增强继电器性能以及可靠性的设计方案

中心议题：

• 继电器加速寿命试验分析
• 电磁继电器的硬件设计
• 电磁继电器的应用软件模块设计

一、引言

电磁继电器广泛应用于产业控制、农业、交通运输、国防军事、空间技术及日常生活等领域，是远控、远测、通讯、检测、保护等电子设备不可缺少的基本元件，它是否正常工作将直接关系到含有该继电器的设备或产品的稳定性和可靠性。随着继电器技术的发展及继电器应用范围的不断扩大，对继电器的性能、寿命、可靠性等方面的要求越来越高。

在整个寿命期内，任何产品都有贮存、运输、待命、工作等任务阶段，每个任务阶段对应不同的环境剖面与时间，要求产品在任何工作阶段均能完成规定的功能。对长期处于工作状态的产品，产品的工作可靠度主要取决于工作阶段的环境与工作时间。对一次性使用的产品，由于贮存时间远远大于使用时间，其工作可靠度与贮存时间有关。因此，如何使用更科学的技术手段，对产品的工作可靠性和贮存可靠性进行较客观的猜测与评估，是产品应用与发展的关键环节之一。

国内部分生产单位开始用微机检测系统对电磁继电器的寿命及其他参数进行检测，但它是在正常工作条件下，采用一般寿命试验方法估计产品的各种可靠性特征。对寿命特别长的产品来说，这种方法并分歧适。由于它需要花费很长的试验时间，甚至来不及作完寿命试验，新的产品又设计出来，老产品就要被淘汰。针对以上间题，经过不断研究，在寿命试验的基础上，本文提出了加大应力、缩短时间的加速寿命试验方法。

二、加速寿命试验分析

加速寿命试验就是用人工方法加大试验应力(如热应力、湿应力、机械应力等)的方法，加快元器件失效，缩短试验时间，以便在较短的时间内猜测出在正常的(即额定的或实际使用的)条件下的寿命特征。加速寿命试验的分析方法主要是利用元器件的失效数据，运用加速寿命曲线推算出该批元器件在正常条件下的可靠性寿命特征。这类试验方法应用较广泛，主要原因是研究周期短，可大大缩短试验时间。

加速寿命试验通常分以下3种：
(一)恒定应力加速寿命试验
即把一种应力加在受试产品样品上，该应力水平在整个试验中保持不变，为了达到加速失效缩短试验时间的目的，要求各组寿命试验的应力都高于正常工作条件下的应力。即在不改变产品失效机理的条件下，模拟实际的环境因素，适当进步应力等级，在短期内得出与现场长期贮存试验相似的结果。

(二)步进应力加速寿命试验
这是一种随时间、分阶段逐步在受试样品上增加应力，直到样品开始出现大量失效为止的试验方法。

(三)序进应力加速寿命试验
这是一种随时间等速增加应力到受试产品样品上，直到样品开始出现大量失效为止的试验方案。采用该方案时，产品不分组，应力不分档，应力等速升高，直到发生一定数目的故障为止。它所施加的应力水平将随时间等速上升，因此这种试验需要有专门的设备。

在上述3种加速寿命试验中，恒定应力加速寿命试验更为成熟，数据易处理，外推精度高。尽管这种试验所需时间不是最短，但与一般的寿命试验相比还是缩短了不少时间，因此它较常用。

影响电磁继电器寿命的因素很多。比如，在存贮过程中，产品的各项性能受温度、湿度、光照、腐蚀、氧化、干裂、软化、霉变、结晶等环境因素的影响很大。特别是非金属材料，在温度、湿度、天气等条件下，更有明显的老化现象，贮存时间越长，老化越严重，甚至失效报废，其中温度对电磁继电器寿命的影响尤为明显，因而本试验装置采用温度为恒定应力加速寿命试验的加速应力，即将测试样品放进一定温度，丈量在此环境下的试验数据。
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三、硬件设计

电磁继电器寿命加速试验装置包括试验控制柜、负载、自动调温箱(提供加速应力)3部分，其中控制柜由工控机、数据采集控制电路、线圈驱动电路组成，是设计的主要内容。硬件电路结构框图 如图1所示。

