随着全球新一轮科技革命的孕育兴起,高新科技的发展在提升我国综合国力和促进人民生活福祉上发挥着更加重要的作用。精密位移测量技术作为一门与高新科技的各个方面都起着密切联系的前沿学科,其发展在促进高新科技的发展中起着举足轻重的地位。随着科技发展需求的不断提升,对精密位移测量技术的需求不再仅停留于一维位移测量领域,在精密数控加工中心、微机电系统、坐标测量机、精密装备制造、机器人工程等众多领域都需要高精度的二维平面测量。目前应用最广泛的二维平面测量系统主要有三种:二维平面微位移测量系统、二维电容测量系统和二维光栅测量系统。但这三种测量系统都存在测量精度易受环境干扰和高精度与低成本无法兼备等问题。时栅位移传感器作为一种新型的高精度位移传感器,具有测量精度高,抗干扰能力强和成本低廉等优势。目前时栅位移传感器在角位移测量与一维直线位移测量领域均已取得较大突破,但在二维平面测量领域尚处于技术空白。为解决现阶段二维测量领域的技术难题,课题组成员在时栅技术的基础上提出了二维时栅位移传感器的概念,旨在为高精度的二维测量提供一种技术解决方案。本文主要针对二维时栅位移传感器的位移解算方法和信号处理系统展开研究。主要研究内容如下:1)对二维时栅位移传感器的测量原理进行了理论研究。对二维时栅平面驻波磁场的构建与感应信号的产生机理进行了理论分析与推导。2)根据二维时栅感应信号数学模型特征,研究了二维时栅位移解算方法。提出了通过以下四个步骤来进行位移解算的方法:(1)基于FFT的时空变量分离;(2)基于角度旋转的二维空间变量分离;(3)全角度值的拓展优化;(4)求解范围的拓展优化。3)通过对二维时栅感应信号特征分析,进行了信号处理硬件电路的设计。设计了信号处理电路并进行了Multisim仿真,基于PCB技术对信号处理电路板进行加工制作,并对其性能进行了实验测试与调试。实验结果表明,所设计信号处理电路板能够满足二维时栅信号处理的要求。4)采用STM32F4ZGT6微处理器作为信号处理核心,研究了对二维时栅四路信号进行同步采集的信号采集方案与基于STM32F4ZGT6的位移解算方法实现,并完成了下位机程序的编写。5)完成了基于LabVIEW的上位机设计,实现了对二维位移值x和y的实时显示,并能够对实验数据进行实时存储,以方便后期的数据分析。6)搭建实验平台,开展了稳定性与精度实验。实验测得二维时栅测量系统X方向稳定性为1um,Y方向的稳定性为2um。并按照以下三种情况对二维时栅测量系统的精度进行了检测:(1)仅沿X方向移动一个节距时,X方向的原始误差为-28~22umum,Y方向的原始误差为-42~4umum;(2)仅沿Y方向移动一个节距时,X方向的原始误差为-10~27umum,Y方向的原始误差为38~0umum;(3)同时沿XY方向移动一个节距时,X方向的原始误差为-62~6umum,Y方向的原始误差为63~2umum。并根据实验结果,对误差来源进行了分析。研究结果表明,所设计的二维时栅信号处理系统是切实可行的。系统的稳定性与原始测量误差均在允许范围之内。本课题的研究为高精度二维时栅位移传感器的发展奠定了基础,同时也极大地促进了平面二维高精度测量领域的发展。