应用PVDF压电薄膜进行触头接触压力动态测试研究

李俊峰，郑新芳，苏秀苹，李胜利

（1.河北工业大学 电磁场与电器可靠性省部共建重点实验室，天津 300130；2.邯郸学院 机电学院，河北 邯郸 056005）

触头压力是重要的触头参数，对电器性能有直接的影响．电磁继电器和接触器是自动控制系统中的重要元件，触头在闭合时必须具有足够的接触压力以保证良好接触[1-2]．以交流接触器为例，触头终压力过大，触头会因振颤而被电弧焊住；触头初压力过小，又会因二次碰撞被电弧焊住，使触头发热变坏，温升超标．因此，对触头接触压力必须引起足够的重视[3]．

《低压电器基本试验方法》GB998-67中规定了触头参数的测定方法．行业采用以下3种触头接触压力的测量方法：拉纸法、灯光法和压力计法[4]．灯光法的测量结果与实测触头弹簧反力的实测值的误差为0%～1.6%，而拉纸法的测量误差为13.3%～20.4%．灯光法是目前测量精度较高的方法，但测量的手段稍复杂（要电源、每个断口用的灯泡、导线等）．国外的专利技术[5]中提出了一种电磁接触器接点接触压力的测定用具，可以测出触头的初压力和终压力．

但是迄今为止，所有的专利和测试技术都是以静态的初压力和终压力为测试目的．动、静触头闭合时的状况是非常复杂的，要想深入的研究触头接触压力同其他参数之间的关系，必须得到其动态全过程．压电薄膜传感器响应快、超薄、测量范围大，非常适合触头接触压力的动态测量．本文以交流接触器为例，利用PVDF压电薄膜进行了触头接触压力动态测试研究．这种测量方法简单方便且成本较低，也可以直接应用到实际的工业流水生产线中．

图1 交流接触器触头接触压力传感器示意Fig.1 Sketch of ACContactor Contact Pressure Sensor

1 触头接触压力传感器的结构设计与安装

1.1 总体布局方案

参考他人的测试经验[6-7]，该文设计的传感器由圆形的敏感元件和减振支撑以及屏蔽线组成，图1为传感器结构示意图．其特点是结构简单，易于安装，易于观察，分别安装在不同的触头上就可以同时测量多个触头的接触压力．

1.2 传感器的敏感元件

该文选用的敏感元件是PVDF压电薄膜，该产品厚度为30±1.5 m，电容为130±20 pf，压电常数为21±1 pc/N．如图1所示，其受力端为圆形，上、下表面分别粘贴保护膜．敏感元件受力端直径为5 mm，引线端的尺寸为：30 mm×13 mm，总厚度为30 m，其中PVDF压电薄膜厚度为8 m，上、下表面保护膜的厚度各为11 m．

其测压原理为：动、静触头闭合时，其接触过程相当于拍合，所以触头接触压力可看成撞击应力，由于是垂直正面撞击，也可将触头接触压力等效成撞击压力．撞击“压力”的合力传递到压电薄膜上，使其两个表面产生相应的电荷，由金属导电层引出电荷，通过对这个电荷量的测量从而实现对压力的测量．压电传感器的电荷信号一般应用电荷放大器来测量，典型的电荷放大器电路，其输出值由传感器的压电常数33和反馈电容值 大小决定；低频截止频率由时间常数 决定．当频率远远大于时，放大器输出电压为：为垂直施加于传感器表面的作用力， 是由PVDF压电薄膜产生的电荷量．

PVDF压电薄膜的厚度一般为30 m，易于切割，可以做的面积很小，且在实际应用中，由传感器的厚度所导致的误差可以忽略不计，完全符合触头接触压力的测试要求：由它制成的传感器响应速度极快(ns级)，能够及时准确地捕捉瞬变信号；灵敏度很高，测量范围大，约为 (0～20)GPa[8-9]，远大于交流接触器的最大接触压力值；铁芯撞击和外界的冲击与振动信号同触头振动系统的振动频率不同，可以分别测出这些振动信号的频率区间，用滤波器去除铁芯和外界的振动信号，辨识出触头接触压力信号．

