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四线开尔文测量有助于提高电缆可靠性
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四线开尔文测量有助于提高电缆可靠性

2020-06-10 14:12:50 来源:连接器世界网 作者:ChristopherE.Strangio

【大比特导读】本文简要分析了四线测量的特点和应用。

测量标准四线灵敏的毫欧电阻有助于定位不良的焊点,错误的卷曲,凹槽引脚,引脚接触污染,不适当的线规,和应力挤压等。

四线开尔文精确测量电阻值可能小于0.1Ω,同时要减掉连接测量仪器与被测量部件引线的固有电阻。高质量的数字多通道万用表(DMM)测试引线(24英寸长,两端有插头)通常会呈现出约0.1Ω的自然电阻。当使用两个这样的引线连接到被测单元(UUT)时,测量阻值至少0.2Ω。此外,插头引线上的轻微污染,无论是来自手指油、灰尘或腐蚀,都会增加额外的电阻,导致测量值在引线或插头出现变化。

当测试主要传输电流的电缆,或在医疗或军事应用中必须确保极高的可靠性时,精确测量低值电阻是必要的。对于传输电力的电缆,正如您可能在交流电分配或无线电发射机中发现的,低电阻连接可能导致高阻故障,从而产生火灾或爆炸危险。例如,在医疗应用不主要用于载流的电缆,与连接监视器和高精度传感器的细线连接如果有问题,可能会产生生命临界测量误差或导致电路误操作。四线的毫欧敏感性测量有助于定位不良的焊点、错误的卷曲、凹槽引脚、引脚接触污染、不适当的线规和应力挤压等。

什么是四线测量?

欧姆定律将“电阻”(R)定义为跨组件的电压(V)与通过它的电流(I)之比:

R = V/I

为了测量电阻,我们对电线施加测试电流,并检测它的电压降。由此,我们很容易计算出如下图所示的电阻。

四线测量

我们测量导体两个配合引脚之间的电阻:RW。然而,整个电路包括引线RL1和RL2的电阻,因此计算中使用的压降要包括所有三种电阻。在许多情况下,引线电阻远低于我们要测量的导体或部件的电阻,因此可以忽略不计。

然而,在某些情况下,目标测量电阻RW接近用于测量它的引线的电阻值,导致读数不准确。我们通过将电压测量点移动到匹配引脚的端点来纠正这个问题,从而绕过引线中可能发生的任何压降。参见下图:

四线测量

欧姆表有四根引线出来。下图显示典型DMM上的端口。因为我们现在使用四根引线而不是两根引线,所以我们把这种方法称为“四线测量”,或者“四线开尔文测量”,以纪念最初开发它的19世纪英国物理学家开尔文勋爵。

四线测量

请注意,流过四线系统的电压测量板的电流非常小,通常是在微安的分数级(比源电流少六个或更多数量级),因此在这些引线上几乎没有发生电压降,其对电阻测量的影响可以忽略不计。总之,如果没有电流流过电线,无论它的长度如何,它都没有电压降。这一重要点意味着引线现在可能相当长,有时超过10英尺(3米),这对测量没有任何影响。当测试大型多分支线束组件时,长引线变得必要,这种情况看上去比较常见。

四线测量

四线测量的主要优点是消除了夹具电阻(引线)的任何影响,获得UUT的精确电阻值。 由于四线测量通常使用的测试电流远远超过双线测试所需的电流,第二个优点是使用大电流应力测试布线,通过每个导体驱动1A或更大的电流,并能够将驻留时间从100ms设置为数分钟;在较长的驻留期间观察到缓慢增加的电阻,这个从热积聚中得到的结果可能会揭示在较短测量间隔内没有检测到的问题。

驱动四线测量系统的软件应允许UUT中的单个导体在四线测试中失效,这由用户来选择,同时要避免对熔断器或其它不携带大测试电流的部件造成潜在损坏。还应允许用户独立设置不同的测试电流和不同导体的停留时间。

四线测量的测试夹具制做

四线测量与台式机DMM不同,它有四个测试连接(两个用于源,两个用于传信号),现代电缆测试设备提供了多种可编程测试连接,也称为测试点,UUT可以连接到这些测试点。常规的电缆测试可从128个测试点向上扩展到数千个点。

但四线测量的系统需要两倍测试点的数量,通常需要双线电阻测量,大大增加了设备成本。第二,测试夹具必须使用两根电线匹配连接器上的每个引脚,一根用于电流源,另一根用于电压。这增加了测试夹具的成本和复杂性。

