介绍了时栅位移传感器在3个方面的技术现状和3个方面的发展趋势，4项性能特色和4个技术应用领域的最新发展，归纳了三代时栅演变过程；介绍了目前的3种4类场式时栅，以及其与传统位移传感器的联系与区别，分析了下一代时栅可能采用的工作机理。最后，对时空转换思想的三点延伸进行了讨论。

为了提高寄生式时栅传感器的测量精度， 分析了它的工作原理和动态误差组成,得到其主要误差分量为常值误差、周期误差和随机误差等。针对寄生式时栅误差特点，建立了寄生式时栅动态误差高精度预测模型，并与其他建模方法进行了比较。选用插入标准值的贝叶斯预测模型，以实际测量的传感器第一个对极动态误差数据进行建模，在后续对极特定位置插入部分实际误差测量数据，建立误差预测模型，预测了传感器后83个对极的动态误差。 另选用三次样条插值和BP神经网络建模方法对寄生式时栅整圈动态误差建模，并与建立的误差模型进行了对比。验证实验表明，三次样条插值建模时间最短(0.62 s)，但其建模精度不高(16.050 0″ ); 贝叶斯动态模型建模时间(0.86 s)略长于三次样条插值，但建模精度最高(0.415 3″); BP神经网络建模时间最长(32 min)，但建模精度最低(19.680 2″)。同时贝叶斯插入标准值建模方法所需数据点(69395个)远少于三次样条和BP神经网络建模数据点(235526个)，节省了大量的标定时间和建模数据量，因此可用于寄生式时栅传感器的动态测量误差高精度建模修正。

为了提高寄生式时栅行波信号的质量和传感器的测角精度, 研究了离散式测头安装误差对传感器测角精度的影响。介绍了寄生式时栅的结构组成和工作原理, 建立了三维仿真模型, 应用Ansoft Maxwell仿真软件对测头与转子不同间隙、测头的俯仰角和偏摆角大小变化对传感器测角精度的影响进行了仿真实验分析, 同时应用84对级的寄生式时栅搭建实验平台进行了实际实验验证。仿真和实验结果显示: 安装误差中的间隙、俯仰角、测头的偏摆角等因素变化对传感器测量精度均有影响。间隙变化对测量精度的影响具有规律, 可通过建模进行修正。实验所用的84对级的寄生式时栅最佳安装间隙大小为0.2 mm。俯仰角、偏摆角的变化对测量精度的影响规律变化较复杂, 故文中建立了相应的误差补偿模型。本文的研究结果可用于指导传感器的结构优化设计、测头的安装和误差精确补偿, 进而提高传感器的测角精度。

针对动态测量误差特点，提出了对系统误差和随机误差分别进行建模和组合补偿的思想来提高时栅传感器的动态测量精度。对具有周期性变化特征的系统误差采用傅里叶级数逼近的方法进行建模，运用最小二乘求解超定方程组的方法计算出系统误差的补偿参数。对于系统误差补偿后残留的随机误差采用灰色预测GM(1, 1)模型进行预测，通过模型残差检验和修正提高预测的准确度。实验结果表明，利用傅里叶级数逼近模型有效地补偿了系统误差，误差由±35″降至±7.8″，通过最小二乘参数寻优得到的补偿参数与传感器实际的误差成分相吻合; 灰色预测模型则很好地预测补偿了残留的随机误差，误差由±7.8″降至±3″。得到的结果表明，利用这种对误差分别建模和补偿的方法大幅度地降低了动态测量误差，有效地提高了传感器的测量精度。

针对传统光学位移测量方法对环境要求高和制造精度难以提高等问题,提出了一种以交变光场为测量媒介的新型线性位移检测方法. 基于提出的方法,设计了一种光强正交调制型位移传感器.该方法采用基于光强正交变化的两路电驻波合成电行波信号,通过对行波信号时间先后的测量实现空间位移的测量.为了深入理解传感器的传感机理,推导了传感器的测量模型,分析了与传感机理相关的关键因素对测量误差的影响.根据测量原理和测量模型的理论分析,研制出传感器原理样机,通过实验测试了各种关键因素对测量误差的影响,并进一步优化设计了传感器结构与参数.实验显示,优化后的传感器在108 mm测量范围内的测量精度达到±0.5 μm,是一种新的无需精细刻划的位移检测方案.

