多功能高精度觸點材料電性能測試儀研制課件

1、多功能高精度觸點材料電性能測試儀研制答辯內(nèi)容(一) 項目背景(二) 立項依據(jù)(三) 項目目的與創(chuàng)新點(四) 國內(nèi)外現(xiàn)狀分析(五) 相關技術的未來發(fā)展趨勢(六) 市場分析(七) 研究基礎及條件(八) 研究內(nèi)容(九) 關鍵技術(十) 預期成果(十一) 進度安排及階段目標(一) 項目背景隨著我國電器工業(yè)的迅猛發(fā)展以及國外各大電器生產(chǎn)商陸續(xù)進入國內(nèi)，對作為電器中關鍵部件的觸點材料提出了越來越高的要求，電器生產(chǎn)商和觸點材料生產(chǎn)商對觸點材料的性能都非常重視。觸點材料的性能實際上包括兩部分，靜態(tài)物理性能和動態(tài)電性能。由于觸點材料的動態(tài)電性能與電器的設計和使用密切相關，相同的觸點材料在不同電器中的表現(xiàn)情況差異

2、極大，因此，在我國的觸點材料國標中僅僅對觸點材料的靜態(tài)物理性能作出了規(guī)定，而觸點材料的動態(tài)電性能則由電器生產(chǎn)商與觸點材料生產(chǎn)商自行協(xié)商。由于電器生產(chǎn)商往往僅對電器的設計、生產(chǎn)、檢測等方面很熟悉，而對觸點材料的設計、生產(chǎn)不太了解，因此，在觸點材料的選型和應用方面需要觸點材料生產(chǎn)商提供幫助。(一) 項目背景此時，觸點材料生產(chǎn)商應能根據(jù)電器的實際情況，向電器生產(chǎn)商推薦觸點材料或為電器生產(chǎn)商重新開發(fā)觸點材料。這就要求觸點材料生產(chǎn)商對觸點材料在各種電器和各種負載條件下的表現(xiàn)情況有深入的研究。鑒于電器的種類和型號繁多，不可能針對每一種電器型號都進行觸點材料的應用研究，可行的方法是將電器先按開關、接觸器、繼

3、電器等形式分類，再按相應的電器試驗標準設計觸點材料電性能模擬試驗機，在觸點材料電性能模擬試驗機上按電器生產(chǎn)商提出的具體的電器設計參數(shù)進行觸點材料電性能模擬試驗，為電器生產(chǎn)商的設計和應用提供幫助。(一) 項目背景國外大規(guī)模的觸點材料生產(chǎn)商都有自己的觸點材料電性能試驗室，可對各種類型的觸點材料進行大量的電性能試驗，獲取詳實的數(shù)據(jù)，積累豐富的經(jīng)驗，為其觸點材料的開發(fā)和生產(chǎn)提供了有力的支持。由于歷史原因，我國的觸點材料生產(chǎn)商相對于國際著名的觸點材料生產(chǎn)商在實力上有較大的差距，在觸點材料電性能試驗上幾乎是空白。近幾年來，隨著觸點材料行業(yè)的發(fā)展，國內(nèi)的觸點材料生產(chǎn)商和一些電器生產(chǎn)商在各大高校的幫助下，開展

4、了一些觸點材料電性能試驗方面的研究，取得了一些經(jīng)驗，但尚不系統(tǒng)，也鮮見公開報道。(二)立項依據(jù)多年來，關于觸點材料性能與開關壽命的關系問題一直受到觸點材料生產(chǎn)商 與開關電器生產(chǎn)商的關注。選擇何種模擬試驗的形式完成觸點材料性能真實、準 確的評價也因此成為亟需解決的關鍵問題。觸點內(nèi)置于電器開關內(nèi)，以往單獨依 賴觸點開合過程中的電壓降和電流信號進行分析已很難全面闡釋其失效物理機 理。因此，國內(nèi)外眾多觸點材料生產(chǎn)商與開關電器生產(chǎn)商自主研發(fā)或者和高等院 校聯(lián)合研發(fā)了模擬電器開關觸點運動并測試反映材料電接觸特性參數(shù)的觸點材 料電性能測試儀，以實現(xiàn)開關電器結構設計參數(shù)和機構調(diào)整參數(shù)的最佳匹配，以 及觸點材料

