CN207976422U - 电容层析成像式电连接器接触件磨屑检测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及电容层析成像式电连接器接触件磨屑检测装置，该装置包括电容传感器和数据采集电路；所述电容传感器包括N块检测电极、径向电极、连接线、填充介质和金属屏蔽罩；所述N块检测电极均匀粘贴在被测电连接器绝缘外壳上；所述数据采集电路包括信号发生器、极板选择电路、C/V转换电路、放大电路、相敏解调电路、低通滤波电路和DSP；所述信号发生器的输出端分别与极板选择电路的信号端、相敏解调电路的参考输入端连接；极板选择电路的检测端与C/V转换电路的输入端连接，C/V转换电路的输出端与放大电路的输入端相连；所述极板选择电路连接从每个检测电极引出的连接线。本实用新型实现了对电连接器的在线、非侵入式监测。

Description

电容层析成像式电连接器接触件磨屑检测装置

技术领域

本实用新型涉及一种电连接器接触件磨屑的检测装置及方法，尤其是一种电容层析成像式电连接器接触件磨屑检测装置及方法，该装置及方法能利用电容层析成像技术对电连接器接触件微动中产生的磨屑形成过程进行自动检测。

背景技术

电连接器易受外界环境和工作条件的影响，机械振动通过电连接器中的结构部件作用于其内的插针与插孔，造成接触部位摩擦和发生相对位移，所引发的触点微动磨损、微动腐蚀、微动疲劳现象将导致接触件产生磨屑从而造成接触性能逐渐退化甚至功能失效。汽车用、航天用、电子设备用电连接器等产品均需满足在力学环境下可靠工作的要求。因此，对于电连接器接触件微动磨损产生的磨屑以及对磨屑形成状态的检测研究十分必要。

现有对电连接器微动磨损的研究方法有：压电法、电阻应变片法、光学反射法，所述方法都是采用相应的特别接触件式样通过计算机监测传感器获得压力值、接触面摩擦力值或位移值，间接判定接触件磨损的程度，然后利用金相分析观察磨屑的分布状态。任万滨等人(任万滨,王鹏,马晓明,等.电连接器镀金铜触点材料微动磨损特性的实验研究[J].电工技术学报,2013,28(12):119-124.)通过检测电连接器触点接触电阻的方法间接得到试验后电连接器微动磨损情况，并利用SEM/EDX对磨损触点表面进行微观形貌分析。

现有技术中均采取对特别接触件试样进行微动磨损试验，利用金相分析研究磨屑堆积规律研究，而未见对完整试品接触件间磨屑分布情况进行非侵入、非破坏式和实时在线的检测。因此，需要研究一种具有非侵入、可在线检测的电连接器磨屑检测装置。

实用新型内容

本实用新型的目的是：提供一种电容层析成像式电连接器接触件磨屑检测装置及方法。该装置及方法将电容层析成像技术应用到电连接器磨屑检测中，具有非侵入、可视化和成本低等优点，解决了现有技术无法在线监测电连接器接触件磨屑形成的技术问题，实现了对电连接器的在线、非侵入式监测。

为实现上述目的，本实用新型的技术方案为：

一种电容层析成像式电连接器接触件磨屑检测装置，其特征在于该装置包括电容传感器和数据采集电路；所述电容传感器包括N块检测电极、径向电极、连接线、填充介质和金属屏蔽罩；所述N块检测电极分别用S₁、S₂、…、S_N表示，N块检测电极均匀粘贴在被测电连接器绝缘外壳上，在相邻两块检测电极之间均设置有径向电极，在每块检测电极的中心均焊接有连接线；在N块检测电极的外表面整体设置金属屏蔽罩，金属屏蔽罩的内表面与径向电极相接触，在金属屏蔽罩与检测电极之间的空隙中填充有填充介质；

所述数据采集电路包括信号发生器、极板选择电路、C/V转换电路、放大电路、相敏解调电路、低通滤波电路和DSP；

所述信号发生器的输出端分别与极板选择电路的信号端、相敏解调电路的参考输入端连接；极板选择电路的检测端与C/V转换电路的输入端连接，C/V转换电路的输出端与放大电路的输入端相连；放大电路的输出端与相敏解调电路的信号输入端连接；相敏解调电路的输出端与低通滤波电路的输入端连接，低通滤波电路的输出端与DSP中的A/D转换模块相连，DSP中的A/D转换模块连接DSP中的存储模块；所述极板选择电路连接从每个检测电极引出的连接线，所述DSP的输出端分别与极板选择电路、放大电路相连。