1.3敏感元件的安装方式、位置、方法和防护

1.3.1 安装

测试时，需用绝缘胶将敏感元件的背面粘贴在静触头的几何中心处，粘贴时要注意涂胶不要太厚．为了减少振动对传感器的影响，该文将传感器的引线端粘贴在减振支撑上．该减振支撑选用的是JD1型橡胶减振垫，用于机械振动频率≥10.5 Hz的振动和冲击的隔振，效果更为显著．其工作温度为 5℃～+50℃，固有频率为8.4～10.6 Hz．

1.3.2 防护问题

1）电气隔离．本设计中传感器的绝缘涉及到2个方面：a）压电薄膜自身正负电极的绝缘，它决定传感器的泄漏电阻；b）传感器以及引线与静触头之间的绝缘．粘贴时使用绝缘胶可以起到一定的电气隔离作用．

2）屏蔽．由于接触压力信号幅值较小，所产生的电荷数也较少，且交流线圈产生的电磁场较强，因此导线必须使用屏蔽双绞线（STP）．屏蔽双绞线在双绞线与外层绝缘封套之间有一个金属屏蔽层．屏蔽层可减少辐射，减少电荷泄露，也可阻止外部电磁干扰的进入同轴屏蔽电缆．还可以在测试电路中加入滤波部分和软件滤波进一步消除电磁干扰．

3）密封．导线焊接完毕后，用硅胶密封起来，这样起到防尘，隔潮的作用，提高传感器及焊点的绝缘性；还可以保护焊点，使焊接牢固，防止产生氧化物或由银形成的化合物；防止接触器动作时对传感器的机械损害．

4）布线、走线．由于交流接触器动作时工况复杂、机器振动剧烈，布线、走线时要充分考虑导线连接的可靠性．

2 交流接触器触头接触压力动态测试系统

图2是该交流接触器触头接触压力动态测试系统示意图．其硬件部分包含上位机和下位机．上位机即为工控机；下位机包括：交流接触器试品、触头接触压力传感器、电荷放大器、信号调理电路、高速数据采集卡和合闸相角控制器．工控机、高速数据采集卡和信号调理分别是 610H型工控机、PCI-1712L型数据采集卡和PCLD-8712型信号调理模块．电荷放大器选用的是DHF-10型六通道高精度电荷放大器．

工作时交流接触器是水平安装的，如图2所示．该文用绝缘胶将一对触头接触压力传感器分别粘贴在被测交流接触器一相主触头的上、下两个静触头的表面，分别称为上触头接触压力传感器和下触头接触压力传感器，引出线从静触头支架的上部空隙中引出，通过压电传感器专用屏蔽线引入到多通道电荷放大器．当然，如果在三相主触头上都安装该触头接触压力传感器，就可以同时测量三相主触头的触头接触压力．

开始测试时，首先总电源上电，工控机程序检查各个模块供电电压是否正常，如果正常，程序对所有设备进行初始化．然后由操作人员在工控机上设定实验参数，如合闸相角等．工控机将合/分闸相角值发给选相合闸相角控制器，并向其发送合/分闸的控制指令．选相合闸相角控制器收到合/分闸命令后，执行合/分闸程序，控制交流接触器吸合或分断．合/分闸命令执行完毕后，检测交流接触器试品是否正常吸合或分断，若出现故障，向工控机发送故障提示．选相合闸相角控制器执行合闸程序的后，触头接触压力传感器上就会有接触压力信号出现，这个信号经电荷放大器放大处理后输入信号调理电路，处理后的数据进入高速数据采集卡．工控机控制接收高速数据采集卡所采集的数据信号．最后工控机按照编好的程序对信号进行处理并显示、存储测试结果．

图2 交流接触器触头接触压力动态测试系统示意图Fig.2 Sketch of ACcontactor contact pressure dynamic testing system

