（检测技术与自动化装置专业论文）尘土对电接触影响的实验室模拟方法研究.pdf

尘土对电接触影响的实验室模拟方法研究 摘要 电接触广泛而大量地存在于电子、电力及自动控制等系统内。从 可靠性理论可知，每对电接触触点都是串联在电路系统内的，它相当 于一个电子元件，因此，其接触性能严重影响电子装置及电器的可靠 性，而电接触界面在大气环境中易受腐蚀性介质和尘土的污染，致使 电接触不良，设备的可靠性下降甚至失效。因此，研究环境污染( 大 气、尘土等) 导致电接触故障的机理以及电接触故障对信号传输的影 响，对提高电接触的可靠性，进而提高电子、电力系统可靠性具有重 要意义。 作为研究尘土对电接触影响机理的基础，本论文研究尘土的带电 性与微粒运动特征。根据触点的工作状况，确定影响尘土颗粒在接触 区聚集的主要因素为电场、热与微动效应。采用有限元方法分析了电 接触自身电场和热场对尘土在接触区域沉积的作用，并借助实验设备 进行实验室模拟。通过分析和实验室模拟确定电场对尘土在接触区的 聚集作用特征；触点的接触电阻在工作状态下生成焦耳热形成的热场 对尘土沉积的作用规律。 由于该分析需要对实验对象进行故障再现研究，必须使用相应的 设备进行实验室加速模拟试验，因此，尘土实验箱的研制和箱内空气 流场的分布情况研究较为关键。本论文使用大型有限元分析软件 a n s y s 对尘土实验箱箱内空气流场分布情况进行模拟研究。尘土实 验箱的研制以及其内部空气流场分析，为以后的电接触失效分析探索 一种新的实验室模拟方法。 关键字：电接触尘土实验箱有限元仿真流体 a b s t r a c t r e s e a r c ho nt h el a b o r a t o r ys i m u l a t i o n m e t h o do ft h ei n f l u n c eo f d u s to n e l e c t r i c a lc o n t a c t a b s t r a c t t h e r ea r en u m e r o u se l e c t r i cc o n t a c t si ne l e c t l o n i c s ，e l e c t r i c p o w e r a n da u t o m a t i cc o m r 0 1s y s t e m f r o mr e l i a b i l i t yt h e o 眄w ek n o wt h a te a c h d a i ro fe l e c t r i cc o n t a c ti se s t a b l i s h e di ns e r i e sa so n ee l e c t r o n i cd e v i c ei n t h ee l e c t r i cc i r c u i ts v s t e m t h er e l i a b i l i wo fe l e c t r o n i c sd e v i c e sa n d w i r i n g si sb a d l yi n f l u e n c e db yt h ec a p a b i l i t yo fe l e c t r i cc o n t a c t s c o n t a c t i n t e r f a c ec a nb ep o l l u t e db yc a u s t i cm e d i u ma n dd u s ti nt h ea i r t h a t w o u l dc a u s eb a de l e c t r i cc o n t a c t sw h i c hi nt l l mw o u l di e d u c et h e r e l i a b i l i t yo ft h ee q u i p m e n t sa n de v e nab r e a k d o w n t h e r e f o r et h es t u d y o nt h em e c h a n i s mo fe l e c t r i cc o n t a c t sf a i l u r e t h ei n f l u e n c eo fe l e c t r i c c o n t a c t sf a i l u r eo ns i g n a lt r a n s m i s s i o na n dh o wt oi n c r e a s et h er e l i a b i l i t y o fe l e c t r i cc o n t a c t sa r et h ep r e m i s e st oi m p r o v et h er e l i a b i l i t yo ft h e e l e c t r o n i ca n de l e c t n c a ls v s t e m s a sap r e r e s e a r c ho fm e c h a n i s m so fc o n t a c tf a i l u r ec a u s e db