值可用下式表達(dá)。

F=FN·μ

式中FN為正壓力，μ為摩擦系數(shù)。

由于分離力受正壓力和摩擦系數(shù)兩者制約。故決不能認(rèn)為分離力大，就正壓力大接觸可靠?，F(xiàn)隨著接觸件制作精度和表面鍍層質(zhì)量的提高，將分離力控制在一個(gè)恰當(dāng)?shù)乃缴霞纯杀ＷC接觸可靠。作者在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，單孔分離力過小，在受振動(dòng)沖擊載荷時(shí)有可能造成信號(hào)瞬斷。用測(cè)單孔分離力評(píng)定接觸可靠性比測(cè)接觸電阻有效。因?yàn)樵趯?shí)際檢驗(yàn)中接觸電阻件很少出現(xiàn)不合格，單孔分離力偏低超差的插孔，測(cè)量接觸電阻往往仍合格。

接觸電阻3) 檢驗(yàn)

在許多實(shí)際使用場(chǎng)合，汽車、摩托車、火車、動(dòng)力機(jī)械、自動(dòng)化儀器以及航空、航天、船舶等軍用連接器，往往都是在動(dòng)態(tài)振動(dòng)環(huán)境下使用。實(shí)驗(yàn)證明僅用檢驗(yàn)靜態(tài)接觸電阻是否合格，并不能保證動(dòng)態(tài)環(huán)境下使用接觸可靠。往往接觸電阻合格的連接器在進(jìn)行振動(dòng)、沖擊、離心等模擬環(huán)境試驗(yàn)時(shí)仍出現(xiàn)瞬間斷電現(xiàn)象。故對(duì)一些高可靠性要求的連接器，許多設(shè)計(jì)員都提出最好能100%對(duì)其進(jìn)行動(dòng)態(tài)振動(dòng)試驗(yàn)來考核接觸可靠性。日本耐可公司推出了一種與導(dǎo)通儀配套使用的小型臺(tái)式電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)，已成功地應(yīng)用于許多民用線束的接觸可靠性檢驗(yàn)。

接觸是電刷的終端和電刷在電阻尺的電阻軌道的直接接觸點(diǎn)之間的電阻。接觸電阻是影響電阻尺性能的重要指標(biāo)。接觸電阻由三個(gè)部分組成：

第一部分載流電阻軌道和接觸面之間的整體壓降。這部分在很大程度上取決于加工技術(shù)因素，大概有幾百歐姆。

第二個(gè)部分，，外部元件，這一點(diǎn)要遠(yuǎn)比第一點(diǎn)難以控制。這個(gè)外部過渡電阻和發(fā)生在開關(guān)和插頭和插座連接器之間的接觸電阻有很大的相似之處。從電學(xué)的角度講這是由于之間電刷和電位器電阻軌道之間的過度部分接觸不理想。金屬氧化物，氯化物和硫化物，混合各種有機(jī)物質(zhì)，會(huì)導(dǎo)致在電阻軌道表面行程薄的絕緣層。如果不能保證在一定的范圍內(nèi)，這些額外的電阻在不利的條件下將導(dǎo)致完全超出設(shè)定的公差范圍之外。絕對(duì)有必要嚴(yán)格保證電位器在制造過程中收到嚴(yán)格的質(zhì)量控制，并保證匹配性。

第三個(gè)部分，動(dòng)態(tài)部分，和電刷在驅(qū)動(dòng)力的作用下高速運(yùn)動(dòng)有關(guān)。借助于阻尼電刷，才能實(shí)傳動(dòng)速度達(dá)10米/秒的時(shí)候不明顯的增加任何電阻。