CN104596688B - 基于超声波的电连接器接触压力测试方法及测试仪 - Google Patents

Abstract

基于超声波的电连接器接触压力测试方法及测试仪，所述电连接器的插孔为劈槽式插孔，所述的方法需要在电连接器插孔外侧面固定超声波发生器和超声波接收器，超声波信号为纵波信号；纵波信号波形为尖脉冲信号，测试仪包括安装架体和测试电路，安装架体包括用于夹持待测电连接器的试品夹具、立板和底座平台，立板安装在底座平台上，立板上具有安装通孔，试品夹具安装在立板的安装通孔中，试品夹具为筒状；测试电路包括单片机、尖脉冲驱动电路、超声波发生器、超声波接收器、示波器，单片机、尖脉冲驱动电路、超声波发生器依次相连，超声波接收器和示波器相连。

Description

基于超声波的电连接器接触压力测试方法及测试仪

技术领域：

本发明属于一种机电元件产品(电连接器)的接触压力测试方法及执行该方法的电连接器接触件接触压力测试仪。

背景技术：

电连接器是用来端接导体并与相应的配对元件进行插合和分离，其中接触件包括插针和插孔，是电连接器的关键元件。接触件是否具备良好的结构、接触压力是否稳定可靠以及导电性能是否良好直接影响到电连接器的接触可靠性。接触电阻是反映接触可靠性及接触性能退化的主要指标。而影响接触电阻值的因素很多，包括接触压力值、接触面积、接触材料性能等，因此进行电接触器接触可靠性检测时需要对这些指标进行准确的检测，其中接触压力是电连接器重要的性能指标之一，接触压力减小会导致接触电阻增大，降低电连接器的接触可靠性。周齐祥在《连接器的接触压力及其检测》中提到了三种传统的方法包括：1)对圆形接触件，通常是用测克法码加上标准插针，来检测接触压力。这种方法实际上所检测的是插孔的拔出力，亦插孔的静摩擦力(插孔与标准插针的相对摩擦系数和正压力的复合值)，这种依赖于插孔和标准插针的表面特性的检测方法测量得到的所谓接触压力，其结果不很准确。2)测量扁形接触件的接触压力时，有的采用小弹簧称；有的采用测克计测，有的用一套继电器、信号灯和簧片等组成的简单测试仪测量，上述方法虽操作简便，但测量结果也存在不准确，局限性大等缺点，实用价值不大。3)一种由弹簧、铰链及杠杆组成的测试印制板连接器的测试系统。该系统主要由弹簧。该系统灵敏度高，可多工位拓展，不能实现极小量程的测量；对于不同形状特征的连接器接触件，需要更换夹具，操作相对繁琐；且对检测件有一定的“破坏”作用，测试后试件不宜使用。

苏竣、王其平在《电连接器接触压力的测量和磨损蜕变模型》中提出了一种基于激光散斑干涉法测量电连接器“镰刀型”接触簧片接触压力的测试系统。该系统主要由扫描电子显微镜、接触簧片及光路系统等组成。为了保证插合时激光能照射到簧片的侧面，需要将其侧面的封装材料心剥去，露出接触簧片，并在其侧面贴上有足够亮度和柔性的反光片。虽然系统测量的准确性可保证，但是，测试操作步骤比较复杂：首先，用激光散斑干涉法测量，由两次曝光和特定位置放置的屏幕上得到杨式条纹宽度，其次，计算出电连接器接触簧片在插拔时的微小变形，最后，基于三点假设的情况下推出接触压力。

在研究中发现，对于采用劈槽式插孔的电连接器来说，因电连接器接触表面的复杂情况难于采用上述方法进行接触压力的测量，造成难于对插孔长期工作下的应力松弛现象的检测。因此探索新的能够更好对采用劈槽式插孔的电连接器的接触压力进行检测的方法，成为现有技术中需要解决的问题。

在前期研究中发现，对接触压力进行检测，结合已有的对其他参数的检测，可以更好的反映接触可靠性及接触性能退化，但现有的检测方法，均难于在劈槽式插孔的电连接器上实现对该指标进行有效检测。

基于声弹性原理的超声波应力检测系统已经广泛应用于如工件残余应力检测、螺栓应力监测，压力容器内部压力的检测，但对于采用劈槽式插孔的电接触器这种插针和插孔呈点接触的设备来说，其接触压力无法简单的通过接触应力而直接得到。

因此，提供一种能够快速、平稳、便捷地进行试品安装、拆卸操作，提高试验效率、减少劳动强度同时又可精确、无损地测量电连接器接触压力的测试方法及仪器已经成为现有技术中亟待解决的问题。

