應用PVDF壓電薄膜進行觸頭接觸壓力動態測試研究

李俊峰，鄭新芳，蘇秀蘋，李勝利

（1.河北工業大學 電磁場與電器可靠性省部共建重點實驗室，天津 300130；2.邯鄲學院 機電學院，河北 邯鄲 056005）

觸頭壓力是重要的觸頭參數，對電器性能有直接的影響．電磁繼電器和接觸器是自動控制系統中的重要元件，觸頭在閉合時必須具有足夠的接觸壓力以保證良好接觸[1-2]．以交流接觸器為例，觸頭終壓力過大，觸頭會因振顫而被電弧焊住；觸頭初壓力過小，又會因二次碰撞被電弧焊住，使觸頭發熱變壞，溫升超標．因此，對觸頭接觸壓力必須引起足夠的重視[3]．

《低壓電器基本試驗方法》GB998-67中規定了觸頭參數的測定方法．行業采用以下3種觸頭接觸壓力的測量方法：拉紙法、燈光法和壓力計法[4]．燈光法的測量結果與實測觸頭彈簧反力的實測值的誤差為0%～1.6%，而拉紙法的測量誤差為13.3%～20.4%．燈光法是目前測量精度較高的方法，但測量的手段稍復雜（要電源、每個斷口用的燈泡、導線等）．國外的專利技術[5]中提出了一種電磁接觸器接點接觸壓力的測定用具，可以測出觸頭的初壓力和終壓力．

但是迄今為止，所有的專利和測試技術都是以靜態的初壓力和終壓力為測試目的．動、靜觸頭閉合時的狀況是非常復雜的，要想深入的研究觸頭接觸壓力同其他參數之間的關系，必須得到其動態全過程．壓電薄膜傳感器響應快、超薄、測量范圍大，非常適合觸頭接觸壓力的動態測量．本文以交流接觸器為例，利用PVDF壓電薄膜進行了觸頭接觸壓力動態測試研究．這種測量方法簡單方便且成本較低，也可以直接應用到實際的工業流水生產線中．

圖1 交流接觸器觸頭接觸壓力傳感器示意Fig.1 Sketch of ACContactor Contact Pressure Sensor

1 觸頭接觸壓力傳感器的結構設計與安裝

1.1 總體布局方案

參考他人的測試經驗[6-7]，該文設計的傳感器由圓形的敏感元件和減振支撐以及屏蔽線組成，圖1為傳感器結構示意圖．其特點是結構簡單，易于安裝，易于觀察，分別安裝在不同的觸頭上就可以同時測量多個觸頭的接觸壓力．

1.2 傳感器的敏感元件

該文選用的敏感元件是PVDF壓電薄膜，該產品厚度為30±1.5 m，電容為130±20 pf，壓電常數為21±1 pc/N．如圖1所示，其受力端為圓形，上、下表面分別粘貼保護膜．敏感元件受力端直徑為5 mm，引線端的尺寸為：30 mm×13 mm，總厚度為30 m，其中PVDF壓電薄膜厚度為8 m，上、下表面保護膜的厚度各為11 m．

其測壓原理為：動、靜觸頭閉合時，其接觸過程相當于拍合，所以觸頭接觸壓力可看成撞擊應力，由于是垂直正面撞擊，也可將觸頭接觸壓力等效成撞擊壓力．撞擊“壓力”的合力傳遞到壓電薄膜上，使其兩個表面產生相應的電荷，由金屬導電層引出電荷，通過對這個電荷量的測量從而實現對壓力的測量．壓電傳感器的電荷信號一般應用電荷放大器來測量，典型的電荷放大器電路，其輸出值由傳感器的壓電常數33和反饋電容值 大小決定；低頻截止頻率由時間常數 決定．當頻率遠遠大于時，放大器輸出電壓為：為垂直施加于傳感器表面的作用力， 是由PVDF壓電薄膜產生的電荷量．

PVDF壓電薄膜的厚度一般為30 m，易于切割，可以做的面積很小，且在實際應用中，由傳感器的厚度所導致的誤差可以忽略不計，完全符合觸頭接觸壓力的測試要求：由它制成的傳感器響應速度極快(ns級)，能夠及時準確地捕捉瞬變信號；靈敏度很高，測量范圍大，約為 (0～20)GPa[8-9]，遠大于交流接觸器的最大接觸壓力值；鐵芯撞擊和外界的沖擊與振動信號同觸頭振動系統的振動頻率不同，可以分別測出這些振動信號的頻率區間，用濾波器去除鐵芯和外界的振動信號，辨識出觸頭接觸壓力信號．

