何 衛(wèi)，王利民，張廣洲，鄧靜偉，張 宇，吳澤霖，諶 祺，韓小濤

(1.武漢南瑞電力工程技術(shù)裝備有限公司，湖北武漢 430415；2.國(guó)網(wǎng)江西省電力有限公司電力科學(xué)研究院，江西南昌 330096；3.華中科技大學(xué)電氣與電子學(xué)院，湖北武漢 430074)

0 引言

金屬材料在加載電流后，其成形性能會(huì)發(fā)生變化，如塑性提高、變形抗力降低等[1]，將此種電塑性效應(yīng)運(yùn)用于傳統(tǒng)塑性加工過(guò)程中的工藝稱為電流輔助成形工藝(Electrically-assisted Forming，EAF)。相比于傳統(tǒng)成形工藝，EAF可在增加材料塑性、提高成形極限的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)材料組織性能控制，且該工藝具有加工道次少、生產(chǎn)周期短和設(shè)備使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)[2]。然而，現(xiàn)階段電塑性效應(yīng)的內(nèi)在機(jī)理研究尚不明確，主要存在有焦耳熱效應(yīng)、電子風(fēng)效應(yīng)及磁效應(yīng)等三種假說(shuō)，但缺乏了可靠精確的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證分析[2]。主要原因之一是由于在電流作用過(guò)程中不可避免產(chǎn)生焦耳熱，而焦耳熱效應(yīng)與其他效應(yīng)的耦合將導(dǎo)致研究變得十分困難。因此，如何精確測(cè)量電塑性過(guò)程中的溫度變化是研究電塑形效應(yīng)機(jī)理的前提條件。

在金屬材料電塑性的研究中，常用測(cè)溫方法有紅外測(cè)溫和熱電偶測(cè)溫。紅外測(cè)溫可以快速響應(yīng)由脈沖電流所引起的溫度變化，但在電塑性拉伸實(shí)驗(yàn)中很難對(duì)樣件某定點(diǎn)或小樣件的溫度進(jìn)行跟蹤測(cè)量。熱電偶傳感器屬于電量式測(cè)溫，具有響應(yīng)快、精度高等優(yōu)點(diǎn)，特別適合于材料表面的溫度測(cè)量。然而，在電塑性效應(yīng)實(shí)驗(yàn)中，熱電偶需要直接與通有脈沖電流的金屬樣件接觸，在脈沖電流作用下，會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的電磁干擾，難以保證溫度測(cè)量的精度和可信度。為克服上述電磁干擾問(wèn)題，本文提出一種具有強(qiáng)抗干擾性的電塑性效應(yīng)測(cè)溫系統(tǒng)。

1 電塑性效應(yīng)測(cè)溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)

熱電偶是一種廣泛用于溫度測(cè)量的器件，其測(cè)量原理是通過(guò)將兩個(gè)金屬導(dǎo)體的熱勢(shì)差轉(zhuǎn)化為電勢(shì)差，并參考接合點(diǎn)溫度以獲得精確的絕對(duì)溫度讀數(shù)[3]。當(dāng)熱電偶應(yīng)用到電塑性效應(yīng)實(shí)驗(yàn)中，熱電偶測(cè)量系統(tǒng)會(huì)受到強(qiáng)烈的干擾，如電磁感應(yīng)干擾、電場(chǎng)干擾、高溫干擾和地電流干擾等[4]。為消除這些干擾，首先應(yīng)該確定干擾源，再針對(duì)干擾類型與特點(diǎn)采取相應(yīng)措施。為此，本設(shè)計(jì)對(duì)處理主要干擾源的熱電偶測(cè)溫模塊進(jìn)行數(shù)模隔離，同時(shí)也對(duì)其它電路模塊作了相應(yīng)的抗干擾處理。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，包括熱電偶測(cè)溫模塊、嵌入式以太網(wǎng)通訊模塊和數(shù)模隔離模塊等。

1.1 硬件設(shè)計(jì)

1.1.1 熱電偶測(cè)溫模塊的抗干擾設(shè)計(jì)