5、和氣氛的選擇。(二)立項依據(jù)結合上述問題，隨著科技的發(fā)展，我們對觸點材料電性能測試儀提出了更高的要求：（1）觸點夾具設計上能夠方便的實現(xiàn)對動、靜觸點的加持、安裝和更換，并能控制接觸電阻在較小的量級。（2）能夠適應不同大小的拉壓力、位移、分合速度、電流、電壓等實驗條件需要，如拉壓力0.2N-120N，位移03mm，分斷速度1260mm/s，閉合速度1mm180mm/s，電流0-200A，電壓05000Vdc。（3）加入對氣氛和磁吹對觸點壽命影響的設計。（4）增加 CCD 相機拍攝系統(tǒng)，即觸點表面材料轉移實時測量系統(tǒng)。（5）增加保護電路，提高儀器的安全性。（6）能夠實現(xiàn)接觸力、接觸電壓/電阻、分斷

6、力、動靜觸點位移的同步精確測量、采集、顯示和儲存，為后續(xù)實驗研究提供了條件。（7）軟件和算法方面，實現(xiàn)對燃弧時間和燃弧能量的精確計算，軟件要有更好的集成化和可視化。(三)項目目的與創(chuàng)新點1. 項目目的通過研究、計算、設計、論證，創(chuàng)新地設計一套觸點材料電性能測試系統(tǒng)，并應用能夠精確地測量繼電器閉合過程中的線圈電流、觸點電壓、觸點電流、觸點碰撞力、觸點位移的動態(tài)波形，以及繼電器釋放過程中的觸點電壓、觸點電流、 熔焊力的動態(tài)波形。以上述實時測量數(shù)據(jù)可獲得繼電器中所含觸點材料的電弧與 電接觸性能參數(shù)退化規(guī)律。該系統(tǒng)的擴展能力強，基本設計思路還可應用于各種 結構類型的開關電器中，以實現(xiàn)開關電器結構設計參

7、數(shù)和機構調(diào)整參數(shù)的最佳匹 配，以及觸點材料和氣氛的選擇。本項目研究成果對于打破國外公司技術壟斷， 降低研發(fā)成本，推動技術創(chuàng)新，促進我國的開關電器行業(yè)和觸點材料行業(yè)的發(fā)展 具有重要意義。(三)項目目的與創(chuàng)新點2. 創(chuàng)新點（1）首創(chuàng)性的加入了分斷力的測量，創(chuàng)新性的改進觸點夾具設計，方便充入氣氛，加入 CCD 相機拍攝系統(tǒng)，改進了觸點閉合力的測試結構，這使得測試儀能獲得更多的電器開關專有的工藝調(diào)整參數(shù)，功能更加強大，所得的結論可以直接應用于實際繼電器的結構參數(shù)優(yōu)化以及觸點材料的選擇；（2）采用了壓電陶瓷電機(Piezo)的全新技術和高響應速度光柵尺，能準確模擬和測量實際電氣開關的動作，大大增加了測試

8、儀的精確性；（3）對以往的觸點材料電性能測試儀的核心算法進行改進和修正，開發(fā)出 一套適用于多參數(shù)測量的觸點材料電性能測試軟件系統(tǒng)，用戶可以通過軟件輸入 測試的各種參數(shù)，改變以往裝置同時測量結果實時的顯示在軟件中，大大增加軟 件的集成化和可視化。(四)國內(nèi)外現(xiàn)狀分析1. 電接觸理論的研究現(xiàn)狀關于電接觸的研究可追溯到 Ragnar Holm 1941年的電接觸理論著作中18，時至今日，關于靜態(tài)接觸、滑動接觸、可分合接觸等傳統(tǒng)電接觸問題一直吸引著眾多國內(nèi)外學者的廣泛關注。Pivin 和 Pollock 將宏觀力學中硬度、彈塑性、韌性 等概念引入微觀接觸分析，將表面力的作用等效為載荷作用，由Hertz

9、 彈性接觸理論得到了考慮表面力作用的彈性接觸的修正公式及塑性接觸關系式，并認為粘著能的存在也能夠導致接觸表面產(chǎn)生塑性變形19。在微納尺度條件下材料內(nèi)部結 構中的夾雜和微觀缺陷使得表面間電子出現(xiàn)散射現(xiàn)象，Sharvin由此給出了散射電子輸運過程的收縮電阻形式，Wexler 進而提出綜合宏觀表面收縮與微觀散射效應的接觸電阻計算式20。金屬觸點對在微接觸壓力和弱接觸電流條件下，接觸電阻將由通常的毫歐量級增加至幾歐姆量級，因此接觸電阻的蛻變規(guī)律是評價觸點材料耐極端苛刻服役條件的重要依據(jù)之一。(五)相關技術的未來發(fā)展趨勢1. 集成化將更多的電器開關專有的工藝調(diào)整參數(shù)（磁間隙、觸點開距、機械反力、靜壓力等

