一种电连接器贮存条件下接触电阻的计算方法与流程

专利2022-05-10  2



1.本发明涉及电连接器技术领域,具体涉及一种电连接器贮存条件下接触电阻的计算方法。


背景技术:

2.电连接器作为型号装备上大量使用的元器件,其可靠性至关重要。电连接器是传递电能,信号能的基础元件。其连接和分离的作用对于某些型号装备起着至关重要的作用。
3.由于某些特殊原因,对于长期贮存的电连接器,在经过较长时间的贮存后能否具有与贮存前一样的功能和作用,通过大量的经验数据可以发现贮存条件下电连接器的主要失效形式为接触失效,约占现场总失效数的45.1%,电连接器在长期贮存期间,其接触性能不可避免地出现不可逆的逐渐退化趋势。
4.而电连接器接触失效的原因有很多种类型:氧化腐蚀物的增多、接触对簧片的应力松弛、污染物的累积、接触件严重磨损等。在贮存条件下,电连接器长期存放于仓库中,也不再打开,所以污染物和磨损对其影响在此条件下可以忽略不计,很多学者研究到簧片的应力松弛对其影响也较小,所以贮存期间的主要失效原因可以认为是接触对表面氧化腐蚀物的积累,导致接触电阻的增加。
5.因此对贮存条件下接触电阻的计算,是判断电连接器可靠性的一个重要的指标,而目前很少有人通过计算机模型构建出接触电阻的计算模型,主要还是通过传统实验的测试来获取接触电阻的大小。


技术实现要素:

6.本发明为了克服以上技术的不足,提供了一种基于电连接器贮存条件下模拟接触电阻的形成过程,并创建模型计算接触电阻的方法。
7.本发明克服其技术问题所采用的技术方案是:
8.本发明提出的一种电连接器贮存条件下接触电阻的计算方法,具体包括,s1,对电连接器的接触表面进行测定,得到三维w

m函数的初始参数值;s2,基于初始参数值确定的三维w

m函数建立电连接器的两个接触表面模型;s3,基于电连接器的两个接触表面模型得到两个剖面骨架图;s4,基于预设分量在两个剖面骨架图的对应位置分别选择两条二维曲线,并比较二维曲线的高度,从而判断接触表面产生的是膜层电阻或收缩电阻,以及,确定接触斑点与氧化膜斑点的数量和直径;s5,重复执行步骤s4,直至完成x轴区间范围所有二维曲线的选取,从而确定电连接接触面的所有氧化膜斑点数量和接触斑点;s6,基于每个接触斑点与氧化膜斑点的直径,以及所有接触斑点与氧化膜斑点的数量计算得到膜层电阻值和收缩电阻值,从而得到接触电阻值。
9.进一步的,对电连接器的接触表面进行测定,得到三维w

m函数的初始值,具体包括:s11、测定接触表面的高度,从而得到多个切面的z(x)曲线,即二维w

m函数
s12、对二维w

m函数进行傅里叶变化得到表面轮廓的功率谱s13、对功率谱两边取对数,得到s14,基于lgp(ω)和lgω的线性关系和被测表面的轮廓计算得到分形维数d,和尺度参数g。
10.进一步的,步骤s1中,对电连接器的接触表面进行测定,得到三维w

m函数的初始值,具体包括:
11.s11’,测定接触表面的粗糙度ra;
12.s12’基于粗糙度ra,以及公式(1)和公式(2)分别得到分形维数d和尺度参数g,
[0013][0014][0015]
进一步的,步骤s2中,基于确定初始参数值的三维w

m函数建立电连接器的两个接触表面模型,具体包括:
[0016]
基于初始参数值确定的三维w

m函数来生成两个接触表面微观图,用于模拟电连接接触面的接触过程,其中三维w

m函数为为采样长度,d为三维下的分形维数,2<d<3,g为尺度参数,γ为曲线相位的随机性和频率,m为接触表面围观图的凸起和凹陷的数量比例,n为自然数序列,φ
m,n
为在(0,2π)区间服从均匀分布的随机数。
[0017]
进一步的,步骤s3具体包括:将两个接触表面微观图沿x轴剖面方向切开,从而分别得到第一接触面和第二接触面的单根线条剖面骨架图
[0018]
进一步的,步骤s4具体包括:s41,基于预设分量分别选取第一接触面和第二接触面的单根线条剖面骨架图的x轴上同一位置的二维曲线;s42,计算两条曲线的高度差δz=z1(x,y)

z2(x,y)