1.3敏感元件的安裝方式、位置、方法和防護

1.3.1 安裝

測試時，需用絕緣膠將敏感元件的背面粘貼在靜觸頭的幾何中心處，粘貼時要注意涂膠不要太厚．為了減少振動對傳感器的影響，該文將傳感器的引線端粘貼在減振支撐上．該減振支撐選用的是JD1型橡膠減振墊，用于機械振動頻率≥10.5 Hz的振動和沖擊的隔振，效果更為顯著．其工作溫度為 5℃～+50℃，固有頻率為8.4～10.6 Hz．

1.3.2 防護問題

1）電氣隔離．本設計中傳感器的絕緣涉及到2個方面：a）壓電薄膜自身正負電極的絕緣，它決定傳感器的泄漏電阻；b）傳感器以及引線與靜觸頭之間的絕緣．粘貼時使用絕緣膠可以起到一定的電氣隔離作用．

2）屏蔽．由于接觸壓力信號幅值較小，所產生的電荷數也較少，且交流線圈產生的電磁場較強，因此導線必須使用屏蔽雙絞線（STP）．屏蔽雙絞線在雙絞線與外層絕緣封套之間有一個金屬屏蔽層．屏蔽層可減少輻射，減少電荷泄露，也可阻止外部電磁干擾的進入同軸屏蔽電纜．還可以在測試電路中加入濾波部分和軟件濾波進一步消除電磁干擾．

3）密封．導線焊接完畢后，用硅膠密封起來，這樣起到防塵，隔潮的作用，提高傳感器及焊點的絕緣性；還可以保護焊點，使焊接牢固，防止產生氧化物或由銀形成的化合物；防止接觸器動作時對傳感器的機械損害．

4）布線、走線．由于交流接觸器動作時工況復雜、機器振動劇烈，布線、走線時要充分考慮導線連接的可靠性．

2 交流接觸器觸頭接觸壓力動態測試系統

圖2是該交流接觸器觸頭接觸壓力動態測試系統示意圖．其硬件部分包含上位機和下位機．上位機即為工控機；下位機包括：交流接觸器試品、觸頭接觸壓力傳感器、電荷放大器、信號調理電路、高速數據采集卡和合閘相角控制器．工控機、高速數據采集卡和信號調理分別是 610H型工控機、PCI-1712L型數據采集卡和PCLD-8712型信號調理模塊．電荷放大器選用的是DHF-10型六通道高精度電荷放大器．

工作時交流接觸器是水平安裝的，如圖2所示．該文用絕緣膠將一對觸頭接觸壓力傳感器分別粘貼在被測交流接觸器一相主觸頭的上、下兩個靜觸頭的表面，分別稱為上觸頭接觸壓力傳感器和下觸頭接觸壓力傳感器，引出線從靜觸頭支架的上部空隙中引出，通過壓電傳感器專用屏蔽線引入到多通道電荷放大器．當然，如果在三相主觸頭上都安裝該觸頭接觸壓力傳感器，就可以同時測量三相主觸頭的觸頭接觸壓力．

開始測試時，首先總電源上電，工控機程序檢查各個模塊供電電壓是否正常，如果正常，程序對所有設備進行初始化．然后由操作人員在工控機上設定實驗參數，如合閘相角等．工控機將合/分閘相角值發給選相合閘相角控制器，并向其發送合/分閘的控制指令．選相合閘相角控制器收到合/分閘命令后，執行合/分閘程序，控制交流接觸器吸合或分斷．合/分閘命令執行完畢后，檢測交流接觸器試品是否正常吸合或分斷，若出現故障，向工控機發送故障提示．選相合閘相角控制器執行合閘程序的后，觸頭接觸壓力傳感器上就會有接觸壓力信號出現，這個信號經電荷放大器放大處理后輸入信號調理電路，處理后的數據進入高速數據采集卡．工控機控制接收高速數據采集卡所采集的數據信號．最后工控機按照編好的程序對信號進行處理并顯示、存儲測試結果．

圖2 交流接觸器觸頭接觸壓力動態測試系統示意圖Fig.2 Sketch of ACcontactor contact pressure dynamic testing system