一种电容层析成像式电连接器接触件磨屑检测方法，该方法使用上述的检测装置，具体步骤是：

第一步、制作依附于电连接器的电容传感器：

将电容传感器中检测电极、径向电极、连接线、填充介质、金属屏蔽罩依次安装在被测电连接器上；所述检测电极数为N，均匀的粘贴在电连接器绝缘外壳上，将连接线焊接在检测电极的中心，然后径向电极均匀分布在相邻两检测电极中，并在检测电极的外表面设置金属屏蔽罩，金属屏蔽罩与径向电极相接触，在金属屏蔽罩与检测电极的空隙之间用绝缘填充介质填充固定；

第二步、电容传感器与数据采集电路连接：

将检测电极引出的连接线与极板选择电路中相应输出通道相连，并通过DSP控制极板选择电路中的COMS开关芯片的选择端口引脚，实现控制各检测电极的通与断；

第三步、进行数据的采集：

信号发生器输出正弦波信号，作为激励施加到极板选择电路的信号端，经过电容传感器感应出电容值，通过C/V转换电路将电容信号转换为电压信号，再经放大电路将信号放大到合适的倍数，然后进行解调和滤波，得到能用到A/D转换模块的直流电压信号，通过A/D转换模块转换得到数字信号，将该数字信号保存到DSP中；

第四步、根据采集数据进行图像重构：

DSP将采集到的数字信号数据传输到上位机，上位机利用电容层析成像算法重建图像，显示电容传感器感应到的磨屑分布情况。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果为：

本实用新型的显著进步是，与现有的对试验后特别试样(指不是完整的电连接器接触件，需要进行相应的特殊处理)用金相分析等侵入式、破坏式研究磨屑状况相比，本实用新型第一次将电容层析技术应用到电连接器产品的磨屑检测中。可以实现对实际工况下接触件磨屑的形成及分布变化实时在线、非侵入的检测；检测方法不通过检测电阻、电压等信号间接得到磨屑，而直接对磨屑分布进行检测；本实用新型中，电容传感器将检测电极直接附着在电连接器绝缘外壳，而不使用传统的绝缘管，可以有效的减小杂质电容对试验数据的影响，提高测量精度。数据采集电路中各模块都采用高精度、高速度芯片，整体电路具有高效、低误差等优点。

本实用新型突出的实质性特点是：

1.本实用新型首次将具有非侵入、可视化和成本低等优点的电容层析技术应用到电连接器磨屑的检测中，根据电容层析成像技术原理(根据被测非导电物质具有不同的介电常数，当被测物组分或浓度发生变化时，引起被测物的介电常数发生变化，从而引起传感器阵列的电容变化)，结合电连接器接触件磨屑形成特点，实用新型了一种电容层析成像式电连接器接触件磨屑检测装置，替代了现有的接触件间磨屑分布的非在线式、破坏式及间接式检测方法，可直接、在线的观测磨屑的形成过程及分布状况变化。

2.在检测电极之间添加径向电极，并在检测电极外设置了金属屏蔽罩，屏蔽了外部电磁波的干扰，整体受环境变化的影响小，调高了测量精度。

3.本实用新型中电容传感器直接依附在电连接器上，保留了电连接器的完整性，可观测实际工况下接触件间磨屑的形成与分布状况。同样的避免使用现有的绝缘管式测量，减少了绝缘管的电容干扰，使得所测数据更加精确。

4.极板选择电路采用DSP程序控制，可实现自动化操作；而且极板选择电路的信号端与检测端都采用双COMS开关芯片拥有多个输出通道，可以根据实际的需求改变电容传感器检测电极对数，具有较强的通用性。

5.本实用新型将电容传感器与被测电连接器融为一体，电容传感器的检测电极、径向电极直接依附在电连接器上，金属屏蔽罩包围在电连接器外表面；同样数据采集电路各功能模块集成到电路板，结构简单，携带方便，可在被测物进行试验过程中实时在线检测。

