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电磁继电器的参数检测和触点接触可靠性

时间:2014-05-24 20:49来源:www.ictest8.com 作者:孙 铣 付卫东 点击:
电磁继电器的参数检测和触点接触可靠性
 
北京华峰测控技公司  孙  铣   付卫东
 
摘要    本文介绍了国产电磁继电器的基本质量状态,论述了静态接触电阻参数和时间参数的检测方法,并通过实际数据说明这些参数与电磁继电器触点接触可靠性之间的关系。同时介绍了北京华峰测控技术公司研制的 STS 2104A 电磁继电器测试系统。
关键词    电磁继电器、接触电阻、时间参数、接触可靠性。
 
一. 概述
 
    电磁继电器是机电结合的电子元件,其断态的高绝缘电阻和通态的低导通电阻等性能使得其它电子元器件无法与其相比。我国在航空、航天、电子、邮电等军用及民用电子装备中,电磁继电器得到了广范的应用。当今发达国家的很多电子装备中也依然在使用电磁继电器。近年来固态继电器的兴起和发展在一定范围内替代了一部分电磁继电器,但由于电磁继电器独特的性能,在相当多的应用领域中无法完全将其取代。
    电磁继电器虽然有其它电子元器件无法相比的某些性能指标,但其可靠性却令使用者大伤脑筋。原因在于我国的电磁继电器,在其生产过程中大多工艺落后,很多生产工序是采用手工操作,所用的很多材料质量也不过关,使得电磁继电器的质量一致性水平得不到保证。另一方面由于缺乏先进的检测手段,无法有效剔除那些存在内在缺陷和质量隐患的产品。这几方面的原因使得电磁继电器成为可靠性最差、失效率最高的电子元件之一。很多选用固态继电器的设计人员,并不是由于固态继电器优于电磁继电器的某些参数性能,而恰恰是由于面对电磁继电器频繁出现的各种失效模式无所措手足。
    电磁继电器的常见的失效模式有由于簧片性能退化导致触点不通、接触不良、触点粘连;由于内部多余物导致衔铁卡死或触点瞬时短路;由于气密性不好或封装气氛不良导致触点氧化或生成有机钝化膜,进而导致触点接触不良或开路;由于绝缘子质量或内部潮湿原因导致绝缘电阻下降等等。电磁继电器的这些失效模式严重影响了电子装备的可靠性,特别对航空、航天、武器系统等军用电子装备更构成了重大的危胁。
    为了提高电磁继电器的使用可靠性,现实的作法是加强对其进行严格的筛选和检测。筛选和检测虽不能代替工艺水平的改进而提高电磁继电器的固有可靠性,但通过对筛选和检测数据的分析,剔除有质量隐患的产品,对提高使用可靠性则是现实和有效的方法。而工艺和材料水平的提高绝非一朝一夕能够做到。
    为了提高电磁继电器特别是军用电磁继电器的水平,我国参照有关国外军标制定了一系列电磁继电器的国家军用标准。对电磁继电器的检测、试验、筛选、考核等提出了明确的要求。国军标《有可靠性指标的电磁继电器总规范》 GJB 65A-91 是参照美军准《有可靠性指标的电磁继电器总规范》 MIL-R-30916D 制定的,其总体技术内容与 MIL-R-39016D 等效,是对电磁继电器进行检测的重要依据。
 