yd u s t ， t h i st h e s i sh a ss t l l d i e dt h ee l e c t r i f i c a t i o na n dm o t i o no fd u s tp a n i c l e s a c c o r d i n gt ot h es t a t eo fc o n t a c t ，i ti sc o n f i m e dt h a te l e c t r i cf i e l d ，h e a t a n dm i c r o m o t i o na r et h em o s ti m p o r t a n tf i a c t o r si n f l u e n c i n gm e d e p o s i t i o no fd u s tp a r t i c l e so nt h ec o n t a c ta r e a t h em e t h o do ff i n i t e e l e m e n ta n a l v s i sh a sb e e nu s e dt of i n dh o wt h ee l e c t r i c a lf i e l da n dh e a t f i e l do ft h ee l e c t r i c a lc o n t a c th a si n n u e n c e dd u s tp a ，n i c l e sd 印o s i t i o no n t h ec o n t a c ta r e a l a b o r a t o r ye q u i p m e n t sa r ea l s ou t i l i z e di nt h es i m u l a t i o n e x p e r i m e n t s f r o mt h ea n a l y s i sa n dl a b o r a t o 科s i m u l a t i o n ，i tw a ss h o w n t h a tt h ee l e c t r i cf i e l dd om o s ti n n u e n c ei nt h ed e p o s i t i o no fd u s tp a r t i c l e s o nt h ec o n t a c ta r e a sa n dt h ea f r e c to f j o u l eh e a tp r o d u c e db yt h ew o r k i n g c o n t a c tr e s i s t a n c eo ft h ec o n t a c tp o i n ti sa l s oe a s yt ob es e e n f o rm ea n a l v s i s ，i ti sn e c e s s a r yt or e p r o d u c et h ef a i l u r e ；c e r t a i n e q u i p m e n t sa r en e e d e dt oa c c e l e r a t et h ep r o c e s s e si nt h el 山o r a t o t h e r e f o r e ，t h ed e v e l o p m e n to ft h ed u s tc h a m b e ra n dt h ea n a l y s i so ft h e 北京邮电大学工学硕十学位论文 n o wa n dd i s t r i b u t i o no ft h ea i ri nt h ec h a m b e ra r ev i t a lf o rt h es t u d y t h e a n a l y s i so ft h ea i rn o wa n dd i s t r i b u t i o nh a sb e e np e r f - o m e db yt h e a n s y ss o r w a r e t h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fd u s tc h a m b e ra sw e l l a st h ea n a l y s i so fi t si n s i d ea i rf l o ww o u l db e c o m ean e wm e t h o do f l a b o r a t o 叫s i m u l a t i o nf o r 如t u r ea n a l y s i so fe l e c t r i c a lc o n t a c tf a i l u r e _ k e yw o r d s ：e l e c t r i c a lc o n t a c t ，d u s tc h 锄b e r ，f i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o n ， n u i d 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究t 作及取得的研究成果。