λ,其中z1(x,y)为第一曲线的高度,z2(x,y)为第二曲线的高度,λ为变动误差量,θ为氧化膜覆盖在金属表面的厚度;s43,若高度差小于等于2θ,则认为接触斑点与氧化腐蚀物产生膜层电阻,如果不是则判断高度差是否大于0,如果大于0,则认为接触斑点的部分为收缩电阻,否则此处无接触电阻。
[0019]
进一步的,步骤s6具体包括:基于公式(3)得到接触电阻值,
[0020][0021]
其中,r
j
为接触电阻,a
sp
为对应第p个接触斑点的半径;a
bk
为对应第k个氧化膜斑点
的半径,n为接触斑点的数量,m为氧化膜斑点的数量。
[0022]
本发明的有益效果是:
[0023]
1、从微观结构和机理层次分析两导体的接触过程,使用w

m函数构建微观接触表面模型,将三维接触表面转换为二维相交曲线来区分电阻类型,并计算接触电阻的大小。
[0024]
2、减少了传统方法

实际测量所耗费的人力物力,通过输入相应材料的初始参数就可以获得相应的接触电阻大小,实现了将接触电阻可数值化计算的过程。
[0025]
3、从实际意义来看为准确评估电连接器的贮存寿命提供参考,优化了电连接器可靠性评估的过程,对型号装备的延寿定寿具有重要意义。
附图说明
[0026]
图1为电连接器接触表面示意图;
[0027]
图2为本发明实施例的一种电连接器贮存条件下接触电阻的计算方法流程图;
[0028]
图3为不同分型参数d条件下w

m曲线图;
[0029]
图4为不同尺度参数g条件下w

m曲线图;
[0030]
图5为表征电连接器接触面细微情况图;
[0031]
图6为本发明实施例的接触表面1的接触表面模型;
[0032]
图7为本发明实施例的接触表面2的接触表面模型;
[0033]
图8为本发明实施例的接触表面1的单根线条剖面骨架图;
[0034]
图9为本发明实施例的接触表面1的单根线条剖面骨架图的立体图;
[0035]
图10为本发明实施例的接触面二维曲线图;
[0036]
图11为本发明实施例的标注相交点的接触面二维曲线图;
[0037]
图12为接触电阻计算流程图;
[0038]
图13为计算机模拟接触电阻示意图。
具体实施方式
[0039]
为了便于本领域人员更好的理解本发明,下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明,下述仅是示例性的不限定本发明的保护范围。
[0040]
首先,对本技术实施例中涉及的名词进行介绍:
[0041]
收缩电阻:是指由于接触表面在加工过程中,从微观角度来看不能保持完全的平整,在接触过程中实际上是少部分凸丘之间的接触如图1中所述,从而导致电流的收束,这时电流收束处所产生的电阻就称为收缩电阻。在本发明的实施例中,收缩电阻的计算前提条件如下:
[0042]
1)认为导电斑点为圆形,并且它的大小应远小于接触面积的视在面积的大小,可以被看作是“长收缩”。
[0043]
2)两个接触面的材质是一致的,其电阻率大小一样。
[0044]
3)忽略温度对电阻率的影响。
[0045]
4)整个面上的电势大小一致。
[0046]
从而得到接触面的收缩电阻和另一侧接触面的收缩电阻其中,ρ为
电阻率;a为接触斑点半径,接触元件的收缩电阻可以表示为:若接触表面上有n个接触斑点,则可以把接触斑点的半径写为a
sp
,收缩电阻可以表示为
[0047]
膜层电阻:对于某些电接触表面由于其裸露在空气中,表面会产生一层金属氧化物,污渍,灰尘等,但通常情况下金属氧化物是半导体,其电阻较大,所以在计算膜层电阻时往往较为关注金属氧化物的阻值。对于表面覆盖了一层金属氧化物的接触斑点,从经典物理学角度来讲,无论如何电流都不能穿过无论多厚的薄膜,但是根据量子力学理论,电子作为波的性质,却能穿透薄膜而导电,这个效应称之为隧道效应,由薛定谔方程可知膜的隧道电阻率为其中,u为接触面之间的电势;j为流过膜的电流密度;因此可以计算出穿过半径为r的导电表面所产生的膜层电阻为:如果接触表面上有n个导电斑点,则每个膜层斑点的半径可以写为a
bk
,则总的膜层电阻可以写为:
[0048]
接触电阻:r
j
包含有收缩电阻r
s
和膜层电阻r
b
,r
j
=r
s
r
b
,接触电阻的本质是两个导体在接触的过程中发热,其原因是由于在接触间隙存在电阻所导致的。本技术的实施例中,将两个接触表面接触来模拟真实情况下接触的过程,从而计算接触电阻的大小。
[0049]
二维weierstrass

