机电产品系统测试如何开展？(1)
发布时间：2010-12-8 15:10
发布者：绝对好文
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在与技术管理人员的沟通中，经常被问到两个问题，第一个如何快速提升年轻工程师的设计经验；第二个是如何在实验室就能把产品的潜在问题测出来？测试什么项目？施加啥样的应力？测出来的结果如何判定？今天的文章就重点讨论后者。 首先先明确一下，单靠测试，有些问题是永远发现不了的。所以仅将问题的激发失效焦点放在测试上是不能全部解决问题的。举例如下图1： 
假设放大倍数为1 （读者兄弟们阿，原谅我的无聊吧，实在是为了比较容易说明问题和便于计算，才设定放大倍数为1的），误差为±10%。那么R1和R2的精度选什么等级的呢？5%到底够不够呢？从感觉上来看，似乎应该没问题。下面我们推导来看看： （读者兄弟们阿，原谅我的无聊吧，实在是为了比较容易说明问题和便于计算，才设定放大倍数为1的），误差为±10%。那么R1和R2的精度选什么等级的呢？5%到底够不够呢？从感觉上来看，似乎应该没问题。下面我们推导来看看： （读者兄弟们阿，原谅我的无聊吧，实在是为了比较容易说明问题和便于计算，才设定放大倍数为1的），误差为±10%。那么R1和R2的精度选什么等级的呢？5%到底够不够呢？从感觉上来看，似乎应该没问题。下面我们推导来看看： （读者兄弟们阿，原谅我的无聊吧，实在是为了比较容易说明问题和便于计算，才设定放大倍数为1的），误差为±10%。那么R1和R2的精度选什么等级的呢？5%到底够不够呢？从感觉上来看，似乎应该没问题。下面我们推导来看看： Vo / Vi = R2 / R1， 把误差考虑进去得（1-10%）≤R2 / R1≤（1±10%），R1、R2取相同的值R，但加上其误差和温度系数导致的阻值总变化假设为△R，则R2 / R1会出现两种极端情况， （R+△R）/（R-△R），此时放大倍数最大，应该 倍数max≤110%； （R-△R）/（R+△R），此时放大倍数最小，应该 倍数min≥90%。 有兴趣读者可以计算一下，△R≤4.76% * R。选择5%精度的电阻在特定情况下（R1正误差最大和R2负误差最大的时候）是不能保证防大电路精度的。 如此的话，假设我们有个电路就是这样设计的，电阻精度选择了±5%，在电阻不在上述极端配对情况的时候，试想谁有办法通过实验手段激发出此电路的问题？但谁也不能否认此电路的原理性问题是仍然存在的。大家可能会有疑问了，既然部分隐患通过实验根本发现不了，那咋办呢？给出产品测试的四种路径分别是： 1. 工程计算和容差分析（上面示例电路通过容差分析很容易把问题找出来） 注意一点，不是所有电路都需要做这个分析的，重点放在放大电路、限流电阻、上 拉下拉电阻等对器件参数比较敏感的地方。 2. 设计规范审查 有些设计有问题，按照常规的经验和分析，能比较轻易地避免一些可能诱发潜在隐患的机会，比如电解电容布局在散热片的上方，散热片的热气自然的会影响到电解电容的环境温度，电解电容有一个失效机理就是电解液干涸，其激发的应力就是温度和时间。虽然，这个现象通过实验也能激发出来，但需要的应力较大，且试验时间较长，有的时候，经过较长试验时间，故障并未出现。但如果通过设计规范审查，将可能避免此类涉及的问题。 就像大风天避免在楼下走，窗玻璃被刮掉容易伤人；雷雨天不要在树下，容易受到雷击… … 不在河边走，自然少湿鞋。 3. 模拟测试（这是测试部分的内容，下面将会重点介绍） 4. 电子仿真（为了避免花费较大，又能快捷的发现隐患，现在较常见的软件工具是热设计仿真、电磁兼容结构设计仿真、信号完整性仿真，此部分不在本文中详述）。 模拟测试进行之前，先请凝神静气，闭眼合十，将大脑中的所有杂念全部扔到天际，确保没有产品的任何设计信息残留脑内。