开关故障诊断方法和检测工具的选择

一、概述

开关系统是任何的测试系统中的关键的部分，它们允许客户通过不用的方式来连接测试仪器和被测件，从而确保了在测试的过程中被测件的不同的部分可以连接到测试仪器中，从而减少了需要用来测试的仪器设备。

很多用户可能会想到开关系统作为系统中的关键的部分，会由于各种原因而损坏，而不是因为开关系统本身不可靠。因为开关系统所处的位置是非常容易受损的，所以，意外的发生的可能性就更大了。

开关系统是基于继电器开关的，是属于机械装置，所以是有一定的使用寿命的，但是高性能的继电器的使用寿命是很长的。典型的电磁继电器（EMR）在小负载的情况下，寿命一般在1000万次，仪器级的簧片继电器拥有超过10亿次的操作次数。影响寿命的主要的因素是测试系统中的负载的特征还有开关的切换的位置的信号特征。不管是电子设备或者是继电器切换的信号是非常高的电压或者是电流，或者是在热切换（切换的时候，开关是带有信号）的情况下，将会产生电弧，从而腐蚀开关触点。

热切换对继电器的使用寿命影响很大，冷切换和热切换的影响往往是想差3个数量级的。研发者尝试着减少热切换的影响，但是事实上，很多测试由于时间方面的限制，是需要进行热切换的，这样可以防止在测试的过程中系统的重新启动或者是确保可以模拟间歇性的故障。热切换是研发者避免不了的。

其实测试系统中很多的故障不是由于继电器的正常寿命已经到了而引起，一些故障是在生产的阶段就无法进行检测而引起的。很多的故障是在测试系统中的一些意外的情况而引起的。一个经常发生的情况是系统的集成而引起的，例如由于不该连接的地方连接，如与电源之间的短路或者是在电容性的负载上进行热切换，从而引起的布线和软件方面的故障，从而影响到继电器。继电器可以阻挡部分的损害，但是随着系统的使用，继电器使用的寿命将会大大地缩短。就算正确地操作系统，但是如果进行一些故障的设备测试，这个也会给开关系统造成很大的压力。

二、开关故障诊断方法

由于开关系统的易损性，这就要求用户采用一些针对开关系统的测试检验的方式。在一些平台上，例如VXI，就曾经提供过一些继电器的检测的方法。这个方法包括了能够一些不太协调的自检方式，有时候它只是检测控制系统，而不是继电器的连接（其实这部分是很容易损坏的）。一些产品也可以检测继电器的连接，但是不能检测隔离继电器。VXI的产品包括了这方面的功能，是因为VXI的主要用户是军工和航空航天方面，这些测试的环境是非常差的，而且很少有空间可以进行自主检测。

其他的产品，如PXI，PCB板的大小有限，就很难提供自检工具。在自检工具的设计研发阶段，这些工具占用了很大的空间，这就减少了模块的密度，同时增加了成本。

由于成本和空间大小的限制，很多继电器的供应商会增加一种工具来解决这个问题，如继电器的操作次数的统计软件。在这个软件中，会统计继电器的操作的次数，从而在将要接近操作寿命的时候，将继电器更换掉。但是这种工具存在着以下的问题：

由于切换的信号的类别的不同，继电器的使用寿命将有3个级别的差距，但是这个软件不知道切换的信号的类型是什么，也就无法进行准确统计;

这个软件没有统计系统故障的能力，如被测件的故障，这个对继电器的寿命的影响很大;

簧片继电器是在不同的批次之中有不同的寿命，这个就增加了使用的不确定性。

根据以上的原因，开关系统就会有比开关的操作寿命相对长一点或者短一点的使用寿命，并且故障会产生数量级的影响而不是单纯的百分点的差别。所以如果用户基于这个软件来判别开关系统的寿命，那么将会带来不良的影响。现代的一些器件一般会比它们的理论的寿命更长。早期的预防性的措施将会替代来自其他部分的影响，特别是在前面接口部分的影响。所以就有一句哲学名言这样说的“如果在它工作的时候，你对它置之不理，那么当你开始怀疑它的时候，问题就出现了”。