附图说明

图1是本实用新型电容层析成像式电连接器接触件磨屑检测装置的原理图。

图2是本实用新型电容层析成像式电连接器接触件磨屑检测装置中电容传感器1的截面示意图。

图3是本实用新型电容层析成像式电连接器接触件磨屑检测装置中电容传感器1的侧面结构示意图。

图4是本实用新型所述数据采集电路的极板选择电路原理图(N＝8)。

图5是本实用新型所述检测装置的运行方式流程图。

图中，1-电容传感器、2-数据采集电路、3-信号发生器、4-极板选择电路、5-C/V转换电路、6-放大电路、7-相敏解调电路、8-低通滤波电路、9-DSP、10-A/D转换模块、11-存储模块、12-检测电极、13-径向电极、14-连接线、15-填充介质、16-金属屏蔽罩。

具体实施方式

下面结合实施例及附图进一步解释本实用新型，但并不以此作为对本申请保护范围的限定。

本实用新型电容层析成像式电连接器接触件磨屑检测装置(简称检测装置或装置，参见图1)包括电容传感器1和数据采集电路2；所述电容传感器1包括N块检测电极12(分别用S₁、S₂…S_N表示)、径向电极13、连接线14、填充介质15和金属屏蔽罩16；所述N块检测电极12均匀粘贴在被测电连接器绝缘外壳上，在相邻两块检测电极之间均设置有径向电极13，在每块检测电极12的中心均焊接有连接线14；在N块检测电极的外表面整体设置金属屏蔽罩16，金属屏蔽罩的内表面与径向电极13相接触，在金属屏蔽罩与检测电极之间的空隙中填充有填充介质15，填充介质同时起到固定连接线14与径向电极13的作用，避免环境中的冲击振动应力对电容传感器结构造成影响，金属屏蔽罩16与检测电极12的距离以及之间的填充介质会影响它与测量电极之间杂质电容的大小，设计时要选择合适的参数和材料。其中N为偶数，可以根据实际需求设置相应的电极数，传感器电极数会影响数据采集的数量与数据采集的速度和精度，传感器电极数越多，相应的测量数据变多，完成一次数据采集速度会变慢。同样传感器电极数量过多会使极板的面积减小，导致感应的电容值变小，传感器敏感程度也随之降低；由于偶数极板所形成的传感器“敏感场”较为均匀，故本实用新型中优选电容传感器检测电极的数量为8、12、16。

所述数据采集电路2包括信号发生器3、极板选择电路4、C/V转换电路5、放大电路6、相敏解调电路7、低通滤波电路8和DSP9；

所述信号发生器3的输出端分别与极板选择电路4的信号端、相敏解调电路的参考输入端连接；极板选择电路4的检测端与C/V转换电路5的输入端连接，C/V转换电路的输出端与放大电路的输入端相连；放大电路的输出端与相敏解调电路的信号输入端连接；相敏解调电路的输出端与低通滤波电路的输入端连接，低通滤波电路的输出端与DSP中的A/D转换模块10相连，DSP9中的A/D转换模块10连接DSP9中的存储模块11；所述极板选择电路4连接从每个检测电极引出的连接线14，通过轴向连接线将每个检测电极的信号采集到极板选择电路4上，所述DSP9的输出端分别与极板选择电路4、放大电路6相连，发出控制信号。

所述信号发生器3为装置提供高频激励信号。

所述极板选择电路4根据DSP9发出的控制信号控制检测电极12的接通状态。

所述C/V转换电路5是数据采集电路2的核心部分，它将检测电极12感应出的电容信号转变为交流电压信号。

所述放大电路6通过可控放大倍数将C/V转换电路5得到的微小交流电压信号进行放大，使通过相敏解调和低通滤波后的直流电压信号满足A/D转换模块10的转换要求。由于C/V转换电路5输出的交流电压信号与噪声干扰信号混杂在一起，难以测量，因此要经过相敏解调电路7把噪声从交流电压信号中分离出来，并通过低通滤波电路8将噪声信号消除，把直流电压信号提取出来。