尽我所 知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢 意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名： 钙分辨日期：乡4 二多丑 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部 或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位 论文在解密后遵守此规定) 非保密论文 本人签名： 导师签名： 于保密范围，适用本授权书。 日期： 丝! 羞：三：左 日期：迎! g ：竺一 第一章绪论 1 1 电接触科学简介 第一章绪论 西方经济发达国家很早就认识到了电接触的重要影响，在上世纪5 0 年代就 提出了比较完善的电接触理论，并在以后这半个多世纪以来不断地补充完善电接 触理论。但是，局限于当时的技术背景，经典电接触理论主要是研究直流特别是 大电流电路中电接触的影响。在当今这个信息社会里，通信系统及计算机系统中 的电接触可靠性及其对信息传输的影响变得越来越重要了；而我国至今对于电接 触这一学科的重要性还没有充分的认识，更不用说研究其对通信系统及计算机系 统中信号传输的影响了。作为本文工作的背景阐述，本章介绍了在电接触领域中 一些常用的概念、名词和术语，以及经典电接触理论中的一些基本的理论及前人 工作中得到的重要结果，其中包括通信系统中电接触的理论模型，用来分析电接 触故障对信号传输影响。 1 1 1 电接触科学的定义 电接触是一门研究电子可靠性连接的科学。“电接触”简单地说，就是通过 机械接触或其它连接方式以达到顺利的电气连通，是用来描述两个组件因带电接 触而产生的一种状态。这两个组件本身被称为接触件。对于电接触最主要的要求 是能够长时间地保持低且稳定的接触电阻。因此，接触件材料应当具有良好的导 电性能。在电子和电力系统中，元件之间，电路之间，设备之间乃至元件内部之 间都需要可靠的电子连接。传统上，称这门学科为电接触学科( s c i e n c eo fe l e c t r i c c o n t a c t s ) ；近年来，也有不少人称之为电子连接与内部连接系统的学科( s c i e n c eo f e l e c t r o n i ca n di n t e r c o i l i l e c t i o ns y s t e m ) 。应用该学科理论及科研成果所制造的元件 如连接器( c o i 1 e c t o r ) 、继电器( r e l a y ) 、开关( s w i t c h ) 、键盘( k e y b o a r d ) 、电位器 ( p o t e n t i a lm e t 神、电刷与导电环( b n l s h s l i p 血g ) 等称之为机电元件 ( e l e c t r o m e c h a j l i c a lc o m p o n e n t ) ，取这个名字的原意是指通过机械连接装置达到电 子连接的目的。 各种电子与电气设备或系统，不管是通信系统、控制系统、测量系统、机系 统还是电力传输系统，都是由各种不同的电子或电气元件通过一定的连接方式或 方法，连接到一起而构成部件、设备直至整个系统。尽管连接的方式各异，如： 永久性连接( 固定连接) 包括各种焊接、压接、绕接、铆接等；永久性连接( 半 固定连接) 包括各种电子、电气的连接器、小型丌关及继电器盘、电位器等；滑 北京邮电大学t 学硕十学位论文 动连接包括电气及电子的导电环与电刷对；电弧连接包括各种电气、电子的开关、 继电器乃至大型断路器等。但其目的只有一个，就通过两个( 或多个) 导体的相 互机械接触而将不同的元件连接起来，从而为电信号或光信号的传输提供一条完 整的、稳定无故障的通道。 因此，电接触可以定义为：以达到顺利的电气连接为目的的机械接触或连接 方式为电接触。 对于实际接触的两个导体称为电接触对或电接触付，两个导体上实际接触表 面称为电接触表面或电接触点( 因为其很小) 或简称为电接触点( 而对于两个导 体正在接触时的接触部分，通常也合称为电接触点或触点，实际上包含了分别在 两个导体上的两个触点) 。在不会造成误解的前提下，都简单地统称电接触。 1 1 2 电接触科学的重要意义 在通信系统及电力传输系统中，存在大量的连接环节，任何一个环节出现故 障都会影响系统的可靠运行。以阿波罗登月飞船为例，该飞船上大约有一百万个 接点，登月成功表明这些接点是相当可靠的，但是，美国宇航局却为此花费了l 亿多美元。因此，要使电接触点可靠不是件容易的事情。与其他元件不同，接触 点大多暴露在空气中，而空气中的尘土、腐蚀性气体、湿度、温度等都会直接影 响到接触点的可靠性。近年研究表明【4 】，电接触故障是数字通信系统中高误码率 的主要原因，实际上电接触发生故障相当于在电路系统中加入一个多边的网络， 从而造成误码，这种误码大多无法用电路方法来消除。 由于接触表面有一定粗糙度，真正的接触点非常小( 大多在微米级范围内) 。 