mandelbrot函数:简称w

m函数,具有处处连续但是处处不可导的特殊性质,可以用来表达自然界中的随机现象,式(1)中所表述的为常用的二维w

m函数。
[0050][0051]
在本技术的实施例中,z(x)为轮廓高度,g为尺度参数,d为分形参数,其中对于二维情况下1<d<2,γ
n
表示了轮廓的空间相位和随机性,一般对于表面轮廓呈正态分布情况下取γ=1.5。
[0052]
如图2所示,本实施例所述的一种电连接器贮存条件下接触电阻的计算方法流程图,具体包括:
[0053]
s1,对电连接器的接触表面进行测定,得到三维w

m函数的初始参数值;
[0054]
s2,基于初始参数值确定的三维w

m函数建立电连接器的两个接触表面模型;
[0055]
s3,基于电连接器的两个接触表面模型得到两个剖面骨架图;
[0056]
s4,基于预设分量在两个剖面骨架图的x轴某一位置分别选择对应的二维曲线,并比较二维曲线的高度,从而判断接触表面产生的是膜层电阻或收缩电阻,以及,确定接触斑点与氧化膜斑点的数量和直径;
[0057]
s5,重复执行步骤s4,直至完成x轴区间范围所有二维曲线的选取,从而确定电连接接触面的所有氧化膜斑点数量和接触斑点;
[0058]
s6,基于每个接触斑点与氧化膜斑点的直径,以及所有接触斑点与氧化膜斑点的数量计算得到膜层电阻值和收缩电阻值,从而得到接触电阻值。
[0059]
下面结合具体实施例对电连接器贮存条件下接触电阻的计算方法进行说明;
[0060]
s1,对电连接器的接触表面进行测定,得到三维w

m函数的初始参数值;
[0061]
如图3所示,为不同分型参数d对应的w

m曲线图形,由图3中可以看出w

m曲线图随着d的增大,在平缓处会增加更多的波动,d越大所得到的w

m函数便有更多的细节。
[0062]
通过固定其他参数调整分形参数d的大小可以看出如图1中所示。由图1中可以看出w

m曲线图随着d的增大,在平缓处会增加更多的波动,d越大所到的w

m函数便由更多的细节。
[0063]
如图4所示,为不同分型参数g对应的w

m曲线图形,由图4可以看出,w

m曲线的幅值随着g的减小而减小,g越小峰值就越小。
[0064]
因此可以通过调节分形维数d和尺度参数g来改变w

m曲线的线型,达到对粗糙表面粗糙度的真实模拟。
[0065]
但是二维只能表现局部特征,并不能清楚的表征一个区域的特点,引入了三维w

m函数模型,三维w

m函数的表征式如公式(2)所示:
[0066][0067]
其中,l

表征的是采样长度;d

三维情况下的分形维数,其取值相比较二维条件下多了一维,2<d<3,并且曲线的复杂波动程度,随着d值的增加而增大;g

尺度参数,用来调节曲线的幅值大小;γ

表现了曲线相位的随机性和频率;m

选取使得生成的三维图有凸起和凹陷的数量成比例,m越小其比例也就越小;n

自然序列;φ
m,n

是在(0,2π)区间服从均匀分布的随机数;图5是使用w

m三维面来表征电连接器接触面的细微情况图。
[0068]
在本发明的实施例中,通过对电连接器的接触表面进行测定,得到三维w

m函数的初始参数值,即得到分形维数d和尺度参数g。
[0069]
在一些实施方式中,采用功率谱算法。首先使用压力传感器测量被测接触表面的高度得到数个切面下的z(x)曲线,也就是二维下的w

m函数,可以对(1)式进行傅里叶变化得到真实表面轮廓下的功率谱,如公式(3),对其两边取对数,得到公式(4)。
[0070][0071][0072]
lgp(ω)和lgω呈线性关系,并通过得到的被测表面的轮廓计算出分形维数d,和尺度参数g。
[0073]
在一些实施方式中,通过粗糙度仪来测取被测表面的粗糙度值ra,并通过公式(5)和公式(6)得到分形维数和尺度参数,从而获得w

m函数曲线。
[0074][0075]
[0076]
s2,基于初始参数值确定的三维w

m函数建立电连接器的两个接触表面模型;
[0077]
基于确定分形维数和尺度参数的三维w

m函数生成分别如图6和图7所示的接触表面1的接触表面模型和接触表面2的接触表面模型,通过两个模型模拟接触对的接触过程。
[0078]
在本技术的一个实施例中,设定初始参数值为l=3,g=10^(