所述DSP9主要应用其两大功能模块和控制功能，所述功能模块包括A/D转换模块10和存储模块11，所述A/D转换模块10将滤波后的直流电压信号进行数模转换得到数字信号，所述存储模块11将A/D转换模块10转换到的数字信号进行存储；所述DSP9控制功能体现在对极板选择电路4中检测电极S₁、S₂…S_N的选择上、对放大电路6的放大倍数控制上。

本实用新型装置的进一步特征在于，所述径向电极的长度与检测电极12相同；检测电极12的长度为被测电连接器绝缘外壳直径的1.25倍，N块检测电极12均匀覆盖绝缘外壳外表面的80％。

本实用新型装置的进一步特征在于，所述极板选择电路4的电路构成是：所述极板选择电路4由四片COMS开关芯片构成，四片COMS开关芯片分别用Ua1、Ua2、Ua3、Ua4表示，其中Ua1、Ua3作为信号端，Ua2、Ua4作为检测端；各COMS开关芯片的使能引脚EN、选择端口引脚A0、选择端口引脚A1、选择端口引脚A2均与DSP相连，接收DSP9的控制信号；Ua1、Ua2的输出通道分别与相应的一半数量的检测电极的连接线相连，Ua3、Ua4的输出通道分别与另一半数量的检测电极的连接线相连；Ua1、Ua3的信号引脚COM均与信号发生器3的输出端相连，Ua2、Ua4的信号引脚COM均与C/V转换电路5的输入端相连。

本实用新型还保护一种电容层析成像式电连接器接触件磨屑检测方法，该方法的步骤是：

第一步、制作依附于电连接器的电容传感器：

将电容传感器中检测电极、径向电极、连接线、填充介质、金属屏蔽罩依次的安装在被测电连接器上；所述检测电极数为N，均匀的粘贴在电连接器绝缘外壳上，将连接线焊接在检测电极的中心，然后径向电极均匀分布在相邻两检测电极中，并在检测电极的外表面设置金属屏蔽罩，金属屏蔽罩与径向电极相接触，在金属屏蔽罩与检测电极的空隙之间用绝缘填充介质填充固定；

第二步、电容传感器与数据采集电路连接：

将检测电极引出的连接线与极板选择电路中COMS开关芯片的相应输出通道相连，并通过DSP控制COMS开关芯片的选择端口引脚A0、A1、A2实现控制检测电极S₁、S₂…S_N的通与断；

第三步、进行数据的采集：

信号发生器输出500KHZ正弦波信号，作为激励施加到极板选择电路的信号端，经过电容传感器感应出电容值，通过C/V转换电路将电容信号转换为电压信号，再经放大电路将信号放大到合适的倍数，然后进行解调和滤波，得到可以用到A/D转换模块的直流电压信号，通过A/D转换模块转换得到数字信号，将该数字信号保存到DSP中，以便进行后续的数据分析与处理。相敏解调是信号处理中一个重要的环节，它能使在时域上难以辨别的不同频率信号，在频域上非常容易分辨，实现频谱转移。所以经过相敏解调可以把噪声从交流电压信号在频域上分离出来，以便于后续电路在消除噪声，将有用的信号提取出来。消除噪声则通过滤波电路。

第四步、根据采集数据进行图像重构：

DSP将采集到的数字信号数据传输到上位机(计算机)，上位机利用电容层析成像算法重建图像，显示电容传感器感应到的磨屑分布状况。

本实用新型方法中也可以不经过图像重构获得磨屑分布状况，直接针对DSP中保存的数据进行分析，根据初始状态下经C/V转换电路得到的交流电压值与存在磨屑时C/V转换电路得到的交流电压值进行比较分析，可以得到磨屑的分布情况。

所述电容层析成像算法优选Kalman滤波算法。

填充介质作用是屏蔽其他干扰电容，增加传感器灵敏度，应选用介电常数小一些的材料，一般选取介电常数为2.6的材料；因为检测电极12直接粘贴在电连接器绝缘外壳的外表面，由于绝缘外壳的外表面为圆周面，为满足检测电极12均匀覆盖绝缘外壳外表面的80％的结构需求，检测电极12选矩形最佳。

