具有強(qiáng)抗干擾性的電塑性效應(yīng)測溫系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

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，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，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，如何精確測量電塑性過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，常用測溫方法有紅外測溫和熱電偶測溫。紅外測溫可以快速響應(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)中很難對樣件某定點(diǎn)或小樣件的溫度進(jìn)行跟蹤測量。熱電偶傳感器屬于電量式測溫，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，會帶來嚴(yán)重的電磁干擾，難以保證溫度測量的精度和可信度。為克服上述電磁干擾問題，本文提出一種具有強(qiáng)抗干擾性的電塑性效應(yīng)測溫系統(tǒng)。

1 電塑性效應(yīng)測溫系統(tǒng)設(shè)計

熱電偶是一種廣泛用于溫度測量的器件，其測量原理是通過將兩個金屬導(dǎo)體的熱勢差轉(zhuǎn)化為電勢差，并參考接合點(diǎn)溫度以獲得精確的絕對溫度讀數(shù)[3]。當(dāng)熱電偶應(yīng)用到電塑性效應(yīng)實(shí)驗(yàn)中，熱電偶測量系統(tǒng)會受到強(qiáng)烈的干擾，如電磁感應(yīng)干擾、電場干擾、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，再針對干擾類型與特點(diǎn)采取相應(yīng)措施。為此，本設(shè)計對處理主要干擾源的熱電偶測溫模塊進(jìn)行數(shù)模隔離，同時也對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

1.1.1 熱電偶測溫模塊的抗干擾設(shè)計

熱電偶與通有脈沖電流導(dǎo)體直接接觸，因此熱電偶測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，微弱的熱電偶信號將會被淹沒在強(qiáng)烈的干擾信號之中，甚至?xí)p壞設(shè)備。由脈沖電流所帶來的干擾主要有兩種：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)在被測樣件上所受到的電勢有關(guān)；另一種是金屬樣件上通過的脈沖電流會在熱電偶的回路中感應(yīng)交流電動勢，其電勢大小與導(dǎo)體所流過電流的變化速率以及大小有關(guān)。

針對端間干擾電壓，應(yīng)盡量減少熱電偶的兩信號線間電勢差，盡可能采用細(xì)的熱電偶絲，同時應(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。

對于交流電動勢干擾，除了應(yīng)盡可能絞合熱電偶信號線并使用金屬套管屏蔽信號線外，還應(yīng)在電路上作一些處理。相對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。信號調(diào)節(jié)電路具有濾波、偏置、過壓保護(hù)、傳感器開路檢測等功能；差動濾波器對稱的結(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)計時，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。差動濾波器截止頻率按式(1)計算。最終的調(diào)節(jié)電路如圖3所示，圖中鐵氧體磁珠L1、L2，電容C1、C2、C3構(gòu)成差分低通濾波器以濾除高頻信號，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直接將熱電偶信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，具有信號放大、冷端補(bǔ)償、線性化、檢測熱電偶開路、A/D轉(zhuǎn)換及SPI串口數(shù)字化輸出功能[6]。特點(diǎn)是：測量速度快，在32個串行時鐘(5 MHz)即可完成溫度測量；測量準(zhǔn)確，溫度分辨率達(dá)到0.25 ℃；測量方便，器件內(nèi)部包含信號調(diào)節(jié)硬件電路，通過冷端補(bǔ)償對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

為了滿足數(shù)據(jù)傳遞速度的要求，提高測量系統(tǒng)長期工作的可靠性，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：TMS320F2812)，該32位的DSP芯片不僅具有數(shù)字信號處理能力，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采集與實(shí)時網(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，外圍電路簡單等優(yōu)點(diǎn)。

對于嵌入式以太網(wǎng)通訊模塊，除了應(yīng)采用恰當(dāng)長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，其工作原理為通過執(zhí)行軟件，周期性地向看門狗發(fā)送WDI信號，若在規(guī)定時間內(nèi)MAX706沒有收到CPU的WDI信號，CPU將會重啟。

