[发明专利]一种高精度水平敏感结构及其加工方法

说明书

本发明涉及一种高精度水平敏感结构及其加工方法，包括底层电路板、中层电路板和上层电路板；所述底层电路板的底面接地，用于屏蔽干扰；所述底层电路板包括底层焊接面、两个CDC‑A极片和两个CDC‑B极片；两个CDC‑A极片和两个CDC‑B极片均为对称设置；所述底层焊接面上设有CDC‑A激励输出极和CDC‑B激励输出极；所述CDC‑A激励输出极和CDC‑B激励输出极与激励源连接。

技术领域

本发明涉及高精度水平敏感结构及其加工方法，属于测量技术领域。

背景技术

用电测法测量非电学量时，首先必须将被测的非电学量转换为电学量而后输入之。通常把非电学量变换成电学量的元件称为变换器；根据不同非电学量的特点设计成的有关转换装置称为传感器，而被测的力学量(如位移、力、速度等)转换成电容变化的传感器称为电容传感器。

从能量转换的角度而言，电容变换器为无源变换器，需要将所测的力学量转换成电压或电流后进行放大和处理。力学量中的线位移、角位移、间隔、距离、厚度、拉伸、压缩、膨胀、变形等无不与长度有着密切联系的量；这些量又都是通过长度或者长度比值进行测量的量，而其测量方法的相互关系也很密切。另外，在有些条件下，这些力学量变化相当缓慢，而且变化范围极小，如果要求测量极小距离或位移时要有较高的分辨率，其他传感器很难做到实现高分辨率要求，在精密测量中所普遍使用的差动变压器传感器的分辨率仅达到1～5μm数量级；而有一种电容测微仪，他的分辨率为0.01μm，比前者提高了两个数量级，最大量程为100±5μm，因此他在精密小位移测量中受到青睐。

对于上述这些力学量，尤其是缓慢变化或微小量的测量，一般来说采用电容式传感器进行检测比较适宜，主要是这类传感器具有以下突出优点：

(1)测量范围大其相对变化率可超过100[％]；

(2)灵敏度高如用比率变压器电桥测量，相对变化量可达10-7数量级；

(3)动态响应快因其可动质量小，固有频率高，高频特性既适宜动态测量，也可静态测量。

(4)稳定性好由于电容器极板多为金属材料，极板间衬物多为无机材料，如空气、玻璃、陶瓷、石英等；因此可以在高温、低温强磁场、强幅射下长期工作，尤其是解决高温高压环境下的检测难题。

电容数字转换器(CDC)为当前适合检测的应用技术。单通道AD7745和双通道AD7746均为高分辨率Σ-Δ型电容-数字转换器，可测量直接连接输入端的电容。这些器件具有高分辨率(21位有效分辨率和24位无失码)、高线性度(±0.01％)和高精度(出厂校准至±4fF)，非常适合检测液位、位置、压力和其他物理参数。这些器件具有完整的功能，电容输入端集成多路复用器、激励源、用于电容DAC,温度传感器、基准电压源、时钟发生器、控制和校准逻辑、I2C兼容型串行接口以及高精度转换器内核，该内核集成二阶Σ-Δ型电荷平衡调制器和三阶数字滤波器。转换器用作电容输入的CDC和电压输入的ADC。

所测电容Cx连接在激励源和Σ-Δ型调制器输入端之间。转换期间在Cx上施加方波激励信号。调制器会不间断地对流过Cx的电荷进行采样，并将其转换为0和1的流。调制器输出1的密度经数字滤波器处理，确定电容值。滤波器输出通过校准系数缩放调节。然后，外部主机便可通过串行接口读取最终值。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高精度水平敏感结构及其加工方法，基于电容数字转换器(CDC)技术，使得在角度测量应用中使用高性能电容检测成为可能。

本发明采用的技术方案是：一种高精度水平敏感结构，其特征在于，包括底层电路板、中层电路板和上层电路板；

所述底层电路板的底面接地，用于屏蔽干扰；所述底层电路板包括底层焊接面、两个CDC-A极片和两个CDC-B极片；两个CDC-A极片和两个CDC-B极片均为对称设置；所述底层焊接面上设有CDC-A激励输出极和CDC-B激励输出极；所述CDC-A激励输出极和CDC-B激励输出极与激励源连接；