一旦在该处介入灰尘颗粒或腐蚀物质，用宏观方法是无法观察到的，只有借助于 微观检测方法。常用的微观检测有扫描电子显微镜( 观察形貌) ，x 射线能谱仪， 光学显微镜( 观察形貌) ，三维形貌仪( 检测粗糙度) 等。 由于腐蚀物质大多为绝缘物质，因此接触表面不能用普通金属，常用的大多 为贵金属，如金元素，镍元素等，因此价格也较为昂贵。 检验接触表面的质量通常用微观方法。机电元件( 如连接器) 的质量比较难 以鉴别的一个原因是时延效应。其他电子元件如集成电路用仪器当场鉴别即可， 而检验接触点质量却无法做到。比如，镀金质量，有的镀会层表面微孔很多，需 要经过腐蚀成为一定的腐蚀物质后才能形成故障。因此，鉴别质量有一个时延效 应。这是造成难分优劣的一个主要原因。 由此可见，机电元件从设计上虽然保持一定的传统机械设计方法，但内容却 极其复杂，包括防腐蚀、防灰尘、绝缘等。因此，电接触科学及其应用是一门交 叉学科，涉及到机械、电子、材料、化学等多门学科。从可靠性角度来讲，用于 2 第一章绪论 通信设备中重要的连接器，要在恶劣的环境中应用，而又要求价格低廉是很困难 的。一位法国通信公司的总裁在上世纪8 0 年代末曾估计说，在通信系统中，仅 连接器、继电器、键盘这三种元件，就大约占整个通信成本的1 5 一2 0 。仅 以连接器为例，1 9 9 7 年国际市场销售额就达到了大约2 4 0 亿美元( 不包括中国) 。 在国外，自上世纪5 0 年代起就开始了电接触科学的研究。美国通用电气、 通用汽车、日本的松下等公司都设有机电元件研究所及工厂。专门化的公司更是 如此，如美国的a m p ，m o l e x 等公司专门研究生产连接器。同时，上世纪5 0 年 代在美国成立了h o l m 电接触年会；1 9 6 4 年开始成立国际电接触委员会 ( i n t e m a t i o n a la d v i s o r yg 胁u po ne l e c t r i cc o n t a c t ) ，负责每两年一次的国际电接触 会议，现己历时2 0 届。r 本真野国夫教授领导的日本机电元件研究会，每月召 开一次学术会议，到2 0 0 7 年止，已超过6 0 0 次。 苏联与东欧国家由于军备竞赛的原因，自上世纪7 0 年代起，也开始发展这 门科学，现在已经达到很高的水平。不论西方国家还是前苏联系统的国家，电接 触科学在各国高等教育和科研中都得到非常积极的反应。以日本为例，大约有十 几所大学的教授从事电接触科研和教学。电接触虽然是一门交叉学科，但却是一 门独立学科。它有独立的理论和特殊的研究方法，有独自的工业和研究、教育体 系以及独立的学术组织。电接触科学是随着电子学的发展而发展的，并且一直是 i e e e 学会中最活跃的分支学科之一。 综上所述，电接触是一门边缘学科，应用相当广泛，涉及到强电、弱电系统。 随着微电子和机电元件进一步向高密度、小型化发展，对电接触的性能也将提出 更高的要求。 1 1 3 环境因素对电接触可靠性的影响 环境对于产品来说是一个无法回避的、必须加以考虑的因素。环境从各方面 使产品性能劣化，如温度、湿度破坏表面保护层，使电子元件受损产生绝缘击穿、 电阻值改变等；振动冲击造成应力腐蚀；大气中的盐和其它污染物引起化学腐蚀 等。环境的破坏作用会降低产品的使用寿命，有些产品甚至在投入使用前的运输 和储存中就已经损坏了。多年来积累的统计数据表吲3 1 ，环境引起产品的故障数 占总故障的5 2 左右，在这5 2 的故障中，各种环境引起的故障百分比如图1 1 所示。从图1 1 可见，大部分故障是由温度、湿度和振动环境引起的【5 1 。 下面以电接触领域来说明环境试验的重要性。 电接触元件易受周围环境( 大气尘土、腐蚀性气体、温度与湿度等) 的影响， 而造成接触故障。我国是个多尘土的国家，尘士的污染非常严重。研究表明：尘 土污染是造成机电元件电接触故障的主要原因之一【6 】。尘土直接吸附在机电元件 北京邮电大学_ t 学硕士学位论文 接触表面上，会造成闭合时的高电阻值；在电镀金的过程中吸附在镀件表面会形 成镀金表面微孔。尘土成分中含有可溶性盐，当其附着在微孔附近时，在潮热环 境下会形成电解液腐蚀微孔底部金属，腐蚀生成物蔓延聚集到微孔表面，也会出 现高接触电阻。 图1 1 各种环境引起的故障百分比 尘土在接触表面沉积的影响因素有很多，包括颗粒与接触表面之间的附着 力、颗粒的大小、成分、形貌、接触表面的形貌、粗糙度、电场、尘土的带电量、 通过触点的电流产生的焦耳热、环境的温湿度、外界振动等【3 】。其中，颗粒与接 触表面之间的附着力、颗粒的大小、成分、形貌、接触表面的形貌、粗糙度等因 素，主要影响由其它因素带来的尘土，在接触表面是否会沉积下来。环境的温度 变化使电连接器内部产生气体流动，尘土得以侵入。湿度的变化益于尘土在材料 表面附着，并有利于尘土对接触表面产生腐蚀、污染等不良作用。直接影响空气 中的尘土颗粒在接触区域沉积的因素，主要考虑电场、热、微动效应使接触区附 近的颗粒进入接触区的可能。 为了模拟周围环境对电接触可靠性的影响，需要设计研制尘土实验箱。使用 尘土实验箱可以模拟出在外部条件的作用下，尘土是否可到达电连接器内部的敏 感部位，从而造成电连接故障。 