二. 电磁继电器的主要参数与触点接触可靠性
 
 1. 静态接触电阻检测
    静态接触电阻 (以下简称接触电阻) 是电磁继电器的最主要参数之一,也是比较难于测准的参数。静态接触电阻综合反映了电磁继电器多方面的性能。
    例如静态接触电阻可以反映触点间的接触压力,接触压力不够的触点会导致触点接触电阻变大。静态接触电阻还可以反映触点的表面状态,触点表面氧化或生成有机钝化膜也会导致静态接触电阻变大。如能对触点静态接触电阻进行精确地测试,除了能直接剔除那些静态接触电阻已经超出规范的产品,通过对测试数据的分析和比对,还可以对触点的接触压力和表面状态做出判断。对经过长期库存的产品,通过出、入库检测接触电阻数据的精确测试和比对,可以推断其性能的稳定性。因此接触电阻的检测极为重要。MIL-R-39016D 和 GJB 65A-91 中都明确规定静态接触电阻不得超过 0.05 欧。
    电磁继电器接触电阻的数据一般为几个毫欧到几十个毫欧,对于小型电磁继电器通常为十几个毫欧,为了避免由于测试电流过大导致触点打火而造成破坏触点的原始状态,MIL-R-39016D 和 GJB 65A-91 都明确规定测试电流不得超过 10 mA。这样一对闭合的触点,其通态压降仅为一百到几百微伏,这要求测试系统具有良好的微弱信号测试能力。
    另一方面由于触点的接触电阻仅为十几个毫欧,测量线路引入的附加电阻 (例如电磁继电器与测试适配器之间的接触电阻、测试线路中其它接触部位的接触电阻,测试线路自身的电阻等等) 都有可能大于甚至远大于被测电磁继电器触点的静态接触电阻,在线路附加电阻中还有一部分是不稳定的 (例如线路中的各接触环节),这样就更增加了测试的难度。
 
          
 
    通常解决的办法是采用四线测试的方法 (见图 1),来有效扣除测试线路的辅加电阻。这一方法虽然有效,但实施起来却有相当的难度,这意味着要为每一种型号的被测电磁继电器配备不同的四线测试适配器,尤其是对于体积小、触点多的电磁继电器,四线测试适配器的制作有很大的工艺难度。但唯有采用这一办法,才有可能将静态接触电阻参数测准。                            
    目前大多数单位用接线夹和低阻表进行静态接触电阻的测试,通常不能在整个测试线路中采用四线测试,而将接线夹与电磁继电器引脚之间的接触电阻,甚至接线电阻都测到静态接触电阻数据中去了,造成数据偏大而且不稳定,不能真实反映被测电磁继电器触点的质量水平。
 2. 静态接触电阻与触点接触可靠性
    静态接触电阻与触点接触可靠性存在着密切的关系,为保证触点的接触可靠性,在电磁继电器生产过程中要对触点的接触压力进行调整和测试。同一组触点在不同的接触压力下会体现出不同的静态接触电阻。对 2JGXM-2 继电器的触点压力和静态接触电阻的测试数据见表 1。
表 1       2JGXM-2 继电器触点压力和静态接触电阻数据
1#样品触点 1 触点压力 0.4 N 0.2 N
  静态接触电阻 5.2 mΩ 6.1 mΩ
1#样品触点 2 触点压力 0.4 N 0.1 N
  静态接触电阻 5.3 mΩ 6.9 mΩ
2#样品触点 1 触点压力 0.4 N 0.05 N
  静态接触电阻 7.3 mΩ >200 mΩ
2#样品触点 2 触点压力 0.4 N 0.1 N
  静态接触电阻 5.9 mΩ 22.4 mΩ
  注 : 表中数据为多次测试平均值。
 
    由表 1 数据可以看出静态接触电阻和触点压力之间存在着负相关关系,即触点压力越小静态接触电阻越大。这样就有可能通过对静态接触电阻的精确测试推断电磁继电器触点压力的大小。同时也可以比较电磁继电器库存或有关试验前后的静态接触电阻数据,分析触点接触压力的变化和稳定性。
 
