随着工业4.0战略和工业互联网概念的提出,全球掀起了工业制造业升级转型的巨大浪潮,二维位移直接测量需求随之攀升,如数控定位台、显微镜载物台等都需在二维方向进行精密定位和定向。二维位移测量技术不仅是物体平面运动的重要反馈环节,同时也是实现精确平面定位的关键技术。目前,可以采用多套高精度一维传感系统对二维位移进行组合测量,但测量系统复杂、装配精度要求高且成本高,需对位移信号进行复杂解耦运算,信号处理难度高。为了满足日益增长的二维位移直接测量需求,研究小型集成化、成本低、且能实现二维位移同步检测和直接解耦测量的一体化二维位移传感器具有十分重要的理论和现实意义。基于此,本课题立足时栅传感技术,设计了一种能实现二维位移同步检测和直接解耦测量的平面二维时栅位移传感器。本课题的主要研究工作如下:(1)基于时变电磁场线圈约束法,采用理论和仿真相结合的方式深入研究了平面线圈的空间磁场分布,并结合时栅驻波和行波的正弦性要求,确定了二维时栅线圈的结构设计。(2)基于传统时栅理论和二维位移测量需求,提出了二维位移直接解耦测量的总体方案。在此基础上,设计了可以实现二维位移同步检测和直接解耦测量的平面二维时栅总体结构,详细阐述推导了二维时栅的传感机理,并提出采用高频时钟脉冲插补相位差的二维位移解算方案。(3)基于二维时栅结构设计和激励加载方式,建立了二维时栅电磁仿真模型并进行有限元仿真。针对感应线圈差动结构进行电磁仿真,验证了二维时栅在结构和感应信号上解耦的可行性。针对二维时栅总体结构和位移测量机理开展位移测量仿真,验证了二维时栅能同时输出两个方向的单频行波;确定了位移测量误差的主要谐波成分并对模型仿真存在误差的原因进行分析和总结。(4)基于模型误差原因分析和线圈磁场分布理论,采用控制变量法对影响传感器感应信号质量的主要参数:线圈宽度和气隙厚度,进行数值和有限元仿真,并对仿真结果进行处理和分析,以此为传感器样机研制和实验研究的参数控制提供一定参考。(5)基于仿真结果和实验需求,搭建了二维时栅实验平台,进行了激励信号和行波信号测试;开展了稳定性实验和精度实验;分析了实验中存在误差的原因并提出相应解决方法。实验结果表明,样机实现了二维位移同步检测和直接解耦测量。综上所述,本文依据理论推导、仿真验证、实验研究,验证了平面二维时栅位移传感理论和结构设计的正确性与可行性,为后续研究更高性能的二维时栅奠定了坚实的基础。