具有强抗干扰性的电塑性效应测温系统设计与实现

何 卫，王利民，张广洲，邓静伟，张 宇，吴泽霖，谌 祺，韩小涛

(1.武汉南瑞电力工程技术装备有限公司，湖北武汉 430415；2.国网江西省电力有限公司电力科学研究院，江西南昌 330096；3.华中科技大学电气与电子学院，湖北武汉 430074)

0 引言

金属材料在加载电流后，其成形性能会发生变化，如塑性提高、变形抗力降低等[1]，将此种电塑性效应运用于传统塑性加工过程中的工艺称为电流辅助成形工艺(Electrically-assisted Forming，EAF)。相比于传统成形工艺，EAF可在增加材料塑性、提高成形极限的同时，实现材料组织性能控制，且该工艺具有加工道次少、生产周期短和设备使用寿命长等优点[2]。然而，现阶段电塑性效应的内在机理研究尚不明确，主要存在有焦耳热效应、电子风效应及磁效应等三种假说，但缺乏了可靠精确的实验验证分析[2]。主要原因之一是由于在电流作用过程中不可避免产生焦耳热，而焦耳热效应与其他效应的耦合将导致研究变得十分困难。因此，如何精确测量电塑性过程中的温度变化是研究电塑形效应机理的前提条件。

在金属材料电塑性的研究中，常用测温方法有红外测温和热电偶测温。红外测温可以快速响应由脉冲电流所引起的温度变化，但在电塑性拉伸实验中很难对样件某定点或小样件的温度进行跟踪测量。热电偶传感器属于电量式测温，具有响应快、精度高等优点，特别适合于材料表面的温度测量。然而，在电塑性效应实验中，热电偶需要直接与通有脉冲电流的金属样件接触，在脉冲电流作用下，会带来严重的电磁干扰，难以保证温度测量的精度和可信度。为克服上述电磁干扰问题，本文提出一种具有强抗干扰性的电塑性效应测温系统。

1 电塑性效应测温系统设计

热电偶是一种广泛用于温度测量的器件，其测量原理是通过将两个金属导体的热势差转化为电势差，并参考接合点温度以获得精确的绝对温度读数[3]。当热电偶应用到电塑性效应实验中，热电偶测量系统会受到强烈的干扰，如电磁感应干扰、电场干扰、高温干扰和地电流干扰等[4]。为消除这些干扰，首先应该确定干扰源，再针对干扰类型与特点采取相应措施。为此，本设计对处理主要干扰源的热电偶测温模块进行数模隔离，同时也对其它电路模块作了相应的抗干扰处理。系统结构示意图如图1所示，包括热电偶测温模块、嵌入式以太网通讯模块和数模隔离模块等。

1.1 硬件设计

1.1.1 热电偶测温模块的抗干扰设计

热电偶与通有脉冲电流导体直接接触，因此热电偶测量模块所受到的电磁干扰最严重。若不消除干扰源的影响，微弱的热电偶信号将会被淹没在强烈的干扰信号之中，甚至会损坏设备。由脉冲电流所带来的干扰主要有两种：一种是金属试样平行于电流方向上的各点存在电位差、引进端间干扰电压，该电压直接与热电偶丝的接触点在被测样件上所受到的电势有关；另一种是金属样件上通过的脉冲电流会在热电偶的回路中感应交流电动势，其电势大小与导体所流过电流的变化速率以及大小有关。

针对端间干扰电压，应尽量减少热电偶的两信号线间电势差，尽可能采用细的热电偶丝，同时应保证热电偶丝的焊点尽可能小，这样热电偶输入端将处于同一电位，端间干扰电压便可忽略不计。

对于交流电动势干扰，除了应尽可能绞合热电偶信号线并使用金属套管屏蔽信号线外，还应在电路上作一些处理。相对于脉冲电流的变化速率，温度的变化是缓慢的，这样可以采用如图2所示的差分低通滤波器。信号调节电路具有滤波、偏置、过压保护、传感器开路检测等功能；差动滤波器对称的结构可以减少共模和差模噪声；滤波器电阻可以限制输入电流，大幅提高输入的可靠性。滤波器设计时，差模电容器应至少比共模电容器大10倍，这样可以避免共模电容器不匹配所导致的差模噪声，通过使用具有低等效串联电阻、低电介质吸收的小型电容器与信号路径上的其它较大电容器并联，可以有效地减弱高频噪声分量。

由于本设计中频繁暴露在静电放电环境中，采用增加磁珠方式进一步减少EMI干扰，同时在输入滤波器之前加入瞬态电压抑制器(TVS)二极管，以保护元器件。差动滤波器截止频率按式(1)计算。最终的调节电路如图3所示，图中铁氧体磁珠L1、L2，电容C1、C2、C3构成差分低通滤波器以滤除高频信号，而瞬态电压抑制器(TVS)和二极管D1、D2起到浪涌保护的作用[5]。

fCDM=12π(RDIFFA+RDIFFB)(CDIFF+CCM2)