10、）對動態(tài)特性以及熔焊力的影響關系，加入同一套系統(tǒng)中，這樣所得的結論對于實際繼電器的結構參數(shù)優(yōu)化以及觸點材料的選擇更加精確。2. 模塊化以往的測試系統(tǒng)是一個整體，可拓展性差，很難加入新的傳感器和測試功能。未來的觸點材料電性能測試儀的各部分是模塊化的，像搭積木一樣可以增加模塊 和減少模塊。3. 多功能化目前的測試系統(tǒng)只能模擬一般的電接觸情況，對于滑動電接觸和滾動電接觸則無能為力，需要開發(fā)新的測試系統(tǒng)，分別測試不同的電接觸情況。未來的測試 系統(tǒng)可以使用一套系統(tǒng)將各種類型的電接觸集成在一起，功能更強大。4. 精確化目前由于受到傳感器的響應速度的限制，一些參數(shù)的實時采集值與實際值還有些誤差，隨著傳感器制

11、造工業(yè)的發(fā)展，觸點材料電性能測試儀的測量參數(shù)將越 來越精確。(六)市場分析觸點行業(yè)雖是一個相對狹窄、邊緣的領域，但其制造工藝又是非常獨特、專 業(yè)、綜合的學科，行業(yè)競爭是全方位的，涉及到材料、電器、自動化、模具、管 理以及金融等多個學科。中國市場對電力能源的需求所引發(fā)的發(fā)電輸變電行業(yè)的蓬勃發(fā)展，可預見仍將保持相當長一段時期，輸變電行業(yè)的發(fā)展必然加大對開關電器的需求，而電觸 點（包括高、中、低壓）均是電器開關的關鍵核心部件，它對電器開關的質(zhì)量與 可靠性有決定性影響。在中國，這一行業(yè)有著廣闊前景和蓬勃發(fā)展的市場，而且 勞動力成本相對較低，平均勞動素質(zhì)不低，很多外資觸點企業(yè)紛紛瞄準了國內(nèi)市 場。目前，

12、歐洲三大電觸點制造商 Umicore、METALOR 和 DODUCO 已經(jīng)在國內(nèi)建 有工廠，并逐年加大投入；日本田中也開始籌備在我國建廠。外資企業(yè)的涌入，沖擊著中國的觸點材料生產(chǎn)企業(yè)，使國內(nèi)生產(chǎn)企業(yè)無論在質(zhì)量、價格、交期或是 服務上都逐漸失去優(yōu)勢，加之國內(nèi)觸點行業(yè)總體產(chǎn)能過剩，必然導致企業(yè)間的低 價競銷，這使得企業(yè)利潤空間縮小，削弱企業(yè)創(chuàng)新能力，不利于企業(yè)核心競爭力 的提升。同時給觸點制造企業(yè)提出了新的課題：如何在激烈的市場競爭中保持可 持續(xù)發(fā)展？(六)市場分析面臨全球化競爭時代，企業(yè)要在激烈的市場競爭中獲勝，就不能僅僅依靠低價競銷，必須提高產(chǎn)品質(zhì)量和服務質(zhì)量，延長產(chǎn)品使用壽命，提升產(chǎn)品的安

13、全性、可靠性，增加和完善產(chǎn)品功能等，引導消費需求，進而開辟和營造新的市場。本項目通過研究、計算、設計、論證，創(chuàng)新地設計一套觸點材料電性能測試系統(tǒng)，并應用能夠精確地測量繼電器閉合過程中的線圈電流、觸點電壓、觸點電流、觸點碰撞力、觸點位移的動態(tài)波形，以及繼電器釋放過程中的觸點電壓、觸點電流、熔焊力的動態(tài)波形。以上述實時測量數(shù)據(jù)可獲得繼電器中所含觸點材料的電弧與電接觸性能參數(shù)退化規(guī)律。該系統(tǒng)的擴展能力強，基本設計思路還可應用于各種結構類型的開關電器中，以實現(xiàn)開關電器結構設計參數(shù)和機構調(diào)整參數(shù)的最佳匹配，以及觸點材料和氣氛的選擇。本項目研究成果對于打破國外公司技術壟斷，降低研發(fā)成本，推動技術創(chuàng)新，促進

14、我國的開關電器行業(yè)和觸點材料行業(yè)的發(fā)展具有重要意義。(七)研究基礎及條件1研究基礎本項目組之前研制過一臺觸點電性能測試儀，如圖1所示。該儀器已經(jīng)運行多年，先后完成了多種規(guī)格的觸點材料在不同電流電壓不同氣氛下的觸點材料電弧和熔焊實驗，具有力、位移、電流、電壓等檢測記錄存儲能力，積累了較多的設計與使用經(jīng)驗。在此基礎上根據(jù)本項目的需要適當改進原有測試儀在使用過程中發(fā)現(xiàn)的問題，使之具有更完善的功能、更精確的測量、更安全的操作、更友好的軟件使用體檢，即可滿足本項目所要實現(xiàn)的商業(yè)化的需要。(八)研究內(nèi)容1. 系統(tǒng)功能與技術指標(1) 動、靜觸點的三維調(diào)整：采用三維手動滑臺和L型支塊的方式，能夠實現(xiàn)X、Y、