为解决时栅角位移传感器在实际应用中的在线标定问题, 提出了一种定角平移自标定方法并设计了相应的自标定系统。该方法首先把圆周封闭的自然基准转换成定角基准, 在时栅内部建立了自标定基准。然后, 根据傅里叶级数的性质, 将定角基准平移到傅里叶变换的幅值和相位中, 建立了测量值之差与误差之差的函数关系。通过对测量值之差进行傅里叶分析, 重构了时栅角位移传感器的误差函数。最后, 讨论了影响自标定精度的误差来源, 并设计了传感器的零点纠错算法。为了检验自标定效果, 利用激光干涉仪实验装置与自标定系统进行了对比试验。结果表明: 定角平移自标定精度为1.9″, 与理论计算的自标定误差(1.5±0.5)″的结论相符。提出的自标定方法在解决时栅自身标定基准的同时, 满足了精密测量领域对时栅精度和可靠性的要求。

介绍了一种光强正交调制式新型线性位移检测方法。该方法采用基于光强正交变化的两路电驻波合成电行波信号，将空间位移的变化调制到电行波信号相位差的变化上，用鉴相的方法实现空间位移的测量。为了优化传感参数并提高测量精度，对传感器不同参数条件下光场分布情况与误差特性进行了研究。根据其结构特征，对光场分布引起的测量误差进行分析，并利用Tracepro软件建立三维光场仿真模型，对不同参数条件下光场分布进行分析；再通过实验验证，得到不同参数与误差特性之间的关系；根据仿真和实验结果，对传感器参数进行优化设计。初步实验表明：在108 mm测量范围内，传感器精度达到±0.5 μm。为此新型传感器优化设计和精度提高提供了可靠的理论依据和技术支持。

提出了一种新的嵌入式时栅角位移传感器的自标定方法,以提高这类传感器在没有高精度母仪标定以及参数和工作环境发生变化时的测量精度。介绍了嵌入式时栅的特点,提出了利用两个间隔一定角度离散测头之间的误差规律变换来实现自标定的方法。设计了动态自标定系统,采用卡尔曼动态滤波算法来降低动态标定过程中传感器自身稳定性波动和环境干扰的影响。为了寻求最优参数以保证标定精度,提出了残差的控制算法。最后,运用设计的自标定系统对传感器进行了标定实验,并与以往母仪标定方法进行了对比。实验结果表明,传感器的误差从标定前±20″降低到±2.4″,标定参数与实际传感器误差成分相吻合,标定精度与以往母仪标定的精度基本相同,满足时栅传感器的标定要求。

为了将线阵CCD应用于实际工程的大尺寸位移测量, 利用线阵CCD像元空间与输出时间的对应关系, 提出了一种差动式测量的线阵CCD位移传感器测量系统。分析了线阵CCD位移测量存在的问题, 结合线阵CCD中像元空间与驱动脉冲之间的对应关系, 提出一种以时间为参考点的差动式测量方法。该方法用两个空间上对齐、时间上错开半个积分周期的线阵CCD检测透光挡板上等间距分布的透光光线的位置变化; 通过计算两个CCD上输出光信号的时间差, 用匀速扫描测量原理实现对空间位移的测量。用雷尼绍激光干涉仪对所研制的线阵CCD位移传感器进行了校准, 结果显示: 在有效测量范围(600.05 mm)内, 经过修正后的测量误差可控制在±2 μm以内, 验证了用差动法实现线阵CCD大尺寸精密位移测量的可行性。