1 2 电接触可靠性环境实验简述 1 2 1 环境实验简介 任何产品在运输、贮存和使用过程中都将暴露在一定的气候、机械、生化等 环境中。环境试验就是将产品暴露在天然或人工环境中，对其在可能遇到的环境 4 第一章绪论 下做出性能评价的试验，简单地说就是对产品进行环境适应性的试验。环境试验 的目的是： ( 1 ) 确定单一或多个环境因素对产品的影响，考核产品的环境适应性。 ( 2 ) 作为产品的验收试验，看其是否符合规定的环境要求，产品是否合格。 ( 3 ) 筛选出不合格的或有潜在缺陷的产品，提高产品的可靠性。 因此，环境试验对于保障产品的性能与质量起着至关重要的作用，广泛应用 于军用产品和民用产品的研制和生产过程中。 环境试验分类方法是多种多样的，根据试验场所不同可分为外场试验及实验 室试验： ( 1 ) 实验室试验：一般在实验室内进行，又叫人工模拟试验，是用人工的 方法创造出某种气候环境或机械环境，将试验品放在此环境中试验。人工模拟试 验具有与天然暴露试验相似的模拟性，并具有加速性，可大大缩短试验时间。并 且其环境应力、负载条件的施加都可严格控制在容差范围内，保证全部试验在受 控条件下进行，故重现性好，有可比性；其缺点是受到设备的限制，一般是试验 一些体积较小，重量较轻的产品，且有时对非常真实的综合环境的模拟性较差。 ( 2 ) 外场试验，又可分为天然暴露试验和现场试验： a 天然暴露试验：将产品或材料在自然气候条件下暴露，考核其环境适应 性，试验样品一般不工作，试验的时间很长，往往需要多年后才能评估其结果。 这种试验准确、严格、真实、其结论比较权威，多为国家或大的工业集团采用。 b 现场试验：由于实验室设备受到各种限制，许多试验品( 如军用装备) 不可能在实验室中进行各种环境试验。即使能够试验，也不可能完全真实地模拟 现场的使用环境，因此无法进行真实的考核。所以不仅是大设备，就是能在实验 室进行环境试验的小设备，有时也需要进行现场环境试验，以补充实验室的不足。 现场试验的优点是真实、可靠，能起到实验室起不到的作用；缺点是试验环境条 件不能保证在受控条件下进行，故其试验条件和试验结果的重现性较差。 另外，根据产品在寿命期内可能遇到的环境类型，环境试验可分为：温度试 验、湿热试验、振动试验、冲击试验、低压试验、淋雨试验、盐雾试验、沙尘试 验、噪声试验、热磁辐射试验、霉菌试验等多种单因素试验以及多因素综合试验。 1 2 2 环境试验设备发展历程 最早期的环境试验是在天然环境条件下进行的。这种试验虽然直观可靠，无 需特殊的试验设备，但受到地区性环境条件的限制，试验时间长、重现性差。为 了及时、准确地验证产品的环境适应性和可靠性，各国纷纷投人可观的人力和财 力，研制和生产能模拟天然环境条件的试验设备。1 9 1 4 年，j a c a p p 制成一台 北京邮电人学工学硕士学位论文 能模拟盐雾环境的简易试验设备。1 9 2 1 年，德国西门子公司研制出世界上第一 台湿热试验箱。1 9 2 9 年，世界上首家环境试验设备厂商在德国开业。而后，英、 美、日等国也先后开始研制和生产环境试验设备。 目前国外的环境试验设备已有1 0 0 0 多个品种，可以覆盖各种试验方法与标 准。而我国的环境试验设备因起步较晚，总体技术水平与国外相比还有一定的差 距。高档产品少，中、低档产品多；单参数的环境试验设备多，多功能现代化的 大型精密试验设备少( 如综合环境试验设备及拼装式大型试验室等) 。下面以温 度试验箱、湿热试验箱为例，介绍一下国内设备发展状况。 ( 1 ) 温度试验箱 温度试验箱包括：高温试验箱、低温试验箱及高低温交变试验箱。生产单纯 的高温试验箱的企业不多，规格也少。而生产名为低温试验箱，实则为低温、高 温兼用试验箱的企业比较多。 ( 2 ) 湿热试验箱 湿热试验箱有恒定湿热试验箱和交变湿热试验箱。恒定湿热试验箱又称为调 温调湿箱、恒温恒湿箱，工作室容积基本上都在1 立方米以下。 在今后，我国的环境试验设备与技术应朝以下方向发展： ( 1 ) 虚拟试验与真实试验相结合。将计算机仿真技术应用于环境试验，让 计算机构筑出一个虚拟的环境试验设备，为我们研究、观察环境试验提供一种全 新的手段。 ( 2 ) 环境试验箱向多功能发展。目前，我国较为成熟的环境试验设备，多 是模拟一种或几种互不相关的独立参数，而不能综合多种环境参数。但是试验品 在寿命期内面对的环境应力并不是单一的，而是多种环境应力。因此，目前环境 试验多是在几个试验环境中分阶段的进行，这样的试验效果往往不太理想。今后， 应着重发展多功能复合试验箱。本课题的尘土实验箱就是一种多功能复合试验 箱。 1 2 3 流体仿真对环境实验设备的重要意义 c f d ( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y i l 锄i c s ) ，即计算流体动力学，是目前国际上一 个强有力的研究领域，是进行传热、传质、动量传递及燃烧、多相流和化学反应 研究的核心和重要技术，广泛应用于热能动力、航空航天、机械、土木、水力、 环境化工等诸多领域。