如同人类用五官感受周围的环境以及互动,冰冷的生产机械若要想实现自动化和智能化,必须通过各色各样的传感器件反馈外界的信息并做出相应反馈,其中角位移的测量和直线位移测量一起成为了传感器技术的基础组成部分。不同于直线位移传感器对大量程的需求,角位移传感器在因受到安装条件和测量环境的限制,更需要基体结构的小型化和电气系统的集成化,而这一研究领域也成了当前的热点。在小型化发展的过程中,光栅受到精密栅线刻画的的制约,以及电磁耦合式传感器面对着尺寸和分辨率的矛盾,因此,时栅测量技术的出现开辟了新的研究方向。作者所在实验团队经过对时栅测量原理近30年的研究,通过应用时空转换理论,解决了电极间距、制造精度和测量误差之间的矛盾,在此基础上设计了一种电场式角位移传感器,通过电场感应合成行波,电路处理后比相、插补、计数的方式实现角位移的测量。在时栅角位移传感器的小型化研制中,结构布局设计和电气系统集成化是整个研究过程中的重点和难点。本文围绕时栅小型化主要做了以下工作:1)以时栅单排差动结构为基础设计小型化结构设计。单排结构保证了激励一致性以及差动结构优秀的抗干扰能力提供了紧凑的电极布局,是小型化设计和测量精度的保障。通过模型建立解释了直接构建匀速运动交变电场如何产生感应行波信号,并实现角位移测量的原理;通过极坐标下公式推导求出了传感器转子电极包围曲线函数f(x);通过单对极粗测结合多对极精测的方式,提供了一种绝对定位实现方法。2)根据时栅传感器测量工作原理对电气系统和外围模块进行设计。激励发生系统以DDS直接数字频率合成技术为核心,结合不同性能的D/A芯片设计了波形发生器,为了保证四路激励信号的一致性;行波信号处理系统第一级提供四种放大电路方案,配合后级滤波和整形环节,保证了带有时间信息的方波信号拥有高质量。研究过程中为不同的设计方案制作了PCB电路。3)搭建了基于高精度光栅的实验平台。使用PCB工艺制作了外径60mm,带中心孔的时栅样机。对不同系统方案进行实验分析,最终选定激励发生系统采用高精度D/A芯片,而行波处理系统采用仪用放大电路,并制作了适合传感器样机尺寸的一体集成电路。随后,通过传感器电气参数(电磁干扰和完整性分析)和结构参数(定子引线和电极布局)的分析优化,使研制出的小型化时栅测量精度达到国际领先的±10″。综上所述,本文设计的小型化时栅体积小、精度高、功能齐全,适合产品化推广。