当前,制造业的迅猛发展得益于精密加工制造技术的支持,而精密位移测量技术及器件作为把控加工质量及反馈位置信息的关键部件得到了广泛应用且越来越受重视。特别是作为制造业装备基础的高端数控机床,在以直线电机作为伺服控制驱动的情况下,绝对位置传感器作为全闭环控制系统的关键部件,对机床的加工精度起着决定性作用。应对机床不仅需要精度高,且还能实现大量程的绝对位置传感器的要求,光栅是目前的最佳选择。然而,由于国外生产光栅的制造商对我国实行技术封锁,而国内制造技术又相对落后,所以被迫长期依赖于进口。面对这一国情,为推动我国制造业的进步,自主创新研发其他绝对位置传感器将变成必然趋势。作者所在实验室长期致力于时栅测量技术及器件的研究。借以时空转换的理论,时栅位移传感器应运而生。前期的研究已经证实时栅对制造精度要求不高且能实现大量程测量。考虑到对射式结构的绝对式位移时栅由于线缆的束缚并不能在对测量行程要求长的机床中充分发挥作用,本文将提出一种在能实现大量程测量的同时保持高精度定位的反射式时栅位移传感器,以增强在机床中的适用性。本文围绕该传感器的设计,做了以下工作:1)首先提出了基于时栅的多电场耦合原理。将具有M个测量周期的第一级传感器的输出的四路正交信号作为具有N个测量周期的第二级传感器的激励信号以组合为具有M+N个测量周期的传感器A,两个传感器的组合增加了周期数,实现了单边出线的反射式结构设计以及分辨率的扩增;2)设计了基于多电场耦合的绝对式位移传感器结构。再一次应用多电场耦合原理将第一级传感器的输出的四路正交信号作为具有N-1个测量周期的第三级传感器的激励信号以组合为具有M+N-1个测量周期的传感器B,传感器A和B形成了差极结构,以类似于游标卡尺测量方式实现了绝对定位;3)建立了经多电场耦合前的第一级传感器和经多电场耦合后的传感器B的测量误差数学模型。同时分析了耦合前后的传感器由于信号幅值不等、相位非正交以及非线性电场的影响所带来的测量误差。在信号幅值不等和相位非正交时,第一级传感器的误差在多电场耦合作用下由原来的一次误差和二次误差变成了与组合传感器周期相关的多次谐波误差,在非线性电场的影响下,第一级传感器的误差是四次误差,经多电场耦合后仍然是四次误差;4)为了验证传感器的周期误差特性,利用PCB工艺制作了M=136,N=5的传感器样机,设计了信号采集与处理的电路,完成了激励信号发生器等设备的选型,并搭建了方便而可靠的位移测量实验平台;5)实验测试与结构优化。通过实验证实了第一级传感器的测量误差以及与经多电场耦合之后传感器B的误差之间的关联。通过实验分析表明经多电场耦合的传感器B的测量误差是各组合级传感器在相同测量范围内的误差的叠加,且主要表现为四次误差。在掌握了经多电场耦合的误差机理后,通过增加第二级传感器和第三级传感器的周期数对传感器的结构进行了优化,对优化为N=M的传感器样机的实验测试结果表明:在200mm范围内达到±200nm定位精度,且分辨率提升了一倍。综上所述,本文基于多电场耦合原理提出了一种相较于同等尺寸时栅其精度和分辨率被扩展的高精度绝对式时栅位移传感器。同时,多电场耦合的时栅结构是反射式的,实现了单边出线,相比于传统的对射式结构传感器,极大的扩大了其在复杂工况下的实用性和可靠性。这一重大研究成果不仅展示了时栅的发展潜力,为后续将时栅位移传感器向产业化发展打下了坚实的基础,还为国内的精密位移测量技术甚至是整个制造业的发展做出了重大贡献。