发明内容

本发明目的是针对当前技术中电连接器接触件接触压力测试工作量大，测试精度较低的缺陷，本发明提供了一种电连接器接触件接触压力测试仪。解决了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，解决了电连接器接触件正常插合状态下接触压力的精确与便捷检测。

本发明提供了一种基于超声波的电连接器接触压力测试方法，所述电连接器的插孔为劈槽式插孔，所述劈槽式插孔即为在圆筒状插孔的孔壁上沿轴向开有至少两个劈槽，劈槽的开口与插孔的开口同向开设，并将插孔前端的孔壁分割成若干个簧片，其特征在于所述的方法需要在电连接器插孔外侧面固定超声波发生器和超声波接收器进行，所述超声波发生器发射的超声波信号为纵波信号，纵波信号发射方向和超声波接收器的纵波信号接收方向位于同一个垂直于插孔开孔方向的平面上，所述平面与插孔内表面相交处为于插孔开口与插针完全插入时的插孔插针相接触处之间；所述超声波纵波信号波形为尖脉冲信号，所述超声波频率为1.2-5MHz，优选2.5MHz，所述的方法包括以下步骤：

1，分别检测插针未插入时超声波信号中纵波的传播时间t₀根据电连接器插孔与插针材料得到其不受应力条件下纵波声速V_l0，横波声速V_t0和密度ρ₀；

2、根据下列公式计算接触压力F

$F=\frac{{\mathrm{WH}}^2}{0.013L}\mathrm{\σ}---\left(1\right)$

$\mathrm{\σ}=-\frac{2}{{\mathrm{kt}}_0}\mathrm{\Δt}---\left(2\right)$

t₀为插针未插入时超声波纵波的传播时间，Δt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，

其中k为电连接器弹性常数， $k=\frac{\frac{4\mathrm{\λ}+10\mathrm{\μ}+4m}{\mathrm{\μ}}+\frac{2l-3\mathrm{\λ}-10\mathrm{\μ}-4m}{\mathrm{\λ}+2\mathrm{\μ}}}{3\mathrm{\λ}+2\mathrm{\μ}}---\left(3\right),$

式中L为簧片长度，H为插孔壁厚，W插孔的簧片宽度，σ为接触应力。

λ、μ为电连接器插孔材料的二阶弹性系数，n、m、l为电连接器插孔材料的三阶弹性系数。

所述的测试方法，其特征是，采用超声耦合剂填充超声波发生器与超声波接收器与插孔外表面接触处的缝隙。

所述的测试方法，其特征是电连接器插孔材料的二阶弹性系数λ、μ以下式计算

$\mathrm{\μ}={\mathrm{\ρ}}_0{V}_{t0}^2---\left(4\right)$

$\mathrm{\λ}={\mathrm{\ρ}}_0(V_{l0}^2-{2V}_{t0}^2)---\left(5\right).$

所述的测试方法，其特征是所述电连接器插孔材料的三阶弹性系数l，m，n，按以下方法测试：

以构成电连接器插孔的材料制成正四棱柱状试样，以试样长、宽、高方向分别为x，y，z轴，将超声波信号发射器和接收器固定试样上下底面，超声波信号发射方向平行于试样x轴，分别测得试样在轴向应力下的超声波纵波传播速度V_xx、垂直偏振切变波传播速度V_xy、水平偏振切变波传播速度V_xz，试样的轴向应力σ_zz，并结合上述物理量以及下列公式计算l，m，n：

$\frac{V_{\mathrm{xz}}-V_{\mathrm{xy}}}{V_{t0}{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{zz}}}=\frac{4\mathrm{\μ}+n}{{8\mathrm{\μ}}^2}---\left(6\right)$

$\frac{V_{\mathrm{xz}}-V_{t0}}{V_{t0}{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{zz}}}=\frac{\mathrm{\λ}+3\mathrm{\μ}+m+\frac{\mathrm{\λn}}{4\mathrm{\μ}}}{2\mathrm{\μ}(3\mathrm{\λ}+2\mathrm{\μ})}---\left(7\right)$

$\frac{V_{\mathrm{xx}}-V_{l0}}{V_{l0}{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{zz}}}=\frac{\mathrm{\μl}-\mathrm{\λ}(m+\mathrm{\λ}+2\mathrm{\μ})}{\mathrm{\μ}(3\mathrm{\λ}+2\mathrm{\μ})(\mathrm{\λ}+2\mathrm{\μ})}---\left(8\right).$

