基于壓阻效應的電氣連接器縮針檢測方法

蘇曉，范佳佳，楊赟，張振雨

(1. 南京中車浦鎮城軌車輛有限公司，江蘇 南京 210000； 2. 南京浦鎮科技實業有限公司，江蘇 南京 210000)

0 引言

公母連接器作為一種優異的連接方式，廣泛應用在列車、地鐵等機車領域中，起到信號傳遞的作用[1]。但是，連接器的連接可靠性，受插接時工人的操作水平、多次拔插檢修、老化等諸多因素的影響，會造成連接器插針的退針、縮針問題。在機車運行過程中，因為連接器退針、縮針導致的指令傳輸問題所造成的設備故障，在機車故障中具有相當高的比例。因此，連接器縮針帶來的不可靠性將嚴重影響機車的正常運行，對這一問題的檢測及排查對提高列車的可靠運行具有非常重要的意義[2～4]。

為了提高連接器工作的可靠性，有的插頭生產廠家采用了插針油潤設計的解決方案。某廠[5]對27針連接器內部設計特殊的潤滑油路，利用特定潤滑油對內部插針配合部位進行潤滑降溫，減弱插針磨損。但是在實際設計和運用過程中，由于連接器內部油路設計存在較大困難，以至油路堵塞泄露現象時有發生，機車運行一段時間以后，內部插針油路逐漸發生潤滑油泄漏現象，另外大量灰塵、油液等堆積在插針接觸部位和安裝部位，導致插針彈簧彈性降低，很容易產生縮針退針現象，引起接觸不良。其次，針對電氣連接器的縮針問題，目前常用的檢測方法為單針式彈簧觸針檢測[6]，需要人工進行逐步的單針檢測，檢測效率低，不能對插針數量較多的連接器進行快速有效檢測；而且檢測工作量大，易引起檢測人員疲勞，進而造成漏檢與誤檢。因此，本文設計了一種基于壓阻效應的電氣連接器縮針檢測裝置，不僅能夠實現多針同時檢測，而且可以通過多個檢測模塊的組合準確檢測電氣連接器縮針問題，操作方便，可靠性高。

1 檢測裝置結構設計

電氣連接器檢測裝置如圖1所示，包括檢測頂插、檢測底板、固定卡套和檢測單元。檢測頂插頂部外形結構與待測連接器接口一致，并在與待測連接器插針對應位置開有階梯通孔。檢測底板同樣在與檢測頂插的通孔對應位置開有通孔，固定卡套在檢測底板的通孔位置開有螺紋通孔，且檢測頂插的階梯通孔、檢測底板通孔、固定卡套螺紋通孔為同軸孔。檢測單元如圖2所示，自上而下依次為檢測頂針、彈性元件、傳感器、傳感器座和調整螺釘；檢測底板由固定卡套固定在檢測頂插尾部，檢測單元裝配于同軸孔內。

檢測頂插上的階梯通孔，靠近頂部的孔為小孔，靠近尾部的孔為大孔；檢測單元中的頂針也為階梯柱狀結構，且兩級的柱狀結構的直徑分別與檢測頂插中的階梯孔直徑對應。檢測頂插的2個側面靠近尾部位置設置2個凸臺；固定卡套在凸臺對應位置開有安裝卡孔；通過凸臺和卡孔扣合來固定檢測底板。

檢測底板上通孔直徑等于檢測頂插階梯孔的大孔直徑，固定卡套上螺紋通孔的大徑略小于檢測底板上通孔直徑。檢測底板和固定卡套開有引線槽，傳感器引線由引線槽引出。

檢測單元裝配于檢測頂插中階梯孔、檢測底板中通孔、固定卡套螺紋通孔構成的同軸孔中，檢測單元中調整螺釘與固定卡套中螺紋通孔配合。檢測頂插中階梯孔大孔高度、檢測底板高度、固定卡套高度之和小于檢測單元中頂針下部階梯部分高度、彈性元件高度、傳感器高度、傳感器座高度、調整螺釘高度之和，使之在裝配狀態下彈性元件處于壓縮狀態，該壓縮量的大小通過調整螺釘的旋入旋出調整。

圖1 檢測裝置結構示意圖

圖2 檢測單元示意圖

電氣連接器檢測裝置可以通過多個檢測模塊組合，滿足不同待檢連接器結構的檢測需求，有利于提高檢測效率，降低檢修成本，圖3是由6個檢測模塊組成的檢測裝置，6個檢測模塊并排布置由外卡套固定。