(1)

为避免不必要的干扰，应尽可能地减少信号处理的中间环节，因此本文选用自带冷端补偿的MAX3185K集成芯片。MAX31855K直接将热电偶信号转换为数字信号，具有信号放大、冷端补偿、线性化、检测热电偶开路、A/D转换及SPI串口数字化输出功能[6]。特点是：测量速度快，在32个串行时钟(5 MHz)即可完成温度测量；测量准确，温度分辨率达到0.25 ℃；测量方便，器件内部包含信号调节硬件电路，通过冷端补偿对参考端的温度变化进行修正，直接输出数字化补偿后的温度。

1.1.2 嵌入式以太网通讯模块的抗干扰设计

为了满足数据传递速度的要求，提高测量系统长期工作的可靠性，本系统采用嵌入式处理器加网卡芯片结构来实现基于以太网的数据通信方案，具有通信快、通用性强等优点。其中，处理器采用DSP芯片(型号：TMS320F2812)，该32位的DSP芯片不仅具有数字信号处理能力，还具有嵌入式控制功能以及事件管理等能力，完全满足热电偶信号采集与实时网口通信的要求。网路控制器则采用DM9000AEP芯片[7]，该芯片遵守以太网传输协议，芯片内置10M/100M自适应的网络接口，具有低功耗、性能高，外围电路简单等优点。

对于嵌入式以太网通讯模块，除了应采用恰当长度的热电偶线使其尽可能地远离带有脉冲电流样件干扰源外，也应从硬件上保证其可靠性。为此，采用硬件看门狗的方式，即使在微控制器CPU受到严重电磁干扰导致程序“跑飞”或进入死循环的情况下，也能够快速地重启恢复正常工作。本文采用MAX706芯片硬件看门狗的控制芯片，其工作原理为通过执行软件，周期性地向看门狗发送WDI信号，若在规定时间内MAX706没有收到CPU的WDI信号，CPU将会重启。

对于网口通信，DM9000AEP输出信号不作处理即可通过RJ45连接到上位机。但是，网口作为一个高速数据传送系统，稍有干扰就可能会出现数据失真、丢包等现象。为提高电路抗干扰能力，在DM9000AEP的输出信号与RJ45之间，加入型号为FC1103GY网络变压器，如图4所示，其主要包含中间抽头电容、变压器、自耦变压器、共模电感，起到的主要作用有：满足IEEE 802.3电气隔离要求；无失真传输以太网信号；辐射发射的抑制。

1.1.3 数模隔离模块设计

本设计中热电偶产生的模拟信号由MAX31855K转化成数字信号再传入微控制器。若不加以隔离处理，由热电偶产生的模拟信号干扰会通过地线串入CPU，影响其正常工作。为此，必须在嵌入式以太网通讯模块与热电偶测温模块之间进行数模隔离。当有多个测温模块时，可以避免环流，使各个测温模块相互独立互不干扰；同时可以使主控器被完全隔离，以防止主控器受到干扰。

模拟隔离部分的MAX31855集成芯片采用24转3.3 V隔离电源模块供电，该隔离电源最大承受1 min1.5 kV的电压，且漏电流小于1 mA。数字隔离部分采用四通道数字隔离器ADuM2402，该隔离器将高速CMOS与单芯片空芯变压器技术融为一体，具有比光耦合器等替代器件更优的性能特征。相比较下，光耦合器可能存在了电流传输比不确定、非线性传递函数以及温度和使用寿命问题。此外，在信号数据速率相当的情况下，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变抗扰度大于25 kV/μs，最大传输速率可达到90 Mbps，完全满足本设计中抗干扰和传输速率要求。

1.2 软件设计

电塑性测量系统主要包括热电偶信号采集处理程序和网口通信程序。为了提高系统的稳定性，在软件上同样采用隔离的思路，以简化程序提高鲁棒性。具体做法如下：热电偶测温子程序通过定时器，按照设定的采样频率对MAX31855K数据进行读取并处理，并实时写入DM9000A的16 K字节SRAM缓存中。微控制的主函数只需要处理网口通信程序，按照上位机的指令将待写入RAM的数据依次上传给上位机，充分利用了CPU资源，提高了传输速率和稳定性。

1.2.1 热电偶数据采集程序开发

热电偶在受到严重电磁干扰时，可能会出现开路现象，若不及时甄别，测量的数据将毫无意义，所以对热电偶输入信号，应首先判断热电偶是否故障再进行处理，而MAX31855K输出的信号自带故障标志位，只需处理数据前判断故障标志位即可，这样可以在很大程度上简化程序。

