在现代工业制造技术和前沿科学技术的研究中,精密位移测量的发展成为了其中的关键路径,随着工业制造的水平不断提高,位移传感器的应用越发广泛,对测量技术的要求越来越高,因此现代测量技术成为了当前科学的重点发展目标。重庆理工大学的机械检测技术与装备教育部工程研究中心以“时空转换”理论为中心思想,研究出一种通过高频时钟测量位移的精密测量仪器—时栅位移传感器。时栅位移传感器研究在一定程度上顺应了微测量技术的发展,具有成本低、精度高、抗干扰能力强等优点,得到了国内一些企业和研究所的青睐。时栅位移传感器的诞生加速了国内在现代精密仪器上研究的进程,目前时栅位移传感器主要分为直线位移传感器和角位移传感器,角位移传感器因为其抗干扰能力强、精度高、成本低等特点,被广泛应用在机械制造、航天航空、军用设备等领域,近年来,PCB样式的平面线圈式时栅角位移传感器的研究更是为我国在微测量技术上做出了一定贡献。本课题为双层时栅角位移传感器的结构优化和精度分析,研究目标为改善时栅角位移传感器的结构并提高传感器的测量精度,主要研究内容如下:结合磁场式平面线圈的电磁感应理论和原有双层时栅角位移传感器的结构,建立了在正余弦两相驱动信号激励下,双层时栅角位移传感器的静态磁场的数学模型,并利用MATLAB软件对该数学模型进行分析和求解,求得不同结构的激励线圈对有效的时变磁场转换能力。改变结构参数等设置,求得感应线圈不同参数设置下对磁场的拾取能力。根据数学模型分析得到原双层时栅角位移传感器在电磁感应的过程中存在的问题和不足,结合传统PCB工艺规则,针对性地比较了不同结构下的磁场分布特点,结合“时空转换”思想,提出了对原传感器的结构优化问题,最后得到一种新型双层时栅角位移传感器结构,新型传感器结构拥有更好的时变磁场拾取能力和磁场转换能力。利用ANSYS Maxwell电磁仿真软件对优化后的传感器结构做有限元仿真分析,并根据传感器在有限元仿真中的感应信号进行误差分析和数据处理。分析误差来源,从不同影响误差曲线变化的因素出发,进一步优化了传感器线圈结构,最后比较优化前后的传感器测量误差曲线规律,发现峰-峰值有所减小,并且误差成分中的1次谐波和4次谐波都明显减小。设计和验证了满足优化后的传感器结构精度的硬件电路系统和程序,并搭建了整个双层互补式时栅角位移的实验系统,利用圆光栅作为标准进行标定,将上位机采集到的误差数据利用谐波分析法对传感器误差进行分析和溯源,将系统误差和随机误差分别进行分析,并对系统误差做补偿,减小了传感器测量误差值,提高了测量精度。实验证明优化后的双层互补式时栅角位移传感器测量误差范围为-19.59″～21.96″,经过系统误差补偿后的误差峰-峰值减小了29.14″。综上所述,经过本课题优化和分析上提出的双层互补式时栅角位移传感器,不仅提高了原双层时栅角位移的测量精度,并且从精度分析的角度上对各种误差做出分析和研究,在一定程度上推动了时栅角位移传感器的发展进程。