第7章 搭接技术及其应用

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第七章 搭接技术及其应用

2011-04-06

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搭接形成了两导电体之间具有导电性的固定结合，实现了 屏蔽、接地、滤波等抑制电磁干扰的技术措施和设计目的， 是EMC的重要技术之一。 搭接(Bonding)是指两个金属物体之间通过机械、化学 或物理方法实现结构连接，以建立一条稳定的低阻抗电气通 路的工艺过程。 搭接的目的在于为电流的流动提供一个均匀的结构面和 低阻抗通路，以避免在相互连接的金属件间形成电位差。 (因为这种电位差对所有频率都可能引起电磁干扰)

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搭接技术在电子、电气设备和系统中有广泛的应用。 一个设备的机箱——另一个设备的机箱 设备机箱——接地平面 信号回路——地回路 电源回路——地回路 屏蔽层 ——地回路 接地平面——连接大地的地网或地桩之间，都要进行搭接。 搭接阻抗一般很小 ，EMC考虑 直流电阻也是决定搭接有效性的指标

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良好的搭接是减小电磁干扰，实现电磁兼容性所必须的。 良好搭接的作用在于： ①减少设备间电位差引起的骚扰； ②减少接地电阻,从而降低接地公共阻抗骚扰和各种地回路骚扰; ③实现屏蔽、滤波、接地等技术的设计目的； ④防止雷电放电的危害，保护设备等的安全； ⑤防止设备运行期间的静电电荷积累，避免静电放电骚扰。 此外，良好搭接可以保护人身安全，避免电源与设备外 壳偶然短路时所形成的电击伤害等。 因此，搭接技术是抑制电磁干扰的重要措施之一。

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为了说明良好搭接(Good Bonding)的重要性，下面举一个由不良搭 接(Poor Bonding)导致滤波电路失效的例子。 图7-1中，干扰源(Interference Source)与敏感设备Susceptible Equipment) 之间接一Π型滤波器(Π-section Filter)。 该滤波器是一个低通滤波器， 其作用是滤除设备电源线中 的高频骚扰分量。 在高频情况下，旁路电容器 的电抗呈低阻抗，出现在电 源线上的干扰信号沿着通路 ①被旁路至地。 因此，干扰信号不会到达敏感设备，达到了滤波目的。

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不良搭接对抑制电磁干扰的影响：…1.电缆连接器与设备壳体的搭接能使电缆屏蔽获得最佳效果。 2.电流通路上存在没有牢固连接的搭接点，或者由于振动使搭接点松动，这样 的搭接点会起到间歇式触点的作用。 即使直流电流或工频交流电流通过这样的搭接点，在此搭接点所产生的放 电火花也可能形成频率高达几百 MHz的骚扰信号。 3. 信号电路接地系统中，各个构件搭接不良会使接地措施形同虚设。不良搭接 使搭接阻抗增加，会在搭接处形成干扰电压降，破坏理想接地等电位的要求。 4.防雷电保护网络中 5.工频交流供电线路中，如果存在松动的搭接点，就会在某些用电负载

上产生很 高的电压降，足以损坏用电设备。

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7 防雷电保护网络中，雷击放电电流通过不良搭接点时， 会在搭接处产生几千伏的电压降，由此产生的电弧放电可 能造成火灾或者引起其它危害。 工频交流供电线路中，如果存在松动的搭接点，就会 在某些用电负载上产生很高的电压降，足以损坏用电设备。 同时大电流通过搭接点时，使搭接点处发热致使绝缘破坏， 轻则造成线路故障，重则引起火灾。

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8搭接方法(Bonding Methods)可分为永久性搭接和半永久性搭接两种。 永久性搭接是利用铆接(Rivet)、熔焊(Welding)、钎焊(Soldering)、压 接等工艺方法，使两种金属物体保持固定连接。 永久性搭接在装置的全寿命期内，应保持固定的安装位置，不要求拆 卸检查、维修或者做系统更改。 永久性搭接在预定的寿命期内应具有稳定的低阻抗电气性能。 永久性搭接 半永久性搭接是利用螺栓、螺钉、夹具等辅助器件使两种金属物体保 半永久性搭接 持连接的方法，它有利于装置的更改、维修和替换部件，有利于测量 工作，可以降低系统造成成本。

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9搭接类型分为两种基本类型：直接搭接(Direct)和间接搭接(Indirect)。 直接搭接是两裸金属或导电性很好的金属特定部位的表面直接接触， 直接搭接 牢固地建立一条导电良好的电气通路。 直接搭接的连接电阻的大小取决于搭接金属接触面积、接触压力、接 触表面的杂质和接触表面硬度等因素。 实际工程中，有许多情况要求两种互连的金属导体在空间位置上分离 或者保持相对的运动，显然这一要求妨碍了直接搭接方式的实现。 此时，就需要采用搭接带(搭接条，Bond Strap)或者其它辅助导体将两 个金属物体连接起来，这种连接方式称为间接搭接 间接搭接。 间接搭接

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10间接搭接的连接电阻等于搭接条两端的连接 连接电阻之和与搭接条 搭接条电阻相加 连接 搭接条 搭接条在高频时呈现很大的阻抗。 所有高频时多采用直接搭接； 设备需要移动 需要移动或者抗机械冲击 抗机械冲击时，需要用间接搭接。 需要移动 抗机械冲击 熔接、焊接、锻造、铆接、栓接等方法都可以实现两金属间的裸面接触。 搭接前需要对搭接体表面进行净化处理，有时还在搭接体表面镀银或金 搭接前 来覆盖一层良导电层。