下图是一个用于12导体电缆的四线测试夹具的例子。如果我们假设UUT是一个带有两个连接器的电缆,则两个连接器都需要一个相同的夹具。UUT连接到电缆眼图测试系统出现在附图中。您可以在这里看到,需要48个测试点来测试这12导体电缆。

四线测试夹具

典型的高性能电缆测试设备,如电缆眼图系统,不仅提供四线测量,还可高压测试,检查介电击穿和绝缘电阻等。由于这种设备的成本从每个测试点$25到$50不等,设备成本可能很高,特别是对于较大的组件。

测试夹具的制造有助于控制测试的总体成本,因为使用电线数量,电源和感测引线等都牵涉到成本。当必须使用高密度配套连接器时,如果连接器是为一条线设计的,则在套件的后壳内可能没有足够的空间容纳两根电线,这就需要从每个PIN脚连接一根短的单伸导线到导线对上,并将这三根焊接在一起,并用热收缩管绝缘。由于测试夹具不是批量生产的,而是定制和手工组装的,所以成本比较高。

在制做四线测试夹具时,我们通常为电源分配奇数测试点,为信号源分配偶数引脚。如果不是特制,所有的固定装置会按这种标准方式连接。同时考虑以下几点:

1.由于电源引脚可能载流1A或更大,所以我们建议使用22号或更大的导线。然而,感测针几乎没有电流,因此用于感测的导线可以更细。当试图将两根电线卷曲成一根单一的引脚线时,可能是一个优势。

2.在四线测量中,由于引线不是电阻测量的一部分,因此测试夹具中的导线长度不重要。当UUT“远程”定位时,四线方法可能特别有利。例如,考虑到在环境测试室中的UUT远离测试设备。需要通过相当长的测试引线进行连接,从而获得远程精确测量。总有效夹具长度虽然较长,但其电阻不是测量的一部分。请注意,对于电阻超过约5Ω的非常长的电源线,我们必须确保四线制的电压能够足够上升,以通过这条线驱动指定的电流。

3.在制造夹具之前,应确保测试设备对需要的夹具有足够的测试点,以及匹配连接器中的每个引脚有两个测试点。为了确定最小数量的测试点,应将电缆或线束的所有连接器上的所有引脚相加,包括任何接地或外壳导体的引脚,并将此数字加倍来确定所需的测试点总数。

Ampmodu连接器

4.目前市场上一些测试使用64引脚双排锁存头,如下所示。对于这种类型的测试点接口,我们建议使用Ampmodu连接器或它们的替代品,它由64引脚插座体和镀金弹片和PIN针组成。这些连接器电阻超低,连接PIN针,能承受超过1500Vdc高压,结构非常牢固。

64引脚插座

这种灵敏的四线测量用长3.5"(约8.9cm)长22号的七股线连接,在两个螺丝端子之间用UL07-730连接。电源测试点在49和55之间,相应的信号测试点在50和56之间,并有相应的连接,如下图所示。

四线测量

在这些脚位之间,单独隔离来测试电阻,从而确定电阻如何随完整线数的变化而变化。 这张照片显示了三条隔离的线如何测试。

四线测试

在下图,您可以看到来自测试的屏幕报告。

通过表格总结了线被隔开,并作为驻留时间的函数,电阻如何变化的。有趣的是,只保留一股线携带1A测试电流,通过触摸无法检测到热度,尽管与最初的短50ms停留相比,随着过流时间延长到1秒或更长,电阻略有增加。

四线测试

四线开尔文测量技术的应用将提高电缆和线束产品的质量和可靠性。小于0.1Ω的精密电阻测量将反映不可见的布线缺陷,包括不良的焊点,错误的卷曲,凹槽销,引脚接触污染,不适当的线规,和应力挤压等。电流在1A以上的应用由于这些缺陷将造成的电阻损失可能会导致电线产生过多的热量从而引起火灾;或者在精密传感器获得数据输入的情况下,可能会导致错误报告或电路误操作。

四线开尔文电阻法不仅可以获得毫欧姆或微欧姆灵敏测量,而且消除了测试引线或测试夹具附带电阻的影响。然而,要实现这些,需要测试设备,其测试点的数量成倍增加。尽管如此,四线开尔文电阻法仍是提高线缆品质的好方法。

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