對于網(wǎng)口通信，DM9000AEP輸出信號不作處理即可通過RJ45連接到上位機(jī)。但是，網(wǎng)口作為一個高速數(shù)據(jù)傳送系統(tǒng)，稍有干擾就可能會出現(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的輸出信號與RJ45之間，加入型號為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；無失真?zhèn)鬏斠蕴W(wǎng)信號；輻射發(fā)射的抑制。

1.1.3 數(shù)模隔離模塊設(shè)計

本設(shè)計中熱電偶產(chǎn)生的模擬信號由MAX31855K轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號再傳入微控制器。若不加以隔離處理，由熱電偶產(chǎn)生的模擬信號干擾會通過地線串入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溫模塊之間進(jìn)行數(shù)模隔離。當(dāng)有多個測溫模塊時，可以避免環(huán)流，使各個測溫模塊相互獨(dú)立互不干擾；同時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題。此外，在信號數(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)計中抗干擾和傳輸速率要求。

1.2 軟件設(shè)計

電塑性測量系統(tǒng)主要包括熱電偶信號采集處理程序和網(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，以簡化程序提高魯棒性。具體做法如下：熱電偶測溫子程序通過定時器，按照設(shè)定的采樣頻率對MAX31855K數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取并處理，并實(shí)時寫入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，可能會出現(xiàn)開路現(xiàn)象，若不及時甄別，測量的數(shù)據(jù)將毫無意義，所以對熱電偶輸入信號，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化程序。

對于采集的數(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時即剔除最大值和最小值。對于采樣頻率F、采樣次數(shù)N、剔除極值的個數(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。一般來說，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，主要用來完成IP地址與物理地址之間的對應(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

電塑性拉伸系統(tǒng)如圖7所示，主要由電子萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)、脈沖電流源和測溫系統(tǒng)構(gòu)成。其中，電子萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)用于測量材料的拉伸應(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；測溫系統(tǒng)則用來測量樣品在通電拉伸過程中的溫度變化。通過在試樣拉伸過程中通以脈沖電流，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)計的具有強(qiáng)抗干擾性的電塑性效應(yīng)測溫系統(tǒng)正是針對電塑性實(shí)驗(yàn)中通有脈沖電流樣件的溫度測量這一特殊情形設(shè)計的。

2.2 測溫實(shí)驗(yàn)及抗干擾性分析

本文的測溫系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對電塑性拉伸試驗(yàn)過程中金屬表面的快速測溫。為驗(yàn)證本系統(tǒng)的抗干擾的性能，通過兩組對比試驗(yàn)來說明，分別采用未做濾波處理的和本設(shè)計的電路，同時對通有脈寬固定為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)行溫度測量，測得溫度曲線如圖8所示。

如圖8(a)所示，在沒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，使被測溫度信號完全淹沒在噪聲之中。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)證本測溫系統(tǒng)的測量精度，將其與CSLT15在線紅外測溫儀進(jìn)行測溫實(shí)驗(yàn)對比，該測溫儀溫度量程為-40～1 030 ℃，響應(yīng)時間(90%)為25 ms，重復(fù)精度為±0.75 ℃。測溫曲線如圖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，可以說明熱電偶測溫達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

3 結(jié)束語

本文針對熱電偶測溫中脈沖電流引起的電磁干擾問題，提出一種具有強(qiáng)抗干擾性的電塑性效應(yīng)測溫系統(tǒng)。為滿足電塑性實(shí)驗(yàn)快速實(shí)時溫度測量的要求，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，對熱電偶測量信號采用改進(jìn)的差分低通濾波器進(jìn)行抗干擾處理；同時對處理主要干擾源的測溫模塊作了數(shù)模隔離處理；采用復(fù)合濾波算法消除了脈沖干擾。通過對比測溫實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證本文設(shè)計的電塑性測溫系統(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。