7),d=2.2,υ=1.5,m=9,nmax=20,其中接触表面模型x和y轴的坐标轴的选择避免0点。本技术实施例中,x轴和y轴位置在(1,2)区间,分度间隔为0.05。且x、y、z方向上的坐标轴的单位均为微米um。
[0079]
在本发明的实施例中,假设插孔和插针的粗糙表面的粗糙程度一致,只有在细微的地方存在差别,所以可以将初始参数不变。另外因为通过式(2)设定的φ
m,n
相位为在(0,2π)上服从均匀分布的随机数,通过相位的随机性来表现细微处的随机性。
[0080]
在一些实施方式中,图6和图7通过matlab中的plot3程序生成,可以看作是在每个x轴间距处生成二维的w

m函数曲线的组合,作为骨架,并对骨架进行扫掠处理后,得到图6和图7所示的接触表面模型。扫掠处理使得骨架中峰值处就是三维图中最高点所在的位置,扫掠后的模型一般只会更加低于原图中的峰值位置。
[0081]
s3,分别将图6和图7的三维图像沿x轴剖面剖开,得到如图8所示的单根线条剖面骨架图,图9为单根线条剖面骨架图的立体视图。
[0082]
s4,如图10所示,将接触表面1和接触表面2的接触表面按照要求的接触尺寸接触后,选取x轴分量上某一处接触面的二维曲线图。其中图中实线为接触表面1,虚线为接触表面2。
[0083]
在本技术的一个实施例中,两个接触平面接触配合的过程中存在加工误差,并不能完全按照原有尺寸贴合接触,所以设置了一个变动误差量λ=0.1um,从图10中可以看到虚线的有些部分位置已经超越了实线,这里便认为两个接触表面已经产生了接触,从微观上表现就是凸丘处相交。
[0084]
电连接器在长时间储存放置过程中,接触件表面和氧气充分接触会产生氧化膜,单个接触面上的氧化膜随时间的变化厚度也会不一样,氧化膜的体积增长是一个随时间变化的函数,如公式(7)所示。
[0085][0086]
式(7)中a,b为与材料相关的参数,其中根据材料的不同对于氧化膜促进作用的材料a>1,对于抑制氧化膜产生的材料a<1,对于普通情况下a=1。
[0087]
本技术的一个实施例中,认为氧化膜是均匀生长在金属的接触表面,所以可以根据式(7)所述计算出氧化膜的体积,便可以通过公式(8)计算出氧化膜覆盖在金属表面的厚度。
[0088][0089]
氧化腐蚀物均匀的覆盖在金属表面,如同薄膜层一样覆盖表面的面积,通过公式(8)计算得出腐蚀物的厚度θ。图10中x=1.2
[0090]
在本技术的一个实施例中,计算得到θ=0.1um。。
[0091]
如图11所示,为两个接触面二维线条接触的示意图,图中将接触部分的两个端点
标注了出来。
[0092]
可以通过判断接触斑点的过程中要考虑氧化膜是否在两个接触对接触的过程中被磨掉的状况,进而就是在某处产生的电阻是膜层电阻还是收缩电阻。
[0093]
根据式(1),对于整个三维接触面其高度可以用z(x,y)来表示。因此接触后接触面的高度差可以用公式(9)表示,
[0094]
δz=z1(x,y)

z2(x,y)

λ
ꢀꢀꢀꢀ
(9)
[0095]
在本发明的一个实施例中,由于接触表面覆盖有氧化膜的作用,若两点的高度差小于2θ=0.2um,就认为此处的氧化膜没有在接触的过程中破裂,此时接触斑点和氧化腐蚀物产生膜层电阻,反之则认为氧化膜已经破裂,接触面之间接触产生了收缩电阻。
[0096]
在判断相交处是收缩电阻还是膜层电阻后,这里认为相交处接触面为圆形,因此找出并确定接触斑点及其直径的大小。
[0097]
s5,重复执行当步骤s4,直至确定完成电连接接触面的所有氧化膜斑点数量和接触斑点数量。
[0098]
s6,图12为接触电阻计算流程图,图中,xi表示为在x轴分度间隔上所表示的二维w

m曲线,j表示所判断在某一xi上表面1和表面2相交位置的总数目。
[0099]
图13所示为计算机程序模拟膜层电阻和收缩电阻示意图,黑色斑点表示为氧化膜斑点,空心斑点为接触斑点。最后计算出每个斑点处的半径,带入公式(10),即可求出接触表面单位方块下接触电阻的大小,其中,r
j
为接触电阻,a
sp
为对应第p个接触斑点的半径;a
bk
为对应第k个氧化膜斑点的半径,n为接触斑点的数量,m为氧化膜斑点的数量。
[0100][0101]
以上仅描述了本发明的基本原理和优选实施方式,本领域人员可以根据上述描述做出许多变化和改进,这些变化和改进应该属于本发明的保护范围。
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