3 實驗與結果分析

該文在河北工業大學電器研究所以 CJ20-25交流接觸器為樣品進行了一相主觸頭接觸壓力的動態測試，該交流接觸器為雙斷點橋式觸頭，故需在觸橋的兩個靜觸頭上均粘貼該接觸壓力傳感器．

測試時室內溫度為17℃，濕度為21%，電荷放大器設定值為靈敏度21pc，增益0.1k，示波器選用的是YOKOGAWA的DL750型，連續采集了20組數據，目的是觀察：觸頭接觸壓力動態變化的趨勢；不同合閘相角下觸頭接觸壓力峰值的變化情況和觸頭的彈跳情況．圖3、圖4、圖5是不同合閘相角時觸頭接觸壓力動態變化波形圖．

分析實驗結果，得出以下初步結論：

1）觀察圖3～圖5可以看出，在0°或180°時觸頭初次吸合的沖量最大，觸頭一次彈跳劇烈，二次彈跳很明顯；合閘相角在30°、70°、220°左右時，觸頭閉合時間較短，觸頭一次彈跳幅度小，二次彈跳不明顯且彈跳時長較短，總體吸合過程平穩；在90°、270°左右時觸頭閉合時間長，觸頭一次彈跳幅度大，二次彈跳明顯而且彈跳時間長，吸合過程波動明顯．可見由接觸壓力信號可以更加直觀的判斷觸頭彈跳．

2）觸頭壓力信號能給出更詳細的觸頭彈跳信息，且觀察觸頭彈跳狀況非常直觀．當彈跳幅度很小的時候，觸頭接觸壓力信號還是有幅值的，而高速攝影機手段無法探測到該微小變化[10]．

圖3 合閘相角約為0°時的接觸壓力波形圖Fig.3 Waveform of contact pressure when closephaseangleisabout 0°

3）影響壓電式傳感器工作性能的因素很多：其中有系統的因素，如傳感器重量的負載影響、諧振頻率、高低頻響應相移的影響，以及橫向靈敏度、安裝差異和某些溫度影響等；也有隨機的因素，如基座應變、聲噪音和電磁場等[11]．接觸器觸頭不同于一般的機械裝置，觸頭間存在很強的瞬態電磁場．瞬態電磁場對壓電傳感器的影響以及解決方法分析如下：由圖3可以看出，從合閘瞬間開始，也就是接觸器線圈兩端電壓有輸出開始，觸頭接觸壓力信號就被疊加了一個交流信號，這主要是工頻50 Hz交流電的干擾，而觸頭接觸壓力信號一般高于2 kHz，用濾波的方式可以減弱其影響．常規的消除方法是硬件電路設置陷波器電路，再配合軟件濾波．該文所述的動態測試系統，其信號調理電路采用的是 PCLD-8712型信號調理模塊，該模塊可加裝陷波器電路；工控機采用的是Labview編程的測試平臺，可以很方便的在后期信號處理階段調用高通濾波器模塊來進行濾波．圖6是處理后的信號圖，由圖可見，采用硬件陷波器加軟件濾波，可以較好的消除工頻交流電的干擾．另外，為防止電磁場對傳感器信號的影響，該文訂購的PVDF壓電薄膜，在出廠時已要求廠家采用雙重屏蔽殼封裝形式和雙芯輸出電纜，以適應于工業現場的在線監測要求．

4 結論

實驗結果表明，用PVDF壓電薄膜獲得觸頭接觸壓力動態信號的測試方法是可行的．由該方法得到的觸頭壓力信號可以反映不同合閘相角時觸頭閉合時間的長短、觸頭一次、二次彈跳幅度的大小，以及總體吸合過程的平穩程度，這同高速攝影機拍攝的觸頭彈跳情況相比，更具優勢．該測試方法能夠清晰、準確的獲得觸頭接觸壓力的動態信號，進一步清晰直觀地揭示觸頭彈跳的情況．該方法可以移植到其它電器的觸頭壓力動態測試領域，在今后的工作中將進一步研究和提高其應用水平．

圖4 合閘相角約為70°時的接觸壓力波形圖Fig.4 Waveform of contact pressurewhen closephaseangleisabout 70°

圖5 合閘相角約為270°時的接觸壓力波形圖Fig.5 Waveform of contact pressurewhen closephaseangleisabout 270°

圖6 濾波處理后的接觸壓力波形圖Fig.6 Waveform of Contact Pressureafter filtered

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