精密测量技术是保证产品质量的重要手段,也是进行科学研究的重要工具。位移测量是最基本的几何量测量,大量存在于以制造业为代表的生产实践和科学实践中。位移测量中应用最广泛的是栅式位移传感器。基于此,本文在国家自然科学基金的资助下开展了对光栅位移传感器、感应同步器和时栅位移传感器的原理融合研究和新型时栅位移传感器的研究。主要的研究内容和创新如下:①从位移的两种数学描述出发,阐述了位移测量的两种基本方法:空间直接测量法和时间间接测量法。并在此基础上提出了空间栅和时间栅的概念。空间栅以空间量作为测量基准,采用直接测量的方法;时间栅以时间量作为基准,采用间接测量的方法。②从时间和空间的角度分析传统栅式位移传感器的三种常用的工作方式的实质。并将其于时栅传感器的测量原理进行比较。③对场式时栅位移传感器中的行波磁场进行了分析。将场式时栅中的行波区分为“空间行波”和“时间行波”。前者是空间波形随时间的流逝波形沿空间轴前进或者后退;后者是时间波形,在位移变化的作用下沿时间轴产生超前或者滞后。在此基础上,用行波的观点重新解释时栅传感器的测量原理,提出产生反映位移变化的时间行波是时栅位移传感器实现时空坐标转换的关键。④融合光栅技术和感应同步器技术提出两种行波形成新方法,依此设计了两类三种新型时栅位移传感器并研制出相应的实验样机。1)齿电式时栅采用双层结构,上、下两层绕组空间正交并分别施加时间正交的激励信号,在空间产生上、下层时空正交的驻波磁场。定子绕组在两路组波磁场的作用下,形成时间电行波信号。2)变耦式时栅采用两个自耦变压器和平面齿形式,直接产生两路电驻波,叠加后形成时间电行波信号。3)光电式时栅采用低分辨率光栅作为空间正交信号源,通过与时间正交信号的调制形成两路电驻波,叠加后形成时间电行波信号。⑤针对三种新型时栅位移传感器开展大量的实验研究,验证行波形成的可行性,并测试相关的性能。⑥以齿电式时栅为例,对时栅位移传感器的误差进行了分析。讨论了加工误差、安装误差和电气参数误差等对时栅传感器最终的测量精度的影响。同时,根据时栅位移传感器的误差特点,提出了一种误差测量的新方法。该方法无须高精度的母仪即可实现时栅传感器分度误差的高精度自检。综上所述,本文在剖析了位移测量方法的基础上,融合光栅技术和感应同步器技术提出了新的行波形成方法,基于这些方法设计并研制的三种新型时栅位移传感器,一方面是对现有的利用电磁场的场式时栅的完善和改进;另一方面可以将场式时栅的研究思想拓展到光场。通过误差分析,明确了影响时栅位移传感器精度的主要因素和时栅位移传感器误差的特点,并提出了误差测量的新方法。