c f d 方法是研究空气动力学问题的有效而经济的方法， 利用c f d 计算流体力学软件可以相对准确地给出试验箱内空气流动的变化细 节，如温度场、压力场、速度场等，掌握其运动变化规律。随着计算机技术的发 展，c f d 技术已逐步成为工程研究领域中不可缺少的工具之一【_ 7 】【8 】，合理的利用 6 第一章绪论 c f d 技术能弥补设计中的缺陷，为将来的试验箱内部气流组织提供重要的参考 依据。 传统设计方法在设计初先拟定方案，经过大家讨论评定后，再按照最合理的 方案进行设计；或者是搭建模型，利用相似原理做模型试验。随着计算机技术的 发展，利用计算机求解满足各种守恒控制偏微分方程组的流体流动的计算流体力 学c f d 技术得到了很大的发展。与传统的设计方法相比，利用c f d 模拟技术进 行设计具有以下优势：经费开支更少，需要更少的试验模型，却可以在极短的时 间内得到模拟结果，为缩短开发周期奠定了基础。c f d 软件应用的优点大致归 纳如下：a 可以更细致地分析、研究流体的流动、物质和能量的传递等过程；b 可以很容易地改变试验条件、参数，以获取大量在传统试验中很难得到的信息资 料；c 整个研究、设计所花的时间大大减少；d 可以方便地用于那些无法实现具 体测量的场合，如狭窄的j x l 腔；e 根据模拟数据，可以全方位地控制过程和优化 设计。本文利用数值模拟方法进行设计的目的，就是为了在设计过程中能清楚的 看到未来建成试验室的通风效果，尽量避免一些在设计中难以估计的问题出现。 因此利用c f d 方法可以对实验箱内空气流动的速度场、温度场、湿度场以及有 害物浓度场等进行模拟和预测，对于保证良好的实验箱气流组织设计方案，提高 实验箱内空气品质有重要的意义。 1 3 主要研究内容和意义 1 3 1 本论文的主要研究内容 本论文的主要工作有三部分： 首先，分析和模拟环境因素( 如尘土、温度、湿度、电场等) 对尘土沉积的 作用以及接触区尘土污染严重性的影响。这部分工作主要是通过理论分析结合 a n s y s 仿真的方法分析电场和热场对尘土沉积的影响；同时采用实验方法，并 借助各种微观实验仪器对实验结果进行观察、分析、判断，确定电接触连接器自 身电场和热场对尘土沉积的作用。实验结果与理论分析结果相互验证。 其次，分析国家标准对尘土实验设备各方面的试验要求，确定需要达到的最 高标准，以此为根据提出尘土实验箱的设计方案。对箱体的形状尺寸、进( 出) 风口的位置、进风口风速和样片摆放位置等提出具体设计方案。对实验箱的温湿 度控制方式和尘土密度测控方式提出设计方案。 最后，针对实验箱的结构特点，将c f d 计算流体力学软件应用到试验空间 内气流的研究中，用a n s y s 软件模拟试验空间内气流的流动状态，根据模拟分 析结果，为将来尘土实验箱的结构设计提供一些可靠的指导性方法。 北京邮电大学工学硕士学位论文 主要进行以下几个方面的理论分析与计算： ( 1 ) 建立合适的、与实际情况尽量吻合的物理、数学模型。 ( 2 ) 选取合适的紊流模型，对实验箱内测量区域进行数值模拟分析。 ( 3 ) 用a n s y s 软件模拟尘土实验箱内部气流分布情况并进行分析，然后 对尘土颗粒在气流场中的分布情况进行研究。 1 3 2 本论文的意义 本论文对所研究的电接触失效进行了较详细的分析，采用有限元方法分析了 电接触自身电场和热场对尘土在接触区域沉积的作用，并由此得出尘土对该连接 器性能的影响，找出引起电连接器失效的可能原因，进而提出该连接器在加工工 艺以及日常使用中需要注意的地方。尘土实验箱的研制及其内部空气流场分析， 为以后的电接触失效分析探索一种新的实验室模拟方法。 第二章电接触电场和热场对尘土沉积的影响 第二章电接触电场和热场对尘土沉积的影响 尘土是接触区污染物的主要成分，但是，该电子产品的外壳设计的非常严密， 尘土颗粒是怎样进入产品内部并且在接触区聚集的昵? 本章将就尘土在接触区 沉积的可能影响因素进行探讨。 尘土在接触表面的沉积的影响因素有很多，包括颗粒与接触表面之间的附着 力、颗粒的大小、成分、形貌、接触表面的形貌、粗糙度、电场、尘土的带电量、 通过触点的电流产生的焦耳热、环境的温、湿度、外界振动、热应力等条件的影 响下产生的微动等。其中，颗粒与接触表面之间的附着力、颗粒的大小、成分、 形貌、接触表面的形貌、粗糙度等因素主要影响由其它因素带来的尘土在接触表 面是否沉积下来；坏境的温、湿度通过作用其它因素( 尘土颗粒的荷电量、空气 中的尘土颗粒密度等) 而起作用。直接影响空气中的尘土颗粒在接触区域沉积的 因素主要考虑电场、热，微动效应有使接触区附近的颗粒进入接触区的可能。 在自然界中，尘土绝大部分是带电荷的，而连接器在工作中也通常处在特定 的状态下( 如接通和断开状态) ，连接器会因此在其周围产生电场，并影响带电 尘土颗粒的运动。同时由于接触电阻的存在，连接器工作时会有焦耳热生成，从 而使触点局部温度升高，在其周围环境形成热场、造成热对流，漂浮在空气中的 尘土颗粒就会随着气流的运动而运动到触点附近。本章分析了电接触连接器产生 的电场和热场对尘土沉积的影响。 2 1 电场对尘土沉积的影响 处于未接通状态的连接器，由于接触对之间的电势差，在其附近的空间内会 形成电场。对于带电的尘土颗粒而言，这样的外加电场肯定会对颗粒的行为造成 影响。 