高端制造业的迅猛发展对数控机床的加工速度和定位精度要求越来越高。在线性位移测量方面,传统增量式传感器开始不能满足对线性位移的精密定位和闭环控制的要求,正逐渐向绝对式位移传感器转变。目前应用最为广泛的绝对式光栅位移传感器,由于数控机床工作环境恶劣(机械振动、粉尘污染等),使得其测量精度降低,并加大其成本。同时光栅的测量方法及其栅线制造又受到光学衍射极限的制约和精密加工工艺的限制,使得其性能难以得到进一步提升。而近年来提出的电场式时栅,利用时间测量精度高于空间测量精度三个量级的优势,采用高频时钟插补技术,通过对相对时间差的测量来实现对绝对空间位移的高精度测量,避免了精密加工工艺的限制。在此基础上,本文提出了一种基于交变电场的差极绝对式直线时栅位移传感器,其主要内容如下:(1)根据电场式直线时栅位移传感器的测量原理,设计了差极绝对式直线时栅结构。差极绝对式直线时栅由两路单列式传感结构构成,一路单列式传感结构在整个传感器长度上由n对极组成,作为精测以保证测量精度;另一路单列式传感结构在整个传感器长度上由n-1对极组成,用来获取两路单列式传感结构输出信号的相位差以实现绝对定位。(2)研究了差极绝对式直线时栅的误差机理以及误差来源。误差机理主要从幅值、相位和高频成分三方面进行研究;误差来源主要从极片边缘制造、安装、信号串扰三方面进行分析。(3)搭建了实验平台进行传感器精度实验研究。针对传感器对极内测量误差,采用基于快速傅里叶变换的谐波分析方法进行频谱分析。根据传感器误差机理及误差来源,结合传感器理论分析和实验研究,分析表明一次谐波误差是由于信号串扰与两边极片影响过大所导致,四次谐波误差受到极片缝宽比影响。(4)根据谐波误差形成原因,对传感器结构进行了一系列的优化及优化后验证。通过添加屏蔽层和设计差动感应输出结构削弱了一次谐波误差的影响,选择最佳缝宽比减小了对极内四次谐波误差。优化后的传感器样机经实验验证,最终在实际测量范围550mm内达到了±1.375μm,对极内误差达到了±0.3μm。