然后想象在脑海中勾勒EUT（Equipment Under Test待测设备）的实际使用场景，先回答出如下的问题： 1、环境因素： 工作高温、工作低温、存贮高温、存贮低温、工作最高湿度、存贮最高湿度、工作最低湿度、存贮最低湿度、温度冲击极限温度和恢复时间、最高海拔高度和大气压、大气成分的氧浓度硫化物、振动的频率/振幅/加速度、碰撞的加速度/周期、坠落的高度、风速/风向、砂尘灰尘、淋雨或泼溅对电路和运动摩擦的影响、散热环境是否密闭、散热通道的走向、盐雾的浓度、潮湿霉变导致电路板漏电流增加或短路、动植物的昆虫进入机器、化学物质（酒精擦拭、药物腐蚀）、照明状态（黑暗、白天、阴天）、光闪影响、空间尺寸、环境噪声的水平和频率、污染物（油污、毛发、花粉）、清洗擦拭或消毒、工作电源AC、DC的波动范围和波动频率、电网接地、设备应用环境附近是否有电磁发射站、共用设备中存在电磁干扰设备、高压线或变压器、电压波动、阻性负载、感性负载、容性负载、较强谐波干扰、机柜的避雷措施、自然静电和操作静电的等级、防静电措施是否充分。 2、人的因素 列举使用者职业的范围、性别、年龄、健康状况、身高、体重、视力、听力、触觉、力量、耐力、距离、操作姿势、正常工作心理状态、异常工作心理状态、注意力、受教育程度、外语能力、专业知识、理解能力、培训效果、培训周期、培训素材有效性、相互干扰、共同作用、操作团队的一致性、责任心 3、关联设备 输入能量的类型、范围、变化的程度、导致输入能量变化的因素、指令、形式、信号类型； 输出部分的量值、输出能力符合设计输入及标准要求、精度、精度符合设计输入、标准、监测（功能实现、精度、适用范围）、异常输出的保护措施、输出能量的显示 控制部分：按钮（可单手操作、端面尺寸合适、操作生效有触感、操作范围适度、按钮尽可能在显示信息右侧、不同功能按钮防错按措施、按钮操作的舒适度）、键盘鼠标（放置合适，固定有效）、触模屏（触摸有效性、定位精确、触摸屏响应时间）、显示信息在左侧，操作信息在右侧、操作范围（单手操作、右手原则）、开关（易于发现、动作有效、误操作防护措施） 4、设备本身 报警部分：报警优先级要求、报警形式（声、光、文字、动作、振动）、报警提示后有无保护动作、听觉报警噪声水平、受背景噪声影响、噪声频段不少于两段、报警查觉距离、报警信息读取距离、报警信息查觉失效的动作感知与振动感知； 软件界面：菜单位置符合实际及习惯、菜单级数不超过三.级、常用功能位置、主要参数显示在同一界面、不同功能图标应区别明显、快速功能键操作步骤不超过两步、信息显示适合一般视力条件及使用实现情况、颜色分配（不可太杂3种以内、颜色字体显示内容体现主次、界面字体颜色考虑光线因素、长时间观察界面、字体颜色考虑视觉疲劳）、复杂操作提供提示信息且提示信息位置应就近指示或指示有效、主参数与辅助参数颜色字体区别对待体现主次 结构方面：倾斜可能，碰撞后倾斜可能、提拎舒适度，吊装、配合使用设备组装后重心应稳定、信号互连线缆的拉力、锐边、尖角、避免突出部分、悬臂结构、悬臂结构受力损坏、结构变形、附件连接防接错措施、信号连接公母口的触电防静电、电源连接LNG防错、正负极防错、电源线与信号线防错措施、连接强度要求、连接件强度适度、装配定位措施、电池防反设计、长时间不用取出提示、充电保护设计、装卸简单无需工具、拆卸不易损坏、密封设计与使用情况的合理性、密封设计与使用情况的合理性、密封材料的老化 标识符号：符号正确、符号符合用户认识水平、符号标识位置的可视性、符号标准颜色、文字母语原则、专业及习惯因素、国家规定、语言误解可能、图标提示信息、快速提示提示卡（铭牌）可视易懂； 器件输出能力：器件寿命、频繁使用器件、关键器件可靠性评估结果、功率、负荷、持续工作时间、最大应力、使用寿命，更换要求、温度、湿度、气压等要求、器件之间配合度（各器件之间输入输出设计合理性评估）。 回答出了以上的问题，基本上产品测试方案刚刚完成了1/3。下一个 1/3是什么呢？是要知道上述的条件下，哪些地方容易失效。