熱電偶與通有脈沖電流導(dǎo)體直接接觸，因此熱電偶測(cè)量模塊所受到的電磁干擾最嚴(yán)重。若不消除干擾源的影響，微弱的熱電偶信號(hào)將會(huì)被淹沒(méi)在強(qiáng)烈的干擾信號(hào)之中，甚至?xí)p壞設(shè)備。由脈沖電流所帶來(lái)的干擾主要有兩種：一種是金屬試樣平行于電流方向上的各點(diǎn)存在電位差、引進(jìn)端間干擾電壓，該電壓直接與熱電偶絲的接觸點(diǎn)在被測(cè)樣件上所受到的電勢(shì)有關(guān)；另一種是金屬樣件上通過(guò)的脈沖電流會(huì)在熱電偶的回路中感應(yīng)交流電動(dòng)勢(shì)，其電勢(shì)大小與導(dǎo)體所流過(guò)電流的變化速率以及大小有關(guān)。

針對(duì)端間干擾電壓，應(yīng)盡量減少熱電偶的兩信號(hào)線間電勢(shì)差，盡可能采用細(xì)的熱電偶絲，同時(shí)應(yīng)保證熱電偶絲的焊點(diǎn)盡可能小，這樣熱電偶輸入端將處于同一電位，端間干擾電壓便可忽略不計(jì)。

對(duì)于交流電動(dòng)勢(shì)干擾，除了應(yīng)盡可能絞合熱電偶信號(hào)線并使用金屬套管屏蔽信號(hào)線外，還應(yīng)在電路上作一些處理。相對(duì)于脈沖電流的變化速率，溫度的變化是緩慢的，這樣可以采用如圖2所示的差分低通濾波器。信號(hào)調(diào)節(jié)電路具有濾波、偏置、過(guò)壓保護(hù)、傳感器開路檢測(cè)等功能；差動(dòng)濾波器對(duì)稱的結(jié)構(gòu)可以減少共模和差模噪聲；濾波器電阻可以限制輸入電流，大幅提高輸入的可靠性。濾波器設(shè)計(jì)時(shí)，差模電容器應(yīng)至少比共模電容器大10倍，這樣可以避免共模電容器不匹配所導(dǎo)致的差模噪聲，通過(guò)使用具有低等效串聯(lián)電阻、低電介質(zhì)吸收的小型電容器與信號(hào)路徑上的其它較大電容器并聯(lián)，可以有效地減弱高頻噪聲分量。

由于本設(shè)計(jì)中頻繁暴露在靜電放電環(huán)境中，采用增加磁珠方式進(jìn)一步減少EMI干擾，同時(shí)在輸入濾波器之前加入瞬態(tài)電壓抑制器(TVS)二極管，以保護(hù)元器件。差動(dòng)濾波器截止頻率按式(1)計(jì)算。最終的調(diào)節(jié)電路如圖3所示，圖中鐵氧體磁珠L(zhǎng)1、L2，電容C1、C2、C3構(gòu)成差分低通濾波器以濾除高頻信號(hào)，而瞬態(tài)電壓抑制器(TVS)和二極管D1、D2起到浪涌保護(hù)的作用[5]。

fCDM=12π(RDIFFA+RDIFFB)(CDIFF+CCM2)

(1)

為避免不必要的干擾，應(yīng)盡可能地減少信號(hào)處理的中間環(huán)節(jié)，因此本文選用自帶冷端補(bǔ)償?shù)腗AX3185K集成芯片。MAX31855K直接將熱電偶信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，具有信號(hào)放大、冷端補(bǔ)償、線性化、檢測(cè)熱電偶開路、A/D轉(zhuǎn)換及SPI串口數(shù)字化輸出功能[6]。特點(diǎn)是：測(cè)量速度快，在32個(gè)串行時(shí)鐘(5 MHz)即可完成溫度測(cè)量；測(cè)量準(zhǔn)確，溫度分辨率達(dá)到0.25 ℃；測(cè)量方便，器件內(nèi)部包含信號(hào)調(diào)節(jié)硬件電路，通過(guò)冷端補(bǔ)償對(duì)參考端的溫度變化進(jìn)行修正，直接輸出數(shù)字化補(bǔ)償后的溫度。

1.1.2 嵌入式以太網(wǎng)通訊模塊的抗干擾設(shè)計(jì)