 3. 时间参数检测
    电磁继电器的时间参数主要包括动作时间、释放时间、转换时间、触点回跳时间、触点稳定时间等。其定义如图 2。
          
    动作时间或释放时间反映了电磁继电器线圈和衔铁的性能,同时也反映了触点的间隙和行程。触点回跳时间和触点稳定时间则反映了触点动作的瞬态特性。
    这里特别值得一提的是触点回跳时间,因为这一参数一定程度上反映了触点的接触压力和状态,是反映触点接触可靠性的重要参数。
    MIL-R-39016D 和 GJB 65A-91 对触点回跳做了定义 : "等于或大于开路电压的 90%,且脉冲宽度等于或大于 10 uS 的现象则认为是回跳"。同时明确规定触点回跳时间不得超过 1.5 mS。
    触点回跳时间的测量较为困难,传统测量方法采用记忆示波器进行,但是采用这一方法很难判读准确,而且通常只能监视两组触点,测试精度和速度都无法满足批量测试的要求。
    只有采用专用的检测系统才有可能按照标准规定,同时对电磁继电器每一组触点在动作和释放过程中的每一个触点回跳脉冲进行连续的监视,并自动进行实时的记录。但这也并不是一件容易的事,因为一方面检测系统需要判断每一个回跳脉冲是否同时满足标准规定的 90% 幅度和 10 uS 脉宽,另一方面对每一个随机出现的符合标准规定的回跳脉冲都需累计从触点首次接通到该回跳脉冲结束的时间,因为每检测到一个触点回跳脉冲后,事先无法知道这是否是最后一个回跳脉冲,后面是否还会产生回跳。
    与触点回跳时间类似,触点稳定时间也是反映触点动作的瞬态特性。两者的区别在于,前者触点的监测负载最大值为 6V,10 mA,后者采用 50 mV,50 mA 低电平监测;前者的脉宽判据为 10 uS,后者为 1 uS;前者的幅度判据为开路电压的90%,后者用允许的静态接触电阻所呈现的接触压降做为判据;前者用于亚五级 ("Y" 级) 失效率产品,后者用于五、六、七级 ("W"、"L"、"Q" 级) 失效率产品。
 4. 触点回跳时间与触点接触可靠性
    触点回跳时间与触点接触可靠性也存在着密切的关系,同一组触点在不同的接触压力下会体现出不同的触点回跳时间。对 2JGXM-2 继电器的触点压力和触点回跳时间的测试数据见表 2。
表 2       2JGXM-2 继电器触点回跳时间和静态接触电阻数据
1#样品触点 1 触点压力 0.4 N 0.2 N
  触点回跳时间 0.1 mS 4.01 mS
1#样品触点 2 触点压力 0.4 N 0.1 N
  触点回跳时间 0.54 mS 3.9 mS
2#样品触点 1 触点压力 0.4 N 0.05 N
  触点回跳时间 7.3 mS 30.08 mS
2#样品触点 2 触点压力 0.4 N 0.1 N
  触点回跳时间 5.9 mS 9.2 mS
  注 : 表中数据为多次测试平均值。
 
    由表 2 数据可以看出触点回跳时间和触点压力之间存在着负相关关系,即触点压力越小触点回跳时间越长。这样就有可能通过对触点回跳时间的精确测试推断电磁继电器触点压力的大小。同时也可以比较电磁继电器库存或有关试验前后的触点回跳时间数据,分析触点接触压力的变化和稳定性。相比之下触点压力对触点回跳时间的影响,比对触点静态接触电阻的影响更为明显。
 
三. STS 2104A 电磁继电器测试系统
 
    STS 2104A 电磁继电器测试系统是北京华峰测控技术公司 STS 2100 系列电子元器件测试系统之一。该系统除具有 STS 2100 系列产品的全部特点外,针对 MIL-R-39016D 和 GJB 65A-91 对电磁继电器的测试要求研制了多个专用测试模块。该系统除能满足电磁继电器的一般参数测试外,在触点静态接触电阻和时间参数测试方面具有独到之处。
    在静态接触电阻测试方面采用了专用四线测试适配器,实现了到被测电磁继电器引脚根部的四线测试,确保了静态接触电阻参数测试的精度和稳定性。
    在时间参数测试方面,设置了 18 路精密时间测试装置,可同时监测 6 组触点电磁继电器的所有时间参数。系统采用特殊技术使触点回跳时间的测试方法严格遵照 MIL-R-39016D 和 GJB 65A-91 规定的要求,并具有良好的测试精度。
    该系统是国军标继电器生产线认可的检测设备,是保证电磁继电器产品质量的重要检测试手段。
    利用该系统对电磁继电器进行精确的参数测试,特别是对静态接触电阻和触点回跳时间的精确测试。通过对测试数据进行分析和比对,淘汰那些性能退化和存在质量隐患的产品,对提高电磁继电器的使用可靠性有明显的效果。
 
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