数据采集控制电路主要包括译码电路、数据采集电路及比较电压给定电路。工控机通过地址总线将地址传给译码器进行译码，译码电路选定该地址所对应的芯片，以便对其进行读写操纵。数据采集电路的工作原理是测试样品触头电压与比较电压，通过电压比较器进行比较，将得到的触头状态经光电耦合器传送给触头状态寄存器。当执行“读”检测数据的操纵时，寄存器中的数据通过缓冲器传到数据总线上;同时用数据采集卡采集触头上实际电压值，送至工控机进行存储显示。比较电压给定电路的工作原理是通过译码电路选定锁存器，进行“写”操纵，并将其输出的数字信号经光电耦合器送给D/A转换器，以产生试验所需的比较电压。

线圈驱动电路通过控制工控机的输出来控制电磁继电器线圈的通断电操纵，使其能闭合或断开，以模拟正常的工作状态。该部分电路由直流电源、固态继电器及电磁继电器线圈组成，其中直流电源提供加在线圈上的电信号，固态继电器控制加在电磁继电器线圈上的直流电源的通断。当某一测试样品失效后，需要立即停止对该测试样品的操纵，这时只要不给固态继电器控制信号即可实现。假如在以后的试验过程中一直不给固态继电器电信号，那么该试验样品将不会再动作，从而实现了对失效试验样品的屏蔽。

四、应用软件模块设计

随着计算机多媒体技术及图形、图像技术的蓬勃发展，可视化编程得到了广泛的重视，越来越多的计算机专业职员和非专业职员都开始研究并应用可视化技术。要支持可视化编程，通常需要相应的可视化开发环境，Visual C++就是Mi-crosoft公司推出的支持可视化编程的集成开发环境。它是在多年使用、精益求精的基础上推出的用于支持Win 95以上平台应用程序(Applica-tion)、服务(Service)、控件(Control)的开发环境，能够提供功能强大的向导工具(MFC App Wi-zard、Class Wizard)，支持多线程应用程序开发，能够直接嵌套汇编语言控制硬件，并能方便地对地质及端口进行操纵，且执行速度快。本试验系统利用Visual C++6.0中的MFC类库对用户界面进行开发。
本系统应用软件由6个功能模块组成：参数设置及初始化模块、信息显示模块、线圈通断电控制模块、数据采集模块、数据处理模块、失效判定及处理模块，其结构框图如图2所示。

参数设置是在试验开始前，记录试验样品的型号等参数及测试职员信息、测试时间，为显示失效状况及打印相关内容做的预备。系统初始化主要是对线圈、触头进行对号，判定是否有测试样品，由此确定是否驱动该路线圈;对号码进行记录，以便正确判定测试样品是否失效，并对数据进行处理;同时根据参数设置模块中提供的数据确定比较电压的数值。

信息显示模块将与试验相关的信息显示出来，实现实时检测，它包括触点状态显示、失效状态显示、测试样品信息显示、测试人信息及测试日期显示。

线圈通断电控制模块有两个功能：一是根据系统初始化时得到的测试样品安装情况实现对侧试样品线圈通断电的控制，即给有测试样品的回路通电，没有测试样品的不通电，即完玉成部测试样品线圈的通断电操纵控制;二是控制单个测试样品线圈的通断电操纵，主要对失效次数已达到规定的测试样品进行屏蔽。

数据采集模块是系统的核心，实现系统的试验功能，即在试验过程中，采集触头的接触压降、触头断开电压、触头闭合时间、触头断开时间等参数，为信息显示模块、失效及处理模块、数据处理模块提供必要的试验数据。失效判定及处理模块的功能是检测触头状态寄存器中的触头信息，并判定是否为失效信息。即根据目前测试样品线圈的通断电状态及数据线上触头间电压与比较信号电压比较后的输出电平的高低，判定本次试验操纵是否正常;同时对发生的失效作出类型判定，记录失效的类型、失效时的时间(也可是电磁继电器动作的次数)、发生失效的测试样品编号、触头编号、该测试样品的失效次数。

数据处理模块包括分析处理数据(采用一元线性回回分析、指数回回分析、加权指数回回分析、最小二乘法、灰色理论分析中的一种或几种对数据进行处理，推算出在正常应力条件下电磁继电器的寿命值)、存储试验结果及数据、打印测试样品参数、试验结果及数据、丈量职员信息和丈量日期等。

五、结束语

本文根据加速寿命试验的原理及影响电磁继电器寿命的环境因素，以温度为加速试验的加速应力，采用恒定应力加速试验方法，设计了电磁继电器加速寿命试验系统硬件电路，并用VC++ 6.0开发出了相关的应用软件，从而为正确猜测电磁继电器寿命提供了快速、有效的试验系统。