本实用新型中所述的信号发生器采用MAXIN公司生产的高频信号发生器MAX038；所述极板选择电路采用COMS开关芯片MAX338；所述电容/电压(C/V)转换电路采用带负反馈回路的C/V转换电路，其抗杂散性、分辨率可高达0.4fF其核心运算放大器选用OPA627；所述放大电路选用低漂移的OPA627；所述相敏解调选用集成芯片AD734；所述低通滤波选用八阶巴特沃斯低通滤波器MAX291；所述DSP选用TI公司的TMS320F28335，不仅可以简化电路还能调高数据采集的速度与精度。

本实用新型电容层析成像式电连接器磨屑检测装置具体试验流程是：接通电源，信号发生器发出激励信号，DSP通过极板选择电路控制检测电极通与断，感应电容值，然后通过C/V转换电路将感应出的电容信号转换为电压信号，再通过放大电路将电压信号进行放大，随后将电压信号进行相敏解调与滤波得到直流电压信号，将该直流电压信号输入到DSP中，判断所得信号是否符合A/D转换条件，若符合要求，则DSP将进行A/D转换、数据存储，并将数据传输到上位机利用电容层析成像算法重建图像，然后结束；若不符合要求，则返回放大电路调整放大倍数，再将电压信号进行放大。

因为试验一次所测数据为N*(N+1)/2个，需要所有极板两两感应，因此检测电极与极板选择电路的信号端和检测端都相连，具体结构如图4。C/V转换电路5输入端与极板选择电路4检测端相连，输出端与放大电路6相连。所述放大电路6在DSP9控制下，将接受到的电压信号放大到合适倍数。所述相敏解调电路7将放大的电压信号作为输入信号，激励信号作为相敏解调电路7的参考信号，所述低通滤波电路8进行低通滤波得到直流电压信号，所述DSP9中的A/D转换模块10对电压信号进行数模A/D转换，DSP9中的存储模块11将数据存储到DSP9中，为之后的数据分析和处理做准备，并通过控制指令控制数据采集电路中极板选择电路4、放大电路6的功能选择。

实施例1

图1为电容层析成像式电连接器磨屑检测装置原理图，电容层析成像式电连接器磨屑检测装置主要包括电容传感器1、数据采集电路2，电容传感器1安装在被测电连接器上，数据采集电路2集成到电路板。

电容传感器的结构由图2所示，电容传感器包括检测电极12、径向电极13、连接线14、填充介质15、和金属屏蔽罩16。检测电极12为1mm厚的铜箔，长度为被测电连接器绝缘外壳直径的1.25倍，数量为8，可根据试验所需精度和尺寸进行调整，宽度由被测电连接器绝缘外壳直径决定，8块检测电极12均匀覆盖绝缘外壳外表面的80％。径向电极13同样采用1mm铜箔，均匀分布在两两检测电极12中间，长度与检测电极12相同。连接线14焊接在检测电极中心，并采用屏蔽线有效保证测量数据的精确。金属屏蔽罩16采用铝箔纸，它与径向电极相接触，它与检测电极之间填充介质15来固定连接线14与径向电极13。

通过连接线14将检测电极12与极板选择电路4相连，通过DSP9控制电路的通断实现不同电极对的测量。

所述数据采集电路包括信号发生器3、极板选择电路4、C/V转换电路5、放大电路6、相敏解调电路7、低通滤波电路8、DSP9。将上述数据采集电路设计在一个电路板上，当信号发生器3发出激励信号时，通过极板选择电路4控制电容传感器1得到各组感应电容值，数据采集电路2采取串行通信每次只能采集一组数据。