3 实验与结果分析

该文在河北工业大学电器研究所以 CJ20-25交流接触器为样品进行了一相主触头接触压力的动态测试，该交流接触器为双断点桥式触头，故需在触桥的两个静触头上均粘贴该接触压力传感器．

测试时室内温度为17℃，湿度为21%，电荷放大器设定值为灵敏度21pc，增益0.1k，示波器选用的是YOKOGAWA的DL750型，连续采集了20组数据，目的是观察：触头接触压力动态变化的趋势；不同合闸相角下触头接触压力峰值的变化情况和触头的弹跳情况．图3、图4、图5是不同合闸相角时触头接触压力动态变化波形图．

分析实验结果，得出以下初步结论：

1）观察图3～图5可以看出，在0°或180°时触头初次吸合的冲量最大，触头一次弹跳剧烈，二次弹跳很明显；合闸相角在30°、70°、220°左右时，触头闭合时间较短，触头一次弹跳幅度小，二次弹跳不明显且弹跳时长较短，总体吸合过程平稳；在90°、270°左右时触头闭合时间长，触头一次弹跳幅度大，二次弹跳明显而且弹跳时间长，吸合过程波动明显．可见由接触压力信号可以更加直观的判断触头弹跳．

2）触头压力信号能给出更详细的触头弹跳信息，且观察触头弹跳状况非常直观．当弹跳幅度很小的时候，触头接触压力信号还是有幅值的，而高速摄影机手段无法探测到该微小变化[10]．

图3 合闸相角约为0°时的接触压力波形图Fig.3 Waveform of contact pressure when closephaseangleisabout 0°

3）影响压电式传感器工作性能的因素很多：其中有系统的因素，如传感器重量的负载影响、谐振频率、高低频响应相移的影响，以及横向灵敏度、安装差异和某些温度影响等；也有随机的因素，如基座应变、声噪音和电磁场等[11]．接触器触头不同于一般的机械装置，触头间存在很强的瞬态电磁场．瞬态电磁场对压电传感器的影响以及解决方法分析如下：由图3可以看出，从合闸瞬间开始，也就是接触器线圈两端电压有输出开始，触头接触压力信号就被叠加了一个交流信号，这主要是工频50 Hz交流电的干扰，而触头接触压力信号一般高于2 kHz，用滤波的方式可以减弱其影响．常规的消除方法是硬件电路设置陷波器电路，再配合软件滤波．该文所述的动态测试系统，其信号调理电路采用的是 PCLD-8712型信号调理模块，该模块可加装陷波器电路；工控机采用的是Labview编程的测试平台，可以很方便的在后期信号处理阶段调用高通滤波器模块来进行滤波．图6是处理后的信号图，由图可见，采用硬件陷波器加软件滤波，可以较好的消除工频交流电的干扰．另外，为防止电磁场对传感器信号的影响，该文订购的PVDF压电薄膜，在出厂时已要求厂家采用双重屏蔽壳封装形式和双芯输出电缆，以适应于工业现场的在线监测要求．

4 结论

实验结果表明，用PVDF压电薄膜获得触头接触压力动态信号的测试方法是可行的．由该方法得到的触头压力信号可以反映不同合闸相角时触头闭合时间的长短、触头一次、二次弹跳幅度的大小，以及总体吸合过程的平稳程度，这同高速摄影机拍摄的触头弹跳情况相比，更具优势．该测试方法能够清晰、准确的获得触头接触压力的动态信号，进一步清晰直观地揭示触头弹跳的情况．该方法可以移植到其它电器的触头压力动态测试领域，在今后的工作中将进一步研究和提高其应用水平．

图4 合闸相角约为70°时的接触压力波形图Fig.4 Waveform of contact pressurewhen closephaseangleisabout 70°

图5 合闸相角约为270°时的接触压力波形图Fig.5 Waveform of contact pressurewhen closephaseangleisabout 270°

图6 滤波处理后的接触压力波形图Fig.6 Waveform of Contact Pressureafter filtered

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