随着精密机械制造技术、半导体工业、微机械电子系统,机电一体化技术以及纳米技术的发展,对各种位移／振动测量传感器的要求越来越高,测量的精度逐渐从微米级提高到了纳米级。电容式传感器分辨率和稳定性都极高,但测量结果极易受各种污染物的影响,因而只能工作在密闭腔体或者严格控制的实验环境中。电涡流传感器是一种广泛应用于工业现场和实验室研究的非接触式位移传感器,它具有低成本,高可靠性,宽带宽,高灵敏度等特点,而且具有对恶劣环境容忍性高等独特优势。但相比电容式传感器,电涡流传感器的分辨率较低,温度系数太大,这是制约其用于超精密测量的最大障碍。涡流位移传感器技术已经发展了几十年,但其设计理论仍然缺乏有效的指导,很多设计参数的影响机制都缺少数据资料。大部分产品仍然在使用几十年前的技术成果,提高和改进设计仍然强烈依赖设计人员的经验和昂贵的实验。本文通过建立简单有效的等效模型,完整系统地分析了涡流传感器的各个设计参数对其性能的影响,并首次通过计算机仿真技术完整地仿真了涡流传感器的各种特性和性能参数,为涡流传感器的设计提供了完善有效的指导。在对涡流传感器的灵敏度,分辨率,带宽以及温度漂移,材料选择性等多个特性分析的基础上,我们设计实现了具备亚纳米分辨率的超低漂移电涡流位移传感器,提出了材料选择性的自动校正方法,并探索实现了一种基于涡流法的金属膜厚度高精度测量新方法。本文的主要工作及结论包括：一、提出了基于涡流等效圆环和变压器模型来分析涡流传感器特性的方法,给出了涡流传感器响应的理论公式,并分析了目标材料电导率和工作频率,线圈参数等对传感器性能的影响。首次建立了基于COMSOL Multiphysics的涡流传感器有限元仿真方法,通过仿真计算对涡流传感器的设计参数与性能之间的关系作了全面的分析。等效模型和仿真分析结果都表明在一定范围内提高目标材料电导率和工作频率,可以提高涡流传感器的灵敏度和热稳定性。二、对探测线圈的设计参数进行了分析和优化,总结了探测线圈优化设计的基本原则和目标。当线圈直径选定时,内外径之比为0.2,厚度与直径之比小于0.05可以获得最佳的传感器灵敏度。还分析讨论了线圈导线直径和工作频率设计选择的原则,全面分析讨论了现有的探测线圈制造工艺和可能的新技术。最后提出了一种基于往复线圈的无磁屏蔽、紧凑型涡流传感器探头,并进行了仿真分析和实验验证。三、提出了一种新的基于特殊参数设计交流电桥和锁定放大器的阻抗分离测量电路,该电路可以精确测量线圈电阻和电感的微小变化量。制造了高灵敏度的涡流传感器探测线圈,并完成整个探头的封装。设计实现了整个涡流传感器信号处理系统和性能测试装置。基于此单层探测线圈和新型解调电路系统的电涡流位移传感器样机的准静态分辨率高达0.07nm,其噪声功率谱密度小于0.01nm/√Hz。四、全面分析了涡流传感器温度漂移的来源和影响机制,利用同时测得的电感和电阻值,仅通过信号处理实现了传感器温度漂移的自动校正,将温度漂移降低了两个数量级。在此基础上还发展了一种综合温漂校正方法,使传感器即使工作在温度变化高达10℃/h的恶劣环境下漂移系数也可以控制在4nm/℃以内。所采用的温度补偿方法,无需任何额外的探头和温度敏感元件,简单可靠,通用性好,可以被广泛应用于各种涡流传感器系统中。五、利用复镜像法分析了涡流传感器的材料选择性,首次得出了目标材料电阻率引起的响应曲线误差的理论值为0.7078。该理论分析发现不同目标电导率下,传感器的电感响应曲线是相似的,仅在x轴方向相差一个平移量0.707δ,平移量的大小由涡流贯穿深度确定,通过简单的平移校准即可消除涡流传感器的材料选择性问题。仿真和实验结果也证实了理论分析的结果。利用本方法,涡流传感器可在未经过校准时用于不同目标材料的测量,将提高其使用的方便性,拓展其应用领域。六、根据等效模型的分析,我们发现涡流传感器在不同探测距离下的阻抗在R-L平面内的提离线的斜率K与被测金属膜厚度成正比。通过有限元仿真,我们全面分析采用提离线斜率作为特征测量金属膜厚度的特点,并通过简单的实验原理性的验证了理论和仿真分析中的结论。最后,设计实现了一种非接触式厚度测量系统的实验系统,对几十微米的铜箔测量的结果显示该系统具备纳米级的分辨率,且测量结果受探测距离的影响非常小。该方法简单高效,解决了涡流法测量金属膜厚度时受探测距离影响的障碍,将在工业在线监测中发挥非常重要的价值。本文在涡流传感器的理论和设计研究方面取得的成果,可为各种涡流传感器设计提供指导,极大地提升了设计效率和能力,具有非常重要的理论和实践价值。本论文中设计实现的亚纳米分辨率低漂移电涡流位移传感器首次实现了在恶劣环境下的亚纳米级位移测量,且系统成本低,可靠性高,将推动涡流传感器进入超精密测量领域,并促进相关领域的发展,具有独特的竞争优势。