為了滿足數(shù)據(jù)傳遞速度的要求，提高測(cè)量系統(tǒng)長(zhǎng)期工作的可靠性，本系統(tǒng)采用嵌入式處理器加網(wǎng)卡芯片結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)基于以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)通信方案，具有通信快、通用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。其中，處理器采用DSP芯片(型號(hào)：TMS320F2812)，該32位的DSP芯片不僅具有數(shù)字信號(hào)處理能力，還具有嵌入式控制功能以及事件管理等能力，完全滿足熱電偶信號(hào)采集與實(shí)時(shí)網(wǎng)口通信的要求。網(wǎng)路控制器則采用DM9000AEP芯片[7]，該芯片遵守以太網(wǎng)傳輸協(xié)議，芯片內(nèi)置10M/100M自適應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)接口，具有低功耗、性能高，外圍電路簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。

對(duì)于嵌入式以太網(wǎng)通訊模塊，除了應(yīng)采用恰當(dāng)長(zhǎng)度的熱電偶線使其盡可能地遠(yuǎn)離帶有脈沖電流樣件干擾源外，也應(yīng)從硬件上保證其可靠性。為此，采用硬件看門狗的方式，即使在微控制器CPU受到嚴(yán)重電磁干擾導(dǎo)致程序“跑飛”或進(jìn)入死循環(huán)的情況下，也能夠快速地重啟恢復(fù)正常工作。本文采用MAX706芯片硬件看門狗的控制芯片，其工作原理為通過(guò)執(zhí)行軟件，周期性地向看門狗發(fā)送WDI信號(hào)，若在規(guī)定時(shí)間內(nèi)MAX706沒(méi)有收到CPU的WDI信號(hào)，CPU將會(huì)重啟。

對(duì)于網(wǎng)口通信，DM9000AEP輸出信號(hào)不作處理即可通過(guò)RJ45連接到上位機(jī)。但是，網(wǎng)口作為一個(gè)高速數(shù)據(jù)傳送系統(tǒng)，稍有干擾就可能會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)失真、丟包等現(xiàn)象。為提高電路抗干擾能力，在DM9000AEP的輸出信號(hào)與RJ45之間，加入型號(hào)為FC1103GY網(wǎng)絡(luò)變壓器，如圖4所示，其主要包含中間抽頭電容、變壓器、自耦變壓器、共模電感，起到的主要作用有：滿足IEEE 802.3電氣隔離要求；無(wú)失真?zhèn)鬏斠蕴W(wǎng)信號(hào)；輻射發(fā)射的抑制。

1.1.3 數(shù)模隔離模塊設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中熱電偶產(chǎn)生的模擬信號(hào)由MAX31855K轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)再傳入微控制器。若不加以隔離處理，由熱電偶產(chǎn)生的模擬信號(hào)干擾會(huì)通過(guò)地線串入CPU，影響其正常工作。為此，必須在嵌入式以太網(wǎng)通訊模塊與熱電偶測(cè)溫模塊之間進(jìn)行數(shù)模隔離。當(dāng)有多個(gè)測(cè)溫模塊時(shí)，可以避免環(huán)流，使各個(gè)測(cè)溫模塊相互獨(dú)立互不干擾；同時(shí)可以使主控器被完全隔離，以防止主控器受到干擾。

模擬隔離部分的MAX31855集成芯片采用24轉(zhuǎn)3.3 V隔離電源模塊供電，該隔離電源最大承受1 min1.5 kV的電壓，且漏電流小于1 mA。數(shù)字隔離部分采用四通道數(shù)字隔離器ADuM2402，該隔離器將高速CMOS與單芯片空芯變壓器技術(shù)融為一體，具有比光耦合器等替代器件更優(yōu)的性能特征。相比較下，光耦合器可能存在了電流傳輸比不確定、非線性傳遞函數(shù)以及溫度和使用壽命問(wèn)題。此外，在信號(hào)數(shù)據(jù)速率相當(dāng)?shù)那闆r下，其功耗只有光耦合器的1/10至1/6。最重要的是其高共模瞬變抗擾度大于25 kV/μs，最大傳輸速率可達(dá)到90 Mbps，完全滿足本設(shè)計(jì)中抗干擾和傳輸速率要求。