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搭接方法的分类：永久性、半永久性搭接 搭接类型：直接、间接 搭接的有效性 搭接表面的清理和防腐涂覆 搭接的加工方法 搭接的设计 搭接质量的测试

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7.2 搭接的有效性在直流情况下，我们只关心搭接的直流电阻。 然而，随着频率的增大，集肤效应使这一电阻变大。 同时，搭接处呈现的自感，搭接面之间存在的电

容都会对 搭接的有效性产生影响。 因此，射频段搭接的有效性(Bonding Effec-tiveness)不完全 取决于其直流电阻。 当搭接长度l远小于波长，即l<<λ时，搭接的高频等效电 路如图7-2所示。

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图7-2 搭接的高频等效电路

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14 图7-2中，搭接电阻的值取决于搭接条的电阻率、半 径和集肤深度，即

2 π aδ 式中：ρ为电阻率( ·m);a为半径(m);

RS =

ρl(7-1)

δ=(2ρ/ωµ)1/2,为集肤深度(m);l为长度(m)。搭接条的电感LS是搭接条物理结构的函数，而电容CS是搭 接面的面积及搭接面间距的函数。 以的dB为单位，搭接的有效性能够采用有搭接条与无 搭接条时设备外壳上的感应电压的差来表示。可能是负值。 搭接条的谐振频率是搭接有效性最坏时的频率。 搭接条的谐振频率是搭接有效性最坏时的频率。

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15 通常用搭接条的直流电阻表示搭接质量。 例如，某些军事规范要求直流搭接电阻小于0.1 ,以预防 冲击危害。MIL-B-5087-B要求直流搭接电阻小于2.5 m 。 在有闪电、爆炸、火灾危害倾向的区域，如果电源线对地 短路，允许的电阻值取决于最大的故障电流。如果直流电 阻大约为0.25~2.5m ,通常就能实现良好的射频搭接。 搭接电阻的基本表达式为

RDC =大于直流电阻。

ρlA(7-2)

式中,A是搭接条的横截面面积(m2)。搭接条的射频电阻远

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【例】 比较频率1 MHz时直径为1.29 mm的导线的射频电阻与其直流电阻。

【解】 设导线的电阻率ρ=1.724 ·m。当频率f=1MHz时，其集肤深度δ=(2ρ/ωµ)1/2=6.608×10-5 m。代入 公式(7-1),计算得其射频电阻： ρ l RS = = 6.433 × 10 2 l 2 π aδ 计算知此导线的直流电阻为 ρ l RDC = = 1.317 × 10 2 l A

(

)

(

)

比较可见，1 MHz时直径为1.29 mm的导线的射频电阻约 为其直流电阻的5倍。

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17许多接头的重要特性是由于它们具有携带突发的大故障电流的能力。 在螺栓用于实现搭接的地方 对于100A的电流，螺栓的直径至少为0.65 cm; 对于200 A的电流，螺栓的直径至少为1.0 cm。 电动机的启动电流通常可达几百安培， 如果搭接点的电流容量很小，那么当大电流通过此搭接点时，该点将发热而 成为一个“热点”。严重时该点可达到白炽的程度，使附近金属熔化，甚至 引燃附近的易燃气体而造成故障。 因此，在搭接时必须考虑搭接点的电流容量。图7-3给出对应不同故障电流时， 搭接电阻的最大允许值及可能引燃易爆气体的电阻量级。

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图7-3 对于设备与结构搭接，故障电流与最大允许电阻的关系

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19 接头自身的感抗是感性的。非磁性材料圆横截面的直 搭接条(Straight Bonding Strap)的电感表示如下： 4l LS = 0.002l 2.303 lg 0.75 d

( µΗ )

(7-3)

式中：l为搭接条长度(cm);d为导线直径(cm)。 在低频情况下，矩形横截面直搭接条(Straight Rectan -gular Bar)的电感(设搭接条的集肤深度远大于搭接条的厚 度，即δ>>c)为2l b+c LS = 0.002l 2.303 lg + 0.5 + 0.2235 b+c l ( µΗ ) (7-4)

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20 式中：b为搭接条的宽度(cm);c为搭接条的厚度(cm);l为 搭接条的长度(cm)。 对于接头长度接近λ/4的搭接条，接头起传输线的作 用，驻波(Standing Waves)存在于接头上。 为了接头的阻抗最小化，通常采用减小设备外壳到地 的间距，或者减小搭接条的长度与宽度的比，以尽可能使 搭接条的电容与电感比值高。搭接条的长度最好不要超过 其长度的5倍。 在大多数情况下，搭接电感不要超过0.025µH。

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7.3 搭接的实施7.3.1 搭接的电化学腐蚀原理当两种不同的金属互相接触时，会出现一种质变，即腐蚀 腐蚀(Corrosion)。 腐蚀 所谓腐蚀是指在电化学序列(Electrochemical Series)中，属于不同组的 两种金属(见表7-1)在溶液(起电解液作用)存在情况下相互接触，形成 了一个化学电池，使金属逐渐产生原电池腐蚀和电解腐蚀。 能起电解液作用的液体 电解液作用的液体有盐水、盐雾、雨水(雨水能够携带许多杂质使 电解液作用的液体 金属表面上各种杂质湿润)、汽油等。

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