2 1 1 尘土颗粒的带电特征 尘土颗粒在电接触表面的吸附与它带有的电荷和外加电场有着密切的联系。 当带电尘土颗粒接近接触表面时，颗粒与表面之间建立的电场会增加尘土颗粒在 表面吸附的可能性。当空间存在外加电场时，带电尘土颗粒会在电场力的作用下， 加速吸附在电接触表面上【9 1 。 使用s e m e s ( 电子扫描电镜和x 射线能谱仪) 对失效的连接器触点进行 分析发现：触点接触区域的污染远远高于非接触区域。进一步的研究发现：污染 9 北京邮电大学t 学硕七学位论文 物中主要成分为尘土。这种现象是由于机电元件在使用过程中是带电的，触点接 触区域的电场强度高于非接触区。 因此，通过仿真研究尘土颗粒在连接器产生的电场( 外电场) 作用下的受力 状态和行为特征，对于研究尘土颗粒在电接触表面的吸附行为有着重要的指导意 义。 尘土颗粒部分带正电荷，部分带负电荷，少量不带电。其中，相同尺寸的颗 粒中，带正电荷的颗粒多于带负电荷的颗粒。尘土颗粒的微观形貌非常复杂，为 了简化尘土颗粒的模型，将尘土颗粒视为理想的球体，仿真计算中所涉及的尘土 颗粒的各项参数和计算公式如下【1 0 】： 尘土平均密度( p ) ： 2 3 1 0 3 堙 尘土颗粒半径取值范围( r ) ：o 4 2 5 m 尘土颗粒所带负电荷量的变化趋势： y = 1 0 2 x 3 + 8 7 2 1 0 6 x 2 7 5 4 1 旷1 3 x + 1 5 8 l o - 1 8 尘土颗粒所带f 电荷量的变化趋势： j ，= 5 2 5 石3 1 0 6 1 0 一5 石2 + 3 7 2 1 0 一1 1 x 一1 3 4 1 0 1 7 式中，y 表示带电量，单位为库仑( c ) ；x 表示颗粒半径， 尘土颗粒质量计算公式： m ：要欣，p j 式中，m 表示尘土颗粒质量，单位为千克( 埏) 。 ( 式2 1 ) ( 式2 2 ) 单位为m 。 ( 式2 3 ) 尘土颗粒质量取值范围：o 6 1 6 6 1 0 一5 堙1 5 0 5 3 4 6 1 0 叫5 堙 尘土颗粒带负电荷电量范围( q ) ：2 7 3 8 9 1 0 。1 8 c 7 0 1 3 2 5 1 0 。1 8 c 式2 1 和式2 2 在 o 4 l o _ 6 ，2 5 1 0 - 6 区间内的曲线如图2 1 所示。 图2 一l 尘土颗粒带电量随半径变化趋势图 l o 第二章电接触电场和热场对尘土沉积的影响 如上图所示，在o 5 1 4 0 7 1 0 巧m 尺 2 5 1 0 “m 的范围内，相同尺寸颗粒所 带的正电荷一般要大于所带的负电荷。所以，外加电场对带负电荷颗粒的影响力 相对较弱。另外，由于式2 一l 和式2 2 的变化趋势相同，且函数值处在同一数 量级，在分析外加电场对带电尘土颗粒的影响时，即使只以带负电荷的颗粒作为 对象，得出的结论也同样适用于带正电荷的尘土颗粒。 2 1 2 电接触间电场的分析 本节通过a n s y s e m a g 模块分析电场对带电尘土颗粒运动改变的作用。从 对失效电子产品连接器形式观察可知所研究失效电子产品中接触对大都是圆弧 形触头对平接触面，其场强形式及其对带电尘土颗粒的作用如果用有限元模拟的 方法进行分析，可以充分利用有限元电磁仿真的形象化及便利性说明问题。 尘土颗粒在产生及运动过程中，由于撞击、摩擦、放射线照射及电晕放电等 作用的影响会产生荷电，电场对荷电尘土颗粒就会产生电场力。在接触对正常连 通的情况下，由电场知识知道在触点接触区处的场强最弱，此处对荷电颗粒的力 的作用也最弱，所以考虑电场对尘土颗粒的作用主要考虑接触对的连通断开的情 况，这种分析是建立在接触对在工作中会出现不影响f 常工作的断开的基础上 的。接下来我们对出现接触对断丌所形成电场对带电尘土颗粒的作用进行两种形 式的分析：( 1 ) 双平行极板形成电场的作用；( 2 ) 球形触头与平板分开形成电场 的作用。 典型的有限元分析分为三个阶段：即前处理阶段( p r e p r o c e s s o r ) ，求解阶段 ( s 0 1 u t i o n ) 及后处理阶段( p o s t p r o c e s s o r ) 。电场分析的基本步骤为：过滤图形 界面一定义单元和材料性能一建模、分配单元、材料和网格划分一加激励载荷、 选择求解器求解一后处理。 在两导体平板间加上恒定电势，则两平板形成的是均匀电场，有限元模拟结 果如图2 2 所示；当触头与平接触面两者分开时，在触头与平接触面间加恒定 电势，形成的最大场强出现在触头与平接触面正对区域，并且以此为中心向四周 逐渐减弱，有限元模拟结果如图2 3 所示。 北京邮电人学t 学倾i j 学位论文 n ls o l u t i o n s t e p i s 叮b l t i h z l e r s u h - v g i r s y 8 - 0 s 聊h - 。 q o e 一0 7 s l t 2 0 2 7 z = = j 嘲麟嬲嘲嘲嬲嬲弱孵黑蔫焉囊囊暖霸绷 q q o e 0 7o 哼4 s0 8 8 9 0 1 1 3 3 3 5 11 7 7 日0 1 0 2 2 2 2 50 6 6 6 7 61 l l l 2 61 5 5 5 7 62 0 0 0 2 7 e 1 0 c t r i cp i e l d 图2 2 平行平板形成的电场 图2 3 触头与接触平面分开时形成的电场 从触点剧围场强的自限元模拟来看：平板问电场在平板两头逐渐减少，半板 中问部分为均匀电场。