15、Z 三個方向上至少25mm行程調(diào)整范圍，配合采用25mm25mm孔陣列光學面包板，可以方便地調(diào)整動、靜觸點任意初始間距及其同軸度。采用 CCD 工業(yè)相機和光學調(diào)焦鏡筒組合構成輔助光學觀察系統(tǒng)，可以輔助實現(xiàn)對動、靜觸點初始間距和同軸度的精細調(diào)整。系統(tǒng)具體指標為：三維調(diào)整行程各25mm，工業(yè)相機像素為200 萬、幀率為25幀/秒。 (2) 致動位移控制：采用壓電陶瓷電機做致動器，驅動高精密滾珠滑臺，并在滑臺上安裝直線光柵尺作為位置反饋，從而實現(xiàn)對位置的閉環(huán)控制。本測試儀擬采用的壓電陶瓷電機分辨率1nm，直線光柵尺分辨率 至少5nm。(3) 隔震性能：垂直共振頻率1.7Hz，水平共振頻率7.0Hz，

16、垂直方向上 10Hz時為-27dB(95.66%)，水平方向上10Hz時為-4.5dB，穩(wěn)定時間通常為15s。 (4) 觸點夾具：動觸點采用類似鉆頭夾的鎖緊器夾持，這種夾持器采用黃銅料加工而成，具有導電率高、夾持力大的特點，因此能夠很好的實現(xiàn)方便更換觸點和較低附加電阻的要求。(5) 接觸電壓測量：接觸電壓采用 NI采集卡測量，采樣頻率2MHz。 (6) 接觸力測量：采用應變式力傳感器，得到力測量量程為-10+30N，精度為至少0.05gf，應變系數(shù)1.8gf/m。(7) 數(shù)據(jù)采集顯示及存儲：采用 LabVIEW 軟件編寫上位機軟件，通過 RS232和 USB 等接口與NI采集卡和Piezo 電

17、機控制器的通信，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、顯示和存儲。數(shù)據(jù)采用 Excel 文件格式存儲，采用 Matlab和 Origin9.0 等軟件進行數(shù)據(jù)處理。(九)關鍵技術1. 機械系統(tǒng)設計（1）接觸力的初始力受力平衡；（2）觸點夾具設計便于更換觸點；（3）氣氛的密封設計。2. 測量與控制系統(tǒng)設計（1）壓電陶瓷電機的控制方法研究與編程設計；（2）為了提高靜壓力的測試精度，消除震蕩對測量的影響，用積分法實現(xiàn) 以壓電式力傳感器準確測量靜壓力的編程實現(xiàn)。3. 對以往的觸點材料電性能測試儀的核心算法進行改進和修正。4. 開發(fā)出一套適用于多參數(shù)測量的觸點材料電性能測試軟件系統(tǒng)，用戶可以通過軟件輸入測試的各種參數(shù)，同時測

18、量結果實時的顯示在軟件中，大大增加 軟件的集成化和可視化。(十)預期成果1. 完成觸點材料電性能測試儀的開發(fā)。該測試儀能夠滿足：（1）機械系統(tǒng)能夠方便的實現(xiàn)對動、靜觸點的加持、安裝和更換，并能控制接觸電阻在較小的量級，能夠實現(xiàn)更大范圍的接觸力和分斷力控制，加入對氣氛和磁吹對觸點壽命影響的設計，增加 CCD 相機拍攝系統(tǒng)。（2）電氣系統(tǒng)方面，增加保護電路，提高儀器的安全性。（3）測量與控制系統(tǒng)方面，能夠實現(xiàn)接觸力、接觸電壓/電阻、分斷力、動 靜觸點位移的同步精確測量、采集、顯示和儲存，為后續(xù)實驗研究提供了條件。（4）開發(fā)出一套適用于多參數(shù)測量的觸點材料電性能測試軟件系統(tǒng)，用戶 可以通過軟件輸入測試的各種參數(shù)，同時測量結果實時的顯示在軟件中，大大增 加軟件的集成化和可視化。2. 在測試儀開發(fā)完成的基礎上，申請發(fā)明專利 12 項。3. 使用新開發(fā)的觸點材料電性能測試儀，做相關實驗，發(fā)表SCI論文12篇。4. 提交關于研究成果的項目總結報告。(十一)進度安排及階段目標1. 2016 年 1 月2016 年 2 月：與相關產(chǎn)品的開發(fā)公司、使用產(chǎn)品的電器開關制造商和觸點材料制造商以及相關高校的研究人員進行溝通，進行