本发明还提供了一种执行所述任一测试方法的基于超声波的电连接器接触压力测试仪，其特征在于，所述的测试仪包括安装架体和测试电路，所述安装架体包括用于夹持待测电连接器的试品夹具、立板和底座平台，立板安装在底座平台上，立板上具有安装通孔，所述试品夹具安装在立板的安装通孔中，试品夹具为筒状；

所述测试电路包括单片机、尖脉冲驱动电路、超声波发生器、超声波接收器、示波器，单片机、尖脉冲驱动电路、超声波发生器依次相连，超声波接收器和示波器相连。

所述的测试仪，其特征是所述单片机用于产生方波信号，所述的尖脉冲驱动电路将方波信号转换为尖脉冲信号。

所述的测试仪，其特征是所述测试电路还包括负载电路，所述负载电路包括电源与负载，用于为待测电连接器提供相当于正常工作状态的电流。

本发明与现有技术相比有以下几个主要的有益效果：

1、可以适用于多种型谱、不同型号的采用劈槽式插孔的电连接器的检测，且超声波可以在任意固体中传播，故不受电连接器接触件金属材料的种类限制，通用性强；

2、在可靠性高、可操作性强、检测速度快、检测分辨率高的前提下，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，且可测任意深度的应力分布，从而推算出接触压力F；并且通过接触压力F，可以丰富检测电连接器可靠性及接触性能退化时的手段，结合其他现有的检测指标，可以更好的实现对电连接器可靠性及接触性能退化的预测。

附图说明

图1是实施例1中测试仪的测试电路连接结构示意图；

图2是实施例1中测试仪安装架体的主视示意图；

图3是实施例1中测试仪安装架体的俯视示意图；

图4是实施例1中测试仪安装架体的右视示意图；

图5是实施例1中测试仪中待测电连接器与超声波发生器和超声波接收器的固定连接结构主视示意图；

图6是实施例1中测试仪中待测电连接器与超声波发生器和超声波接收器的固定连接结构左视示意图；

图7是实施例1中测试仪中待测电连接器与超声波发生器和超声波接收器的固定连接结构俯视示意图；

图中，1-单片机，2-尖脉冲驱动电路，3-超声波发生器，4-待测电连接器，5-超声波接收器，6-示波器，7-负载电路，8-试品夹具，9-立板，10-底座平台，41-插孔，42-插针，43-绝缘材料。

具体实施方式：

实施例1：

(一)二阶、三阶弹性常数的测量：

对于作为插孔材料的锡青铜，其不受应力状态下的纵波声速V_l0＝3970m/s，横波声速V_t0＝2122m/s，密度ρ₀＝8.8*10³kg/m³。

二阶弹性系数采用式(4)、(5)计算

$\mathrm{\μ}={\mathrm{\ρ}}_0{V}_{t0}^2---\left(4\right)$

$\mathrm{\λ}={\mathrm{\ρ}}_0(V_{l0}^2-{2V}_{t0}^2)---\left(5\right)$

采用插孔材料制成正四棱柱试块，以试样长、宽、高方向分别为x，y，z轴，将超声波信号发射器和接收器固定试样上下底面，超声波信号发射方向平行于试样x轴，分别测得试样在轴向(即z轴方向)应力下的超声波纵波传播速度V_xx、垂直偏振切变波传播速度V_xy、水平偏振切变波传播速度V_xz，试样的轴向应力σ_zz，其中纵波传播方向平行于x轴，垂直偏振切变波传播方向平行于y轴，水平偏振切变波传播方向平行于z轴，并结合上述物理量以及下列公式计算l，m，n：

$\frac{V_{\mathrm{xz}}-V_{\mathrm{xy}}}{V_{t0}{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{zz}}}=\frac{4\mathrm{\μ}+n}{{8\mathrm{\μ}}^2}---\left(6\right)$

$\frac{V_{\mathrm{xz}}-V_{t0}}{V_{t0}{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{zz}}}=\frac{\mathrm{\λ}+3\mathrm{\μ}+m+\frac{\mathrm{\λn}}{4\mathrm{\μ}}}{2\mathrm{\μ}(3\mathrm{\λ}+2\mathrm{\μ})}---\left(7\right)$

$\frac{V_{\mathrm{xx}}-V_{l0}}{V_{l0}{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{zz}}}=\frac{\mathrm{\μl}-\mathrm{\λ}(m+\mathrm{\λ}+2\mathrm{\μ})}{\mathrm{\μ}(3\mathrm{\λ}+2\mathrm{\μ})(\mathrm{\λ}+2\mathrm{\μ})}---\left(8\right)$

