基于PCB平面線圈的電動球閥手動扳手檢測電路設計

張 博

（北京碩人時代科技股份有限公司，北京 100085）

電動球閥是管道閥門控制的重要裝置，廣泛應用于石油、化工、供熱等領域[1]。電動球閥在開度調校、故障維修時，均需要在加電的情況下用手動扳手對閥門開度進行調節。通常的設計是增加一個模式切換開關，電動球閥正常工作時，手動將切換開關設置為電動模式，由電動執行器控制閥門開度的調整；當需要用手動扳手調節閥門時，通過切換開關設置為手動模式。在用戶操作過程中難免產生操作失誤的情況。

本文提出了一種基于PCB 平面電感線圈的手動扳手插入自動檢測方案，當手動扳手插入時，電動球閥會自動切換到手動模式，避免了操作失誤的發生，提高用戶的使用體驗。目前已通過實驗驗證了檢測方案的可行性。

1 檢測原理

如圖1所示，本文以平面PCB 電感線圈作為傳感器，該傳感器與2 個固定容值的電容以及其它元器件組成電容三點式LC 振蕩電路。此振蕩電路產生一個數百千赫茲的交變磁場，當由金屬制成的手動扳手插入安裝在球閥外殼內側的PCB 平面線圈的中心時，在金屬扳手內部產生渦流，從而導致振蕩電路輸出波形幅度的衰減，通過后續的幅度檢波電路及信號處理電路輸出電平信號，最后由單片機IO 或者ADC 進行檢測，從而實現對金屬扳手插入的檢測。

圖1 系統框圖Fig.1 System block diagram

2 平面PCB 傳感線圈參數計算與設計

2.1 自感計算

對于圖2所示外徑為Dout，內徑為Din，線寬為w，線間距為s 的PCB 平面環形線圈，國內外很多科研人員開展了研究[2-9]。其中，文獻[3]介紹了一種基于面電流近似法的計算其電感的公式：

圖2 PCB 平面線圈示意圖Fig.2 Sketch diagram of PCB planar coil

式中：μ0是自由空間的磁導率，為4π×10-7H/m；N 為線圈匝數；Davg為線圈平均直徑：r 為電感的填充度；c1～c4為線圈幾何形狀相關的參數，對于圓環形線圈，取c1=1，c2=2.46，c3=0，c4=0.20。

由幾何關系可得：

2.2 雙層PCB 線圈總電感的計算

對于具有一定尺寸限制的PCB 來說，能放置的線圈的匝數有限，考慮到PCB 通常是2 層或者2 層以上，可以容易設計成雙層或者多層PCB 線圈，從而提高線圈的總電感量，提高檢測的靈敏度。

本文主要討論2 層PCB 線圈的情況。為了確保雙層PCB 頂層線圈和底層線圈的磁場是同相疊加的（兩層線圈中流過的電流同向），頂層和底層的繞線方向必須相反，二者通過過孔串聯起來。

對于雙層PCB 平面線圈來說，其總電感量LT等于互感和自感的總和，取決于各層線圈的幾何形狀、匝數、間距、線寬以及內外直徑以及層間距，可表示為[5]

式中：L1，L2為PCB 頂層線圈和底層線圈的自感；M為二者之間的互感，可表示為[7]

式中：Kc為層間耦合系數，文獻[5]給出了其在匝數為5～20，層間距為0.75～2 mm 條件下的一個近似公式：

式中：A，B，C，D 分別為0.184、-0.525、1.038、1.001；X 為層間距，單位mm。

2.3 串聯電阻Rs 計算

PCB 平面線圈的串聯阻抗也是一個重要的參數，其值的大小影響LC 振蕩電路的Q 值，通常應盡量減小串聯阻抗以提高傳感器性能。LC 振蕩電路的電感中流過的是高頻交流信號，因此只需關心其交流串聯電阻Rs。考慮趨膚效應，PCB 平面線圈的交流串聯電阻Rs可以表示為[8-9]

式中：ρ 為銅的電阻率，為1.678×10-8Ω/m；l 為PCB線圈走線長度；t 為銅皮厚度；δ 為趨膚深度，它是電導率、磁導率和頻率的函數：

式中：μr為銅的相對磁導率，其值約為1。當頻率為250 kHz 時，趨膚深度約為0.13 mm。

2.4 PCB 平面線圈計算結果

根據PCB 加工工藝，批量加工所能支持的最高精度為線寬線距4 mil（約0.1 mm），銅皮厚度通常為0.5 oZ～2 oZ （1 oZ 對應的銅皮厚度為0.035 mm），PCB 板厚通常為0.4 mm～2 mm。本文PCB 銅厚采用常用的1 oZ，板厚采用常用的0.8 mm。