1.2 軟件設(shè)計(jì)

電塑性測(cè)量系統(tǒng)主要包括熱電偶信號(hào)采集處理程序和網(wǎng)口通信程序。為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在軟件上同樣采用隔離的思路，以簡(jiǎn)化程序提高魯棒性。具體做法如下：熱電偶測(cè)溫子程序通過(guò)定時(shí)器，按照設(shè)定的采樣頻率對(duì)MAX31855K數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取并處理，并實(shí)時(shí)寫入DM9000A的16 K字節(jié)SRAM緩存中。微控制的主函數(shù)只需要處理網(wǎng)口通信程序，按照上位機(jī)的指令將待寫入RAM的數(shù)據(jù)依次上傳給上位機(jī)，充分利用了CPU資源，提高了傳輸速率和穩(wěn)定性。

1.2.1 熱電偶數(shù)據(jù)采集程序開發(fā)

熱電偶在受到嚴(yán)重電磁干擾時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)開路現(xiàn)象，若不及時(shí)甄別，測(cè)量的數(shù)據(jù)將毫無(wú)意義，所以對(duì)熱電偶輸入信號(hào)，應(yīng)首先判斷熱電偶是否故障再進(jìn)行處理，而MAX31855K輸出的信號(hào)自帶故障標(biāo)志位，只需處理數(shù)據(jù)前判斷故障標(biāo)志位即可，這樣可以在很大程度上簡(jiǎn)化程序。

對(duì)于采集的數(shù)據(jù)，應(yīng)采用數(shù)字濾波算法以進(jìn)一步減少干擾。數(shù)字濾波方法有很多種：算術(shù)平均濾波法、加權(quán)平均濾波法、滑動(dòng)平均濾波法、中值濾波法等。然而各種濾波器均有各自的不足，算術(shù)平均濾波法和滑動(dòng)平均濾波法不容易消除由于脈沖干擾引起的采樣偏差，中值濾波算法雖可以消除脈沖干擾但采樣點(diǎn)數(shù)受到限制[8]。為了保證溫度數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性，結(jié)合溫度數(shù)據(jù)具有一定遲滯性的特點(diǎn)，有必要對(duì)溫度數(shù)據(jù)采取復(fù)合數(shù)字濾波技術(shù)，以便有效剔除外界干擾。針對(duì)本系統(tǒng)的干擾特點(diǎn)，將中值濾波與算術(shù)平均值濾波復(fù)合疊加，采用先中值后平均的方式進(jìn)行數(shù)字濾波，這種方法既可以去掉脈沖干擾，又可以對(duì)采樣值進(jìn)行平滑處理。如圖5所示，首先確定采樣頻率F和采樣次數(shù)N，再對(duì)采樣得到的溫度數(shù)組進(jìn)行降序排序，從而剔除不合理的極大值和極小值。當(dāng)M取1時(shí)即剔除最大值和最小值。對(duì)于采樣頻率F、采樣次數(shù)N、剔除極值的個(gè)數(shù)M，根據(jù)數(shù)據(jù)采集設(shè)備所受干擾的頻率與類型決定。

1.2.2 網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議程序開發(fā)

本測(cè)溫系統(tǒng)采用TCP/IP協(xié)議與上位機(jī)進(jìn)行通訊，具有靈敏的破壞恢復(fù)機(jī)制、高效的錯(cuò)誤率處理和低數(shù)據(jù)開銷等特點(diǎn)，可滿足快速、高效的傳輸需求。一般來(lái)說(shuō)，TCP/IP協(xié)議[9]包括了四層協(xié)議：鏈路層是TCP/IP協(xié)議最底層，主要用來(lái)完成IP地址與物理地址之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，即實(shí)現(xiàn)ARP協(xié)議等；網(wǎng)絡(luò)層主要有IP協(xié)議等，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)之間的通信，向傳輸層提供標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)包；傳輸層主要有TCP協(xié)議等，它是整個(gè)體系的控制部分，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用進(jìn)程之間端到端的通信；應(yīng)用層主要包括Telent、FTP、DNS等高層協(xié)議，該層是用戶操作接口。系統(tǒng)具體的TCP/IP協(xié)議程序流程如圖6所示。