当触头与甲接触研分丌时，其最大电场弧存中间部位。电 场强度只是从电场的分布情况方而射触头与平接触面问可能的状况予以说明，为 了更形象的晚明在不h 的接触状况l 、- ，尘土颗粒的运动，需要对求解结果作粒子 跟踪的处理。图2 4 为半板问电场内的带 尘土运行轨迹。图2 5 触头与接触 第二章【乜接触【u 场和热场对尘十沉积的影响 平面分丌时电场内带电尘土的运行轨迹。 图2 4 平板间电场内的带电尘土运行轨迹 图2 5 触头与接触平面分开时电场内带电尘土的运行轨迹 从图2 4r f l 带电颗粒的运动轨迹可以看出，原本甲行向右的颗粒山于受到 电场力的作用i n j 偏向边的平板，最后撞向极板。但由j i 两甲行极板形成的是匀 强电场，矽j 始状沙样的带电颗粒受到的作用也一样，冈此各颗粒的运动发生同 样程度的改变，其存极扳上的分和密度仍然人敏成均匀状念。 北京邮电人学工学硕士学位论文 从图2 5 中进入电场的带电颗粒运动轨迹来看，当触头与平接触面处于断 开状态时，在触头与极板正对处场强最大，带电颗粒在电场力的作用下，运动轨 迹发生明显的改变，并且由于各处场强的大小不一样，初始状况一样的带电颗粒 受到的电场力作用也不一样，因此各颗粒的运动发生改变的程度也不一样，越接 近中心区域，电场力的作用越大，带电颗粒运动轨迹的改变也越明显，出现颗粒 集中的趋势，在触头与平接触面的欲接触区将有可能沉积更多的带电颗粒。 2 1 3 电场对带电尘土的捕获区域 本文通过一个简单的二维模型来模拟典型的球形触头与平面的接触对。模型 的尺寸参数如图2 6 所示，单位为毫米( m m ) 。 图2 6 中，d 表示触头与接触平面的间距；s 1 为一个完整的半圆，表示球 形触头；s 2 表示接触平面。 在利用a n s y s 进行仿真时，s 1 上将施加大于o 的电压载荷，用字母v 表 示；s 2 上将施加等于0 的电压载荷，然后计算模型周围自由空间的电场分布。 图2 6 模型示意图 当间距较小时，电场强度矢量分布一般如图2 7 所示。 电场强度较大的区域主要集中在球形触头顶部，靠近接触平面的部分。连接 器外侧( 上图中a 、b 、c 区域) 电场强度明显低于中间部分。a 和c 区域内的电 场强度在x 方向上的分量较大，而b 区域的电场强度在y 方向上的分量较大。电 场强度的方向性将对颗粒吸附产生很大的影响。在连接器外侧，x 方向的分量在 颗粒吸附过程中将发挥主要作用，因为它作用于颗粒上的电场力直接指向连接 器，电场力的方向与带电颗粒的极性有关。而在连接器外侧，v 方向的分量并不 指向连接器，它作用于带电颗粒上的电场力仅仅加速颗粒在垂直方向的运动。因 1 4 第二章l u 接触f 【! 场和热场对尘十沉积的影响 此，当y 方向的电场强度分量明显大于x 方向时，可以有效减少带电颗粒在连接 器上的吸附量。 图2 7 电场强度分布 电源电压越高，球形触头与接触平面之问的电势筹也越大，连接器周电场 分布也会发生变化。通过i 直l 定间距d ，改变施加在s 1 上的电压钱荷( v ) ，观察 捕获区域面积的变化，米研究电压j 捕获区域面积之问的关系。 当电压较小时，捕获区域面积与电压主要呈线性关系，当电压人于2 5 0 v r j 存时，捕获区域面积与电压的平方成正比。如图2 8 所示。 球形触头与接触平面之问间距的变化，必然引起周围电场分布的改变。通过 | 直i 定s 1 上的电压载荷v ，改变问距d ，观察捕获区域面积的变化，来研究1 1 = i j 距d 与捕获区域面积之间的关系。 图2 8 捕获区域面积随电压的变化趋势 北京邮电大学工学硕士学位论文 在电压一定的情况下，捕获区域面积与间距之间存在抛物线关系，如图2 9 所示。当间距较小时，捕获区域面积随着间距增大而增大，当间距大于一定量 时，捕获区域面积随间距增大而减小。前者主要原因是，间距增大使平面和触头 之间的空间增大，电场能够分布在更广的空间内。当间距相对于电压过大时，电 场强度会急剧下降，导致捕获面积减小。 图2 9 捕获区域面积随间距的变化趋势 2 1 4 实验 实验装置如图2 1 0 所示，样片材料为黄铜，有效宽度为1 2 m m ，有效长度2 5 唧， 每对样片问距7 m m 。基座为绝缘材料，基座上每隔1 3 0 姗固定一对样片。 实验分两组进行，a 组1 2 对样片，不加载电压，b 组1 2 对样片，加载3 0 v 电压，同时在北京邮电大学1 4 层1 4 1 3 室内放置7 3 小时。 图2 1 0实驺设备图 将放置7 3 小时后的样片放置在光学显微镜下观察，分别估算a 组和b 组样 片上较大颗粒的数量，结果与前文的结论相吻合。图2 一1 1 为样片局部放大图片。 1 6 第二章 u 接触电场和热场对尘 ：沉积的影响 辫鬻篓 淤黻曼 2 2 热场对尘土沉积的影响 图2 1 2 b 加载电压 我们知道，触点的接触电阻在工作中由于电流通过会有焦：耳热生成，从而使 触点局部温度升高