基于PCB平面線圈的電動(dòng)球閥手動(dòng)扳手檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

張 博

（北京碩人時(shí)代科技股份有限公司，北京 100085）

電動(dòng)球閥是管道閥門控制的重要裝置，廣泛應(yīng)用于石油、化工、供熱等領(lǐng)域[1]。電動(dòng)球閥在開度調(diào)校、故障維修時(shí)，均需要在加電的情況下用手動(dòng)扳手對(duì)閥門開度進(jìn)行調(diào)節(jié)。通常的設(shè)計(jì)是增加一個(gè)模式切換開關(guān)，電動(dòng)球閥正常工作時(shí)，手動(dòng)將切換開關(guān)設(shè)置為電動(dòng)模式，由電動(dòng)執(zhí)行器控制閥門開度的調(diào)整；當(dāng)需要用手動(dòng)扳手調(diào)節(jié)閥門時(shí)，通過(guò)切換開關(guān)設(shè)置為手動(dòng)模式。在用戶操作過(guò)程中難免產(chǎn)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(dòng)扳手插入自動(dòng)檢測(cè)方案，當(dāng)手動(dòng)扳手插入時(shí)，電動(dòng)球閥會(huì)自動(dòng)切換到手動(dòng)模式，避免了操作失誤的發(fā)生，提高用戶的使用體驗(yàn)。目前已通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了檢測(cè)方案的可行性。

1 檢測(cè)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(gè)固定容值的電容以及其它元器件組成電容三點(diǎn)式LC 振蕩電路。此振蕩電路產(chǎn)生一個(gè)數(shù)百千赫茲的交變磁場(chǎng)，當(dāng)由金屬制成的手動(dòng)扳手插入安裝在球閥外殼內(nèi)側(cè)的PCB 平面線圈的中心時(shí)，在金屬扳手內(nèi)部產(chǎn)生渦流，從而導(dǎo)致振蕩電路輸出波形幅度的衰減，通過(guò)后續(xù)的幅度檢波電路及信號(hào)處理電路輸出電平信號(hào)，最后由單片機(jī)IO 或者ADC 進(jìn)行檢測(cè)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬扳手插入的檢測(cè)。

圖1 系統(tǒng)框圖Fig.1 System block diagram

2 平面PCB 傳感線圈參數(shù)計(jì)算與設(shè)計(jì)

2.1 自感計(jì)算

對(duì)于圖2所示外徑為Dout，內(nèi)徑為Din，線寬為w，線間距為s 的PCB 平面環(huán)形線圈，國(guó)內(nèi)外很多科研人員開展了研究[2-9]。其中，文獻(xiàn)[3]介紹了一種基于面電流近似法的計(jì)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(dǎo)率，為4π×10-7H/m；N 為線圈匝數(shù)；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(guān)的參數(shù)，對(duì)于圓環(huán)形線圈，取c1=1，c2=2.46，c3=0，c4=0.20。

由幾何關(guān)系可得：

2.2 雙層PCB 線圈總電感的計(jì)算

對(duì)于具有一定尺寸限制的PCB 來(lái)說(shuō)，能放置的線圈的匝數(shù)有限，考慮到PCB 通常是2 層或者2 層以上，可以容易設(shè)計(jì)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(cè)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(chǎng)是同相疊加的（兩層線圈中流過(guò)的電流同向），頂層和底層的繞線方向必須相反，二者通過(guò)過(guò)孔串聯(lián)起來(lái)。

對(duì)于雙層PCB 平面線圈來(lái)說(shuō)，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(shù)、間距、線寬以及內(nèi)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(shù)，文獻(xiàn)[5]給出了其在匝數(shù)為5～20，層間距為0.75～2 mm 條件下的一個(gè)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(lián)電阻Rs 計(jì)算

PCB 平面線圈的串聯(lián)阻抗也是一個(gè)重要的參數(shù)，其值的大小影響LC 振蕩電路的Q 值，通常應(yīng)盡量減小串聯(lián)阻抗以提高傳感器性能。LC 振蕩電路的電感中流過(guò)的是高頻交流信號(hào)，因此只需關(guān)心其交流串聯(lián)電阻Rs?？紤]趨膚效應(yīng)，PCB 平面線圈的交流串聯(lián)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(zhǎng)度；t 為銅皮厚度；δ 為趨膚深度，它是電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率和頻率的函數(shù)：