就像医生诊病望闻问切一样，第一个1/3是问的过程，下一步就是望和闻了，通过望和闻，加上已有的经验，初步判断出是哪些出现的失效，问这部分需要一点经验的分析。但幸运的是，我已汇总了多个行业的常见问题，在知道了这些地方容易发生问题之后，再了解了其失效机理，施加针对失效机理的应力下，产品测试的故障就容易出来了。易发生问题的点如下： 面膜：按键粘连；按键不起作用或直接导通；按键互锁功能不可靠； 显示屏：静电打坏；显示字库不全或乱码；乱码；破裂；受到干扰时候显示死机；亮度不均匀；触摸屏灵敏度失效；触控板不可靠； 数据接口：数据传输错误；数据传速率高导致数据刷新慢；直接通讯可以但光电隔离不可以； 接插件：松动；触点氧化接触不良；生产野蛮导致失效； 线缆：电缆断线；传输距离；电瓶串联线过流烧毁； 电路板：芯片本身问题；变形导致虚焊或功能失效；焊点间距伪短路导致开关机；异常关机；接收信号失常；电源带负载不正常； RohS焊接良品率；上电时序导致电源跌落；控制器异常reset；断电上电冲击电流；超声清洗导致残留液体； 振动噪声：不抗摔；风扇长时间运行导致噪声；磨损导致断裂或噪声；共振导致断裂噪声大；重心不稳； 报警：防盗装置异常报警 功能失常：发动机熄火；刹车不平衡… … 环境适应性：防进液等级；湿热环境下绝缘强度下降；高海拔引起的性能参数漂移或精度下降；电气环境条件电压；设备高温防范方法；通风过滤通道的设计和测试；水冷散热冷却剂引起的问题； 人机接口：操作者状态；听筒无声；连接方法的标识； 测量精度：纹波导致精度问题；高温导致参数漂移；湿热漏电流增加精度下降；接地导致偏差；长距离通讯接地问题； 元器件烧毁：电解电容爆裂或干涸；继电器粘连或不闭合或闭合电阻太大；MOSFET过热或烧毁；钽电容烧毁；不同厂家同指标性能不同；长时间存放充不满；静态电流过大导致电池供电能力不足； 安规或EMC超标：电源浪涌和EFT不过；ESD问题；设备相互干扰；接地不良问题；大功率设备的高频噪声； 机械断裂或锈蚀：高速下机械应力导致断裂；化学腐蚀盐雾腐蚀； 软件：内存泄露导致死机；跑飞；不兼容；开关端口过程会死机；外部存储介质读写数据异常；第三方软件驱动兼容性差； 插拔过程导致虚焊、器件烧毁、参数长期工作漂移误差大… … 以上的故障，到底是哪些失效机理激发的呢？鉴于涉及部分企业的产品的缘故，就不针对上述问题一一分析了。而只是给出一个失效机理的汇总，供大家参考，谨将温度失效的机理汇总如下： 
由上表能看出来，温度失效容易导致哪些部位损坏，此时刻，测试用例的设计是不是该了然于胸了？还没有形成一个完整的思路？那就举个简单例子来说明。 比如， 第一步：我们知道应用环境下会有振动，振动强度的指标是多少自己去想，电路板的潜在虚焊或氧化会在用户现场震动中导致失效； 第二步：我们分析电路板，虚焊最容易在哪些地方发生？焊锡多的地方、重的地方、焊盘小焊锡少的地方、无铅焊接的地方；异金属连接的地方 第三步：结合上面的表格，找到能激发此类问题的应力，温度冲击+次数（表格的倒数第二行）、温度+时间（表格的倒数第十行），另外还有振动应力能激发的失效（另有相关资料，未予列出） 第四步：设计测试用例，对电路板在不带电状态下做温度循环和温度冲击试验，温度（以不会激发器件损伤性失效的上限温度为上限基准，下限同理）和次数（可自己定义或参考相关标准）选择好，然后就是具体的试验操作，那就是very easy，由实验员去完成就可以了。 以上是测试用例设计的基本过程和过程中的一些参考内容，涉及内容较多，不尽之处颇多，仅提供一个思路，抛砖引玉，供大家在一个引导性思路的帮助下，制定出自己的测试大纲来，限于诸多条件，言尽于此，望读者见谅。 若想深入了解更多测试方法和技术的内容，欢迎联系400-6800-965或 china@rdcoo.com交流呵。 武晔卿 |
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