2 實(shí)驗(yàn)與分析

2.1 軟件設(shè)計(jì)

電塑性拉伸系統(tǒng)如圖7所示，主要由電子萬(wàn)能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)、脈沖電流源和測(cè)溫系統(tǒng)構(gòu)成。其中，電子萬(wàn)能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)用于測(cè)量材料的拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線；脈沖電流源提供電流幅值、脈寬和占空比連續(xù)可調(diào)的脈沖電流；測(cè)溫系統(tǒng)則用來(lái)測(cè)量樣品在通電拉伸過(guò)程中的溫度變化。通過(guò)在試樣拉伸過(guò)程中通以脈沖電流，研究電塑性效應(yīng)作用下材料的拉伸變形行為。據(jù)報(bào)道，在脈沖電流的作用下金屬的延展率提升了10%～15%[10]，可直接用于一些難變形金屬材料的加工。而本文設(shè)計(jì)的具有強(qiáng)抗干擾性的電塑性效應(yīng)測(cè)溫系統(tǒng)正是針對(duì)電塑性實(shí)驗(yàn)中通有脈沖電流樣件的溫度測(cè)量這一特殊情形設(shè)計(jì)的。

2.2 測(cè)溫實(shí)驗(yàn)及抗干擾性分析

本文的測(cè)溫系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)電塑性拉伸試驗(yàn)過(guò)程中金屬表面的快速測(cè)溫。為驗(yàn)證本系統(tǒng)的抗干擾的性能，通過(guò)兩組對(duì)比試驗(yàn)來(lái)說(shuō)明，分別采用未做濾波處理的和本設(shè)計(jì)的電路，同時(shí)對(duì)通有脈寬固定為10 ms、占空比1∶40(周期為400 ms)、電流密度為30 A/mm2脈沖電流樣件進(jìn)行溫度測(cè)量，測(cè)得溫度曲線如圖8所示。

如圖8(a)所示，在沒(méi)有合理抗干擾處理的情況下，溫度曲線受到了嚴(yán)重的電磁干擾，使被測(cè)溫度信號(hào)完全淹沒(méi)在噪聲之中。相比較下，抗干擾處理的溫度曲線(圖8(b))平滑、連續(xù)，可以看出由電磁引起的脈沖干擾、雜散干擾等已基本被剔除，可以較好地反映出焦耳熱引起的溫度變化。

為驗(yàn)證本測(cè)溫系統(tǒng)的測(cè)量精度，將其與CSLT15在線紅外測(cè)溫儀進(jìn)行測(cè)溫實(shí)驗(yàn)對(duì)比，該測(cè)溫儀溫度量程為-40～1 030 ℃，響應(yīng)時(shí)間(90%)為25 ms，重復(fù)精度為±0.75 ℃。測(cè)溫曲線如圖9所示，可以看出熱電偶與紅外的溫升曲線的趨勢(shì)基本一致，紅外的響應(yīng)速度比熱電偶快，但有少量的毛刺，兩者的最高溫度相差不大，可以說(shuō)明熱電偶測(cè)溫達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)熱電偶測(cè)溫中脈沖電流引起的電磁干擾問(wèn)題，提出一種具有強(qiáng)抗干擾性的電塑性效應(yīng)測(cè)溫系統(tǒng)。為滿足電塑性實(shí)驗(yàn)快速實(shí)時(shí)溫度測(cè)量的要求，采用了嵌入式處理器加網(wǎng)卡芯片結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)基于以太網(wǎng)的快速通信方案。為消除電磁干擾，對(duì)熱電偶測(cè)量信號(hào)采用改進(jìn)的差分低通濾波器進(jìn)行抗干擾處理；同時(shí)對(duì)處理主要干擾源的測(cè)溫模塊作了數(shù)模隔離處理；采用復(fù)合濾波算法消除了脈沖干擾。通過(guò)對(duì)比測(cè)溫實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的電塑性測(cè)溫系統(tǒng)滿足使用要求，具有良好的精度、響應(yīng)速度和強(qiáng)抗干擾能力。