本实施例中所述极板选择电路采用四片COMS开关芯片，型号为MAX338。

当信号发生器3发出激励信号时，通过DSP控制极板选择电路4检测电极的接通，从而到达不同组数据的采集，控制方式：极板选择电路4由4片COMS开关芯片组成，由DSP9来控制COMS开关芯片的开断，从而使其中两检测电极12作为感应电极对。其中Ua1和Ua3作为信号端，Ua2和Ua4作为检测端；COMS开关芯片Ua1和Ua2的输出通道NO1、NO2、NO3、NO4均连接检测电极S₁、S₂、S₃、S₄，COMS开关芯片Ua3和Ua4的输出通道NO1、NO2、NO3、NO4均连接检测电极S₅、S₆、S₇、S₈，电容感应时信号端只能有一个检测电极接通，检测电极接通时需要Ua1和Ua3配合工作，当Ua1的输出通道NO1接通时，Ua1的其他输出通道与Ua3的输出通道要处于关闭状态；当通过Ua1和Ua3来选择检测电极S₁时，Ua2和Ua4可以配合分别选择接通检测电极S₂、S₃、S₄…、S₈，当通过Ua1和Ua3来选择电极S₂时，Ua2和Ua4可以配合分别选择极板S₃、S₄…S₈，如此交替进行，一共得到8*(8+1)/2个数据。当感应电极对感应出电容值后经C/V转换电路5及放大电路6将所得电压信号放大到合适倍数。将所得数据解调滤波得到直流电压，最后经过DSP9处理将信号转换并存储到存储模块11。然后依次对下一组数据进行相同的处理并存储，完成一次数据采集。根据电连接器接触件磨屑情况，增加或减少检测电极12的对数。

将采集到的数据传输到上位机(计算机)，上位机利用电容层析成像算法重建图像，显示电容传感器1感应到的磨屑分布情况。本申请方法及装置在对电连接器接触件进行磨屑检测时，可以是对通过特定次数插拔实验的电连接器接触件按照上述方法检测特定次数插拔后的磨屑分布情况，也可以对通过振动而产生磨屑的电连接器接触件进行磨屑分布检测，当为振动原因产生磨屑时，可以实现在线非侵入的测量，能得到电连接器接触件磨屑的分布及形成过程，且不会破坏被测电连接器。

本实用新型未述及之处适用于现有技术。

Claims (4)

1.一种电容层析成像式电连接器接触件磨屑检测装置，其特征在于该装置包括电容传感器和数据采集电路；所述电容传感器包括N块检测电极、径向电极、连接线、填充介质和金属屏蔽罩；所述N块检测电极均匀粘贴在被测电连接器绝缘外壳上，在相邻两块检测电极之间均设置有径向电极，在每块检测电极的中心均焊接有连接线；在N块检测电极的外表面整体设置金属屏蔽罩，金属屏蔽罩的内表面与径向电极相接触，在金属屏蔽罩与检测电极之间的空隙中填充有填充介质；

所述数据采集电路包括信号发生器、极板选择电路、C/V转换电路、放大电路、相敏解调电路、低通滤波电路和DSP；

所述信号发生器的输出端分别与极板选择电路的信号端、相敏解调电路的参考输入端连接；极板选择电路的检测端与C/V转换电路的输入端连接，C/V转换电路的输出端与放大电路的输入端相连；放大电路的输出端与相敏解调电路的信号输入端连接；相敏解调电路的输出端与低通滤波电路的输入端连接，低通滤波电路的输出端与DSP中的A/D转换模块相连，DSP中的A/D转换模块连接DSP中的存储模块；所述极板选择电路连接从每个检测电极引出的连接线，所述DSP的输出端分别与极板选择电路、放大电路相连。

2.根据权利要求1所述的电容层析成像式电连接器接触件磨屑检测装置，其特征在于，所述径向电极的长度与检测电极相同；检测电极的长度为被测电连接器绝缘外壳直径的1.25倍，N块检测电极均匀覆盖绝缘外壳外表面80％的面积。

3.根据权利要求1所述的电容层析成像式电连接器接触件磨屑检测装置，其特征在于，所述极板选择电路的电路构成是：所述极板选择电路由四片COMS开关芯片构成，四片COMS开关芯片分别用Ua1、Ua2、Ua3、Ua4表示，其中Ua1、Ua3作为信号端，Ua2、Ua4作为检测端；各COMS开关芯片的使能引脚EN、选择端口引脚A0、选择端口引脚A1、选择端口引脚A2均与DSP相连，接收DSP9的控制信号；Ua1、Ua2的输出通道分别与相应的一半数量的检测电极的连接线相连，Ua3、Ua4的输出通道分别与另一半数量的检测电极的连接线相连；Ua1、Ua3的信号引脚COM均与信号发生器的输出端相连，Ua2、Ua4的信号引脚COM均与C/V转换电路的输入端相连。

4.根据权利要求1所述的电容层析成像式电连接器接触件磨屑检测装置，其特征在于，电容传感器中检测电极的数量为8、12或16。