对于采集的数据，应采用数字滤波算法以进一步减少干扰。数字滤波方法有很多种：算术平均滤波法、加权平均滤波法、滑动平均滤波法、中值滤波法等。然而各种滤波器均有各自的不足，算术平均滤波法和滑动平均滤波法不容易消除由于脉冲干扰引起的采样偏差，中值滤波算法虽可以消除脉冲干扰但采样点数受到限制[8]。为了保证温度数据的准确性与稳定性，结合温度数据具有一定迟滞性的特点，有必要对温度数据采取复合数字滤波技术，以便有效剔除外界干扰。针对本系统的干扰特点，将中值滤波与算术平均值滤波复合叠加，采用先中值后平均的方式进行数字滤波，这种方法既可以去掉脉冲干扰，又可以对采样值进行平滑处理。如图5所示，首先确定采样频率F和采样次数N，再对采样得到的温度数组进行降序排序，从而剔除不合理的极大值和极小值。当M取1时即剔除最大值和最小值。对于采样频率F、采样次数N、剔除极值的个数M，根据数据采集设备所受干扰的频率与类型决定。

1.2.2 网络通讯协议程序开发

本测温系统采用TCP/IP协议与上位机进行通讯，具有灵敏的破坏恢复机制、高效的错误率处理和低数据开销等特点，可满足快速、高效的传输需求。一般来说，TCP/IP协议[9]包括了四层协议：链路层是TCP/IP协议最底层，主要用来完成IP地址与物理地址之间的对应关系，即实现ARP协议等；网络层主要有IP协议等，实现计算机之间的通信，向传输层提供标准的数据包；传输层主要有TCP协议等，它是整个体系的控制部分，实现应用进程之间端到端的通信；应用层主要包括Telent、FTP、DNS等高层协议，该层是用户操作接口。系统具体的TCP/IP协议程序流程如图6所示。

2 实验与分析

2.1 软件设计

电塑性拉伸系统如图7所示，主要由电子万能力学试验机、脉冲电流源和测温系统构成。其中，电子万能力学试验机用于测量材料的拉伸应力应变曲线；脉冲电流源提供电流幅值、脉宽和占空比连续可调的脉冲电流；测温系统则用来测量样品在通电拉伸过程中的温度变化。通过在试样拉伸过程中通以脉冲电流，研究电塑性效应作用下材料的拉伸变形行为。据报道，在脉冲电流的作用下金属的延展率提升了10%～15%[10]，可直接用于一些难变形金属材料的加工。而本文设计的具有强抗干扰性的电塑性效应测温系统正是针对电塑性实验中通有脉冲电流样件的温度测量这一特殊情形设计的。

2.2 测温实验及抗干扰性分析

本文的测温系统实现对电塑性拉伸试验过程中金属表面的快速测温。为验证本系统的抗干扰的性能，通过两组对比试验来说明，分别采用未做滤波处理的和本设计的电路，同时对通有脉宽固定为10 ms、占空比1∶40(周期为400 ms)、电流密度为30 A/mm2脉冲电流样件进行温度测量，测得温度曲线如图8所示。

如图8(a)所示，在没有合理抗干扰处理的情况下，温度曲线受到了严重的电磁干扰，使被测温度信号完全淹没在噪声之中。相比较下，抗干扰处理的温度曲线(图8(b))平滑、连续，可以看出由电磁引起的脉冲干扰、杂散干扰等已基本被剔除，可以较好地反映出焦耳热引起的温度变化。

为验证本测温系统的测量精度，将其与CSLT15在线红外测温仪进行测温实验对比，该测温仪温度量程为-40～1 030 ℃，响应时间(90%)为25 ms，重复精度为±0.75 ℃。测温曲线如图9所示，可以看出热电偶与红外的温升曲线的趋势基本一致，红外的响应速度比热电偶快，但有少量的毛刺，两者的最高温度相差不大，可以说明热电偶测温达到预期目标。

3 结束语

本文针对热电偶测温中脉冲电流引起的电磁干扰问题，提出一种具有强抗干扰性的电塑性效应测温系统。为满足电塑性实验快速实时温度测量的要求，采用了嵌入式处理器加网卡芯片结构实现基于以太网的快速通信方案。为消除电磁干扰，对热电偶测量信号采用改进的差分低通滤波器进行抗干扰处理；同时对处理主要干扰源的测温模块作了数模隔离处理；采用复合滤波算法消除了脉冲干扰。通过对比测温实验，验证本文设计的电塑性测温系统满足使用要求，具有良好的精度、响应速度和强抗干扰能力。