三、系统级的测试

系统的集成电路中一般会包括系统水平的自主检测，特别是在系统是用来按照信号路径反馈的时候，自主检测的工具就可以执行了，例如，使用一个万用表来测试不同的路径的时候。在这方面的投入应该是很大的，而且会使系统变得复杂，路径的检测也变得复杂。系统集成商需要理解的路径的选择是在线缆接口和开关内部结合起来实现的。这样的工具可以确定在连接的过程中的故障的数目，但那是它们不能找到间歇性的部分或者故障的隔离，比如那个开关是否在系统中，或者是分辨不出是继电器或者是线缆的故障。

四、BIRST-内置继电器检测工具

自检工具已经发生了很大的变化。Pickering在2009年发布了PXI平台的第一代包括内置继电器自检工具的矩阵模块，名字叫做BIRST（Built In Relay Self Test）。这个工具是一个非常紧凑的PXI平台的计算机附件，它允许通过软件来检测在矩阵中的每个通道的阻抗，是通过不断的测试来完成的，往往是几个毫欧级的分辨率。每一个继电器都可以检测，如果有焊接短路或者是开路的继电器都可以快速地被找到，软件的分辨能力允许连接变量的变化。每一个独立的故障继电器都可以被快速地定位。下面是BIRST的用户界面：

用户需要做的是断开PXI模块，然后打开pickering提供的程序。测试的过程是很快的，每一个继电器大概就需要几十毫秒的时间。然后，软件会用图表来显示检测的结果，上面就是矩阵模块的形状，并且突出故障的继电器（如下图的红色标注的部分），这就方便用户快速地找到继电器的位置，并进行更换。

BIRST工具解决了老式的自检工具和继电器次数统计软件的缺点。它允许用户在没有额外的费用的情况下，快速地找到大量的继电器中的已经损坏的继电器，这可以避免不必要的拆卸或者关闭系统。这个工具也可以在继电器还没有损坏之前，通过检测到它的高阻抗，从而提前进行更换，这样对系统来说是一件好事。

BIRST工具同时支持系统级的测试检测，在运行系统级的测试的时候，可以集中精力与电缆和开关系统的测试。

五、BIRST数据表

用户关心的是怎么样将这个工具的结果跟数据表联系起来。BIRST通过不同的路径来检测故障，有些用户会用到仪表板。这些路径一般拥有比用户本身使用的线缆长度更长的长度，同时也包含了更多的继电器，所以阻抗往往会表现得非常的高。

另外，数据表中制定的路径的阻抗是生产过程中的焊接点的阻抗。跟随着继电器的使用，阻抗会变大，这些也受开关位置和开关类型的影响的，所以，当阻抗变化很大的时候，也就说明了开关已经步入了生命周期的晚期了。

六、使用范围

为什么BIRST只能用在矩阵上呢？因为它依靠的是两端连接（四端，用于双刀开关系统中）到系统中，是通过完整的路径来进行判断的。这个是一个复杂的过程，因为它要求这个工具通过仅有的这几个连接端来判断矩阵中的故障。一些隔离开关将会使得部分开关不能被检测到，这个时候就需要外接设备。配置别的矩阵的时候，由于会需要增加别的开关，也就会增加了一些问题。

在2015年，一种外部的测试工具叫eBIRST发布了，支持更多的矩阵面板，并且还支持非矩阵的模块，如通用的开关模块等。

七、BIRST解决方案

BIRST是在2009年发布的新一代的自检工具，它支持矩阵模块，这些矩阵模块的特点是拥有很多的继电器，有些拥有高达4406个继电器。升级版的是在后缀有一个大写的A字母，而且在未来，大部分的电流矩阵开关也将可以在BIRST中使用，而且不会增加额外的费用，因为旧版的工具可以作为赠品赠送。

在支持BIRST的产品中，它们说明书中会有BIRST的标志的。如下所示：

综上所述，可以看出BIRST作为一种开关模块的内置继电器自主检测工具，大大地提高了系统的自我检测能力，同时减少了故障排除的时间，提高了用户的使用效率，相信未来将会有更多的用户会用上这个工具的。

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