将算出的二阶、三阶弹性常数带入下式

$k=\frac{\frac{4\mathrm{\λ}+10\mathrm{\μ}+4m}{\mathrm{\μ}}+\frac{2l-3\mathrm{\λ}-10\mathrm{\μ}-4m}{\mathrm{\λ}+2\mathrm{\μ}}}{3\mathrm{\λ}+2\mathrm{\μ}}---\left(3\right),$ 可以得到连接器插针件的弹性常数

k＝-0.92×10^-7Pa^-1。

(二)测试仪结构与连接

待测电连接器为某公司生产的M25型航空插头(即待测电连接器)，其插孔材料为锡青铜，插孔孔壁前端由4道纵向劈槽平均分成4个簧片，簧片部分被加工成缩口。采用的待测电连接器规格参数见下表

表中，焊杯口孔径为插孔开口处内径，接触体孔径为插孔内径。

本发明中超声波发生器和超声波接收器均采用2.5P10型直探头，示波器为DS1042C型。

测试仪包括安装架体和测试电路，所述安装架体包括用于夹持待测电连接器的试品夹具8、立板9和底座平台10，其主视、俯视、右视示意图分别如图2～4所示，所述立板为L型板，通过L型板的底板固定安装在底座平台上，所述立板垂直于底座平台的部分具有安装通孔，所述安装通孔轴线与底座平台平行。试品夹具为圆筒状，固定安装在安装通孔中，夹具轴线方向也与底座平台平行，所述试品夹具壁上具有螺纹固定孔，采用固定螺栓通过螺纹固定孔将待测电连接器固定于试品夹具中，

所述测试电路包括单片机1、尖脉冲驱动电路2、超声波发生器3、超声波接收器5、示波器6；单片机、尖脉冲驱动电路、超声波发生器依次相连，超声波接收器和示波器相连。超声波发生器的纵波发射方向和超声波接收器的纵波接收方向位于同一个垂直于插孔开孔方向的平面上，超声波频率为2.5MHz

测试电路还包括负载电路7，所述负载电路包括电源与负载，用于为待测电连接器提供相当于正常工作状态的电流。

所述测试电路连接结构示意图如图1所示，

在进行测试时，将待测电连接器4插孔部分绝缘材料43部分剥除以暴露插孔41用于固定作为超声波发生器和超声波接收器的直探头，直探头的固定位置为靠近插孔口部且位于同一个垂直于插孔开孔方向的平面上，且为了测量正常使用状态下的接触压力，需要将插针42插入插孔中，并接通负载电路。本实施例中，超声波的纵波信号发射方向与超声波纵波信号接收方向的夹角为180°待测电连接器(三芯)与超声波发生器和超声波接收器的固定连接结构主视、左视、俯视示意图分别如图5～7所示。

(三)接触压力F的计算

在测试过程中，将测试电路连接好后：

首先，在插针没有与插孔插合时，测量超声波纵波在插孔内的传播时间t₀；

其次，将插针与插孔按正常使用状态插合，此时负载电路接通，测试超声波纵波在连接器接触件内传播时间的变化。调整示波器的显示方式，可得到电连接器传播声时的改变量Δt。将k带入得到应力σ，并将σ带入得到接触压力F

式中，F为接触压力(单位N)，σ为接触应力(单位Gpa)，L、W、H为电连接器插孔每个簧片的长度、宽度和厚度。在本实施例中L＝10mm，W＝2.7mm，H＝0.6mm，t₀＝2.07μs。

σ以MPa为单位，F以N为单位，则可以得到接触应力和接触压力的转换关系为：

F＝7.47σ(1.1)

由上述可知，只要测出超声波在物体中传播时间的变化即声时改变量Δt，就可以求得传播介质中的应力或者接触压力的。

由于实际被测物体的应力引起的超声波传播速度的改变量都是很小的，一般的探测工具很难探测到特别精确的数值，从而引入较大的测量误差，所以，可以通过公式(2)以声时改变量求得传播介质中的应力并进而计算接触压力，解决了其超声波传播速度的微小改变量采集困难的关键问题。表1所示为利用本发明进行电连接器接触压力测试试验得到的部分数据。

表1连接器接触压力测试结果

表1数据中可以看出，对于采用同样结构插孔插针的待测电连接器，采用本发明实施例提供的测试方法及测试仪器进行测试得到的不同插孔的接触压力值一致性较好，相对偏差≤5％，说明该方法与仪器可以有效的用于电连接器接触压力的测试。

Claims (8)