此外，考慮安裝空間，PCB 的最大直徑是45 mm（PCB 的線圈的最大外徑不超過42 mm），扳手孔的最小直徑是14 mm（PCB 的線圈的最小內徑不超過17 mm），在此約束條件下，計算了不同線寬w、線距s、匝數N 的線圈的總電感LT等參數，并分別列于表1～表3中，這里L1表示單層線圈的自感，f 表示對應的諧振頻率 （LC 振蕩回路電容約為9.09 nF），Rs為對應頻率f 下的交流串聯電阻。

從表1可以看出，在外徑、線間距和匝數一定的情況下增大線寬有利于減小串聯電阻，但總電感量有所減小。從表2可以看出，在外徑、線寬和匝數一定的情況下增大線間距，總電感量有所減小，串聯電阻變化不大。從表3可以看出，在外徑、線寬、線間距一定的情況下，增加匝數可以增加總電感量，但串聯電阻會增加。此外，從表1～表3中可以看出，雙層PCB 平面線圈的總電感量多于單層PCB 平面線圈自感量的3 倍。

表1 改變線寬計算結果（s=0.15 mm，N=18）Tab.1 Calculation results with different w（s=0.15 mm，N=18）

表2 改變線間距計算結果（w=0.5 mm，N=18）Tab.2 Calculation results with different s（w=0.5 mm，N=18）

表3 改變匝數計算結果（w=0.5 mm，s=0.15 mm）Tab.3 Calculation results with different N（w=0.5 mm，s=0.15 mm）

3 電路設計

3.1 LC 振蕩電路設計

LC 振蕩電路如圖3所示，虛框中LT和串聯RS電阻為PCB 平面線圈的等效電路。LT和固定容值的電容C1，C2構成并聯諧振的LC 振蕩回路。R1，R2電阻為三極管Q1基極提供靜態偏置電壓。C3和C4為耦合電容，LC 回路作為Q1集電極輸出的交流負載，C1上的電壓UF與Q1的發射極相連，形成串聯電壓正反饋，當滿足幅度相位條件時，產生振蕩正弦波，其諧振頻率為[10]

圖3 電容三點式LC 振蕩電路Fig.3 Colpitts LC oscillation circuit

式中：

C1，C2分別取0.1 μF、0.01 μF，假設線圈總電感40 μH，則振蕩電路諧振頻率大約為250 kHz。

3.2 檢波電路設計

幅度檢波電路如圖4所示。LC 振蕩電路輸出正弦波S1通過R5加在三極管Q2的基極，當正弦波的幅度小于0.7 V 時，Q2截止，Uo電壓為VCC 在R6，R7，R8電阻上的分壓。當正弦波幅度大于0.7 V 時，Q2導通，Uo電壓降低。

圖4 三極管幅度檢波電路Fig.4 Amplitude detection circuit

4 測試結果及分析

本文按照外徑42 mm、匝數18、線寬0.5 mm、線間距0.15 mm、板厚0.8 mm 加工了雙層PCB 平面線圈。實測總電感量為41.96 μH，較計算值大4.6 μH，主要原因： 一是計算公式本身是一種近似計算，其精度有限； 二是PCB 加工參數與計算參數的偏差，該問題有待進一步探討。盡管如此，通過計算可以較好指導傳感器的設計以及電路參數的選取。

用圖3、圖4所示的電路進行了測試，示波器觀測波形顯示在圖5中。圖中實線1 為扳手未插入時，LC 振蕩輸出S1的波形，其峰峰值為2.24 V，頻率為257.7 kHz； 實線2 為此時檢波電路輸出Uo波形，其電平幅度為0.64 V。虛線3 為扳手插入時，LC振蕩輸出S1的波形，其峰峰值為1.28 V，頻率為254.3 kHz；虛線4 為此時檢波電路輸出Uo的波形，其電平幅度為2.76 V。

圖5 示波器觀測波形Fig.5 Measured waveforms of the test circuit

從測試波形可以看出，扳手插入后LC 振蕩輸出S1的幅度有了明顯的下降，檢波電路輸出Uo電平由0.64 V 變為2.76 V，很容易被MCU 的IO（或者ADC）檢測出來。從實驗中也可以發現，插入金屬扳手后振蕩正弦波的頻率也有所降低，這是因為扳手的插入改變了PCB 平面線圈的總電感量。

5 結語

通常設計一個電感式傳感器線圈需要首先加工一個骨架，然后在骨架上繞制一定圈數的漆包線，生產過程中需要專門的繞制工裝，且一致性較難保證。本文借助于成熟的PCB 加工工藝，提出了基于PCB 平面電感線圈的檢測方案，不僅可以節省線圈骨架、繞制工裝，成本低廉且安裝方便，而且PCB 平面電感線圈的一致性很容易得到保證。此外，金屬扳手插入前后，電容三點式LC 振蕩電路輸出正弦波幅度有很大的變化，能夠實現扳手插入檢測的要求。

本文基于PCB 平面線圈以及電容三點式振蕩電路、三極管幅度檢波電路設計的扳手插入檢測電路，大大方便了用戶的操作，而且元器件成本低，有很好的應用價值。