随着集成电路(IC)封装工艺、超精密加工、精密仪器及生物医学工程等众多领域的不断发展,与之相关的设备对运动速度、定位精度的要求越来越高,因此高速高精度定位技术在现代科学技术中起到十分关键的作用。光栅尺具有精度高、抗干扰能力强、寿命长等优点,成为纳米位移测量的主要工具,但由于受光路结构及信号检测电路扫描频率等因素的限制,光栅尺测量的最大允许移动速度与其测量步距成反比。针对高速高精度定位系统的运动特性及光栅尺测量高速位移时难以实现高分辨力的问题,本文提出了适合高速且实现系统末端点高分辨力位移测量的新方法——基于单光栅尺的跨尺度位移测量方法。首先,在分析光栅线性位移测量原理、光栅测量系统误差尤其是计数值切换合成误差的基础上,本文重点研究了光栅尺切换合成原理,分析了光栅尺跨尺度测量方法的可行性,设计了实现计数值切换合成的硬件电路,完成了基于可编程芯片FPGA的光栅信号处理模块设计。其次,对光栅测量系统的误差源进行了分析,根据误差特性使用三种建模方法:多项式曲线拟合方法、分段线性插值方法和三次样条插值方法,对以上三种模型进行了理论分析,通过MATLAB语言及其工具箱环境进行了计算机仿真计算,通过比较三者的精度,分段线性插值的精度最高,且稳定性好,所以使用分段线性插值方法对光栅测量系统的末端定位点进行了测量误差补偿实验。最后,搭建了硬件实验系统,对本测量原理与方法进行实验验证。通过对实验结果的分析,验证了光栅尺跨尺度测量方法的可行性和有效性。在实验中总结了一些经验,为本方法的进一步研究及应用打下了良好基础。