圖3 由六個檢測模塊組成的檢測裝置

2 壓阻傳感器標定

在整個檢測過程中，壓阻式傳感器負責將內部插針力信號轉化為電信號。本文設計的檢測裝置采用單點式壓阻薄膜傳感器，如圖4所示。壓阻式傳感器是由平面應變傳感器發展起來的一種新型壓力傳感器[7]。它以硅片作為彈性敏感元件，感應端采用集成電路工藝制成，當感應端受力后，由于半導體的壓阻效應，電阻值發生變化，使電橋輸出而測得壓力的變化，利用這種方法制成的壓力傳感器叫壓阻式傳感器[8]。壓阻式傳感器結構簡單，具有較小的檢測滯后效應和較高靈敏度，而且體積小，適用于空間較小的場合進行測量。

圖4 壓阻式傳感器

在理想情況下，壓阻式傳感器所受的正壓力與電阻值滿足的關系如式(1)。

(1)

式中，F為正壓力值，N；R為電阻值，kΩ；k為斜率；b為常數。

通過對傳感器均勻加載不同值的正壓力來實現對單點式壓阻薄膜傳感器的標定，然后利用最小二乘法獲得擬合曲線，得到斜率k和常數b的值。圖5(a)是壓阻傳感器正壓力F-電阻R曲線；圖5(b)是正壓力F-電導1/R曲線。

圖5 壓阻傳感器正壓力F-電阻R曲線(a)和正壓力F-電導1/R曲線(b)

從圖5中可以看出壓阻傳感器正壓力F-電導1/R曲線關系和理想情況下的線性關系存在一定的誤差，可用最小二乘法進行擬合得到擬合直線，獲得斜率k和常數b的值，以及壓阻式傳感器的擬合曲線如圖6所示。圖6中擬合曲線為傳感器正壓力和電阻的線性關系，因此就可以利用作用于傳感器正壓力值得到傳感器的電阻值。由擬合曲線可以得到傳感器的斜率k=625.93，b= - 6.03。

圖6 壓阻傳感器擬合曲線

3 電氣連接器檢測流程

電氣連接器檢測流程如圖7所示，首先通過設計的檢測裝置與待檢電氣連接器進行配合，使得待檢連接器插針對頂，將插針的運動位移信號轉化為壓力信號，壓力作用于置于其底端的壓阻式傳感器，測量過程中完成將插針插入位移量—傳感器加載力學量—處理電路電信號的轉化，通過該傳感器實現位移—力—電信號的信號轉換，經由數采電路的放大電路、信號分離電路測得待測針的保持力，測得保持力經由運算電路、信號傳輸電路傳輸到單片機，并將測試結果進行可視化顯示。

圖7 檢測流程圖

4 檢測裝置調試

本文設計的電氣連接器檢測裝置如圖8所示，主要包括檢測插頭、待檢插頭、壓阻薄膜傳感器、電路板、LED顯示燈和電池。傳感器安裝局部放大圖如圖9所示。在實驗過程中，隨機設定2號和4號待檢插針為縮針狀態如圖10中虛線框所示，檢測裝置利用推拉力計對待檢插頭進行施力，推拉力計推動待檢插頭下行，1號，3號，5號和6號待檢插針正常裝配使彈性元件壓縮，相對應的傳感器將來自彈性元件的力信號轉化為電阻信號后，利用電路將電阻信號轉化為電壓信號，然后模擬電子開關進行各傳感器測點之間的切換，并將實時檢測數據發送至CPU，然后單片機內置程序對所接受數據進行調理、判讀，并將1號，3號，5號和6號LED顯示燈點亮。而2號和4號待檢插針為縮針狀態不能使彈性元件壓縮，不能將待檢插針的位移信號轉化為電壓信號，也就無法完成上述動作過程，因此2號和4號LED顯示燈熄滅如圖10所示。

圖8 實驗裝置圖

圖9 傳感器安裝圖

圖10 縮針檢測結果圖

實際應用中的機車電氣連接器結構如圖11(a)所示，為了滿足檢測要求，檢測裝置由6個檢測模塊組成，實現與待檢測連接器的配合，如圖11(b)所示。在測試時，在待檢電氣連接器中隨機設置2個位置(圖11(a)方框所示)的插針為縮針狀態，最終的檢測結果如圖11(c)所示，在待檢連接器縮針對應位置的指示燈顯示為紅色(畫圈所示)，反映出連接器縮針狀態。通過多次的測試，檢測裝置能夠準確高效地檢測連接器的縮針問題。

5 結語

設計了一種電氣連接器縮針檢測裝置，同時對檢測裝置所采用壓阻式薄膜傳感器進行了標定，并對檢測裝置進行了初步調試。調試過程中，檢測裝置能成功檢測出連接器縮針問題，并通過指示燈顯示。該檢測裝置插接轉換方便、結構簡單、連接穩定、安全可靠，大大縮短檢修時間及檢修時連接器拔插的次數，從而縮短由于插頭異常導致的機車故障停頓時間，對于機車的正常運行起到了良好的保障作用，從而降低了機車的運營成本，具有極大的社會效益。

圖11 檢測裝置使用效果圖