1.一种基于超声波的电连接器接触压力测试方法，所述电连接器的插孔为劈槽式插孔，所述劈槽式插孔即为在圆筒状插孔的孔壁上沿轴向开有至少两个劈槽，劈槽的开口与插孔的开口同向开设，并将插孔前端的孔壁分割成若干个簧片，其特征在于所述的方法需要在电连接器插孔外侧面固定超声波发生器和超声波接收器，所述超声波发生器发射的超声波信号为纵波信号，纵波信号发射方向和超声波接收器的纵波信号接收方向位于同一个垂直于插孔开孔方向的平面上，所述平面与插孔内表面相交处位于插孔开口与插针完全插入时的插孔插针相接触处之间；所述超声波纵波信号波形为尖脉冲信号，所述超声波频率为1.2-5MHz，所述的方法包括以下步骤:

1)分别检测插针未插入时超声波信号中纵波的传播时间t₀，根据电连接器插孔与插针材料得到其不受应力条件下纵波声速V_l0，横波声速V_t0和密度ρ₀；

2)根据下列公式计算接触压力F

$F=\frac{{\mathrm{WH}}^2}{0.013L}\mathrm{\σ}---\left(1\right)$

$\mathrm{\σ}=-\frac{2}{{\mathrm{kt}}_0}\mathrm{\Δ}t---\left(2\right)$

t₀为插针未插入时超声波纵波的传播时间，Δt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，

其中式中L为簧片长度，H为插孔壁厚，W为簧片宽度，σ为接触应力，λ、μ为电连接器插孔材料的二阶弹性系数，m、l为电连接器插孔材料的三阶弹性系数。

2.如权利要求1所述的测试方法，其特征是所述超声波频率为2.5MHz。

3.如权利要求1所述的测试方法，其特征是，采用超声耦合剂填充超声波发生器和超声波接收器与插孔外表面接触处的缝隙。

4.如权利要求1～3任一所述的测试方法，其特征是电连接器插孔材料的二阶弹性系数λ、μ以下式计算

$\mathrm{\μ}={\mathrm{\ρ}}_0{V}_{t0}^2---\left(4\right)$

$\mathrm{\λ}={\mathrm{\ρ}}_0(V_{l0}^2-2V_{t0}^2)---\left(5\right).$

5.如权利要求1～3任一所述的测试方法，其特征是所述电连接器插孔材料的三阶弹性系数m、l及另外1个三阶弹性系数n，按以下方法测试：

以构成电连接器插孔的材料制成正四棱柱状试样，以试样长、宽、高方向分别为x，y，z轴，将超声波发生器和接收器固定在试样上下底面，超声波信号发射方向平行于试样x轴，分别测得试样在轴向应力下的超声波纵波传播速度V_xx、垂直偏振切变波传播速度V_xy、水平偏振切变波传播速度V_xz，试样的轴向应力σ_zz，并结合上述物理量以及下列公式计算l，m，n：

$\frac{V_{xz}-V_{xy}}{V_{t0}{\mathrm{\σ}}_{zz}}=\frac{4\mathrm{\μ}+n}{8{\mathrm{\μ}}^2}---\left(6\right)$

$\frac{V_{xz}-V_{t0}}{V_{t0}{\mathrm{\σ}}_{zz}}=\frac{\mathrm{\λ}+3\mathrm{\μ}+m+\frac{\mathrm{\λ}n}{4\mathrm{\μ}}}{2\mathrm{\μ}(3\mathrm{\λ}+2\mathrm{\μ})}---\left(7\right)$

$\frac{V_{xx}-V_{l0}}{V_{l0}{\mathrm{\σ}}_{zz}}=\frac{\mathrm{\μ}l-\mathrm{\λ}(m+\mathrm{\λ}+2\mathrm{\μ})}{\mathrm{\μ}(3\mathrm{\λ}+2\mathrm{\μ})(\mathrm{\λ}+2\mathrm{\μ})}---\left(8\right).$

6.一种执行如权利要求1～5任一所述测试方法的测试仪，其特征在于，所述的测试仪包括安装架体和测试电路，所述安装架体包括用于夹持待测电连接器的试品夹具、立板和底座平台，立板安装在底座平台上，立板上具有安装通孔，所述试品夹具安装在立板的安装通孔中，试品夹具为筒状；

所述测试电路包括单片机、尖脉冲驱动电路、超声波发生器、超声波接收器和示波器，所述单片机、尖脉冲驱动电路和超声波发生器依次相连，超声波接收器和示波器相连。

7.如权利要求6所述的测试仪，其特征是所述单片机用于产生方波信号，所述的尖脉冲驱动电路将方波信号转换为尖脉冲信号。

8.如权利要求6或7所述的测试仪，其特征是所述测试电路还包括负载电路，所述负载电路包括电源与负载，用于为待测电连接器提供相当于正常工作状态的电流。