式中：μr為銅的相對(duì)磁導(dǎo)率，其值約為1。當(dāng)頻率為250 kHz 時(shí)，趨膚深度約為0.13 mm。

2.4 PCB 平面線圈計(jì)算結(jié)果

根據(jù)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(duì)應(yīng)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(guò)42 mm），扳手孔的最小直徑是14 mm（PCB 的線圈的最小內(nèi)徑不超過(guò)17 mm），在此約束條件下，計(jì)算了不同線寬w、線距s、匝數(shù)N 的線圈的總電感LT等參數(shù)，并分別列于表1～表3中，這里L(fēng)1表示單層線圈的自感，f 表示對(duì)應(yīng)的諧振頻率 （LC 振蕩回路電容約為9.09 nF），Rs為對(duì)應(yīng)頻率f 下的交流串聯(lián)電阻。

從表1可以看出，在外徑、線間距和匝數(shù)一定的情況下增大線寬有利于減小串聯(lián)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(shù)一定的情況下增大線間距，總電感量有所減小，串聯(lián)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(shù)可以增加總電感量，但串聯(lián)電阻會(huì)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(jì)算結(jié)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(jì)算結(jié)果（w=0.5 mm，N=18）Tab.2 Calculation results with different s（w=0.5 mm，N=18）

表3 改變?cè)褦?shù)計(jì)算結(jié)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(shè)計(jì)

3.1 LC 振蕩電路設(shè)計(jì)

LC 振蕩電路如圖3所示，虛框中LT和串聯(lián)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(gòu)成并聯(lián)諧振的LC 振蕩回路。R1，R2電阻為三極管Q1基極提供靜態(tài)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(fù)載，C1上的電壓UF與Q1的發(fā)射極相連，形成串聯(lián)電壓正反饋，當(dāng)滿足幅度相位條件時(shí)，產(chǎn)生振蕩正弦波，其諧振頻率為[10]

圖3 電容三點(diǎn)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(shè)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(shè)計(jì)

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

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

4 測(cè)試結(jié)果及分析

本文按照外徑42 mm、匝數(shù)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(shí)測(cè)總電感量為41.96 μH，較計(jì)算值大4.6 μH，主要原因： 一是計(jì)算公式本身是一種近似計(jì)算，其精度有限； 二是PCB 加工參數(shù)與計(jì)算參數(shù)的偏差，該問(wèn)題有待進(jìn)一步探討。盡管如此，通過(guò)計(jì)算可以較好指導(dǎo)傳感器的設(shè)計(jì)以及電路參數(shù)的選取。

用圖3、圖4所示的電路進(jìn)行了測(cè)試，示波器觀測(cè)波形顯示在圖5中。圖中實(shí)線1 為扳手未插入時(shí)，LC 振蕩輸出S1的波形，其峰峰值為2.24 V，頻率為257.7 kHz； 實(shí)線2 為此時(shí)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(shí)，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(shí)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(cè)波形Fig.5 Measured waveforms of the test circuit

從測(cè)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?yōu)?.76 V，很容易被MCU 的IO（或者ADC）檢測(cè)出來(lái)。從實(shí)驗(yàn)中也可以發(fā)現(xiàn)，插入金屬扳手后振蕩正弦波的頻率也有所降低，這是因?yàn)榘馐值牟迦敫淖兞薖CB 平面線圈的總電感量。

5 結(jié)語(yǔ)

通常設(shè)計(jì)一個(gè)電感式傳感器線圈需要首先加工一個(gè)骨架，然后在骨架上繞制一定圈數(shù)的漆包線，生產(chǎn)過(guò)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(cè)方案，不僅可以節(jié)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(diǎn)式LC 振蕩電路輸出正弦波幅度有很大的變化，能夠?qū)崿F(xiàn)扳手插入檢測(cè)的要求。

本文基于PCB 平面線圈以及電容三點(diǎn)式振蕩電路、三極管幅度檢波電路設(shè)計(jì)的扳手插入檢測(cè)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(yīng)用價(jià)值。