针对传统高精度角位移测量方法中,存在制造工艺复杂、多测头结构复杂且安装困难等问题,提出一种基于旋转光场且整周封闭的高精度角位移测量方法。该方法借鉴旋转磁场产生原理,在整个圆周面上均布正弦型透光面,等间隔地将整圈透光面分成0°、90°、180°和270°四组,用单路交变光场为整周封闭的透光面提供交变光强信号,经光电转换和微控移相合成一路电行波信号,最后利用高频时钟脉冲对参考信号与电行波信号的相位差进行插补,实现了角度测量。通过搭建实验平台,对不同的原理样机进行对比实验,实验验证了制造精度和对极数对测量误差的影响,在整周360°测量范围内,采用圆心角为2°的等分透光栅面,测量误差可达±5.0″。由于测量误差主要由周期性误差成分组成,通过修正谐波误差以及提高光场分布质量,其测量精度还将有较大的提升空间。验证了该方法对制造和安装误差的抑制效果,为采用低精度制造工艺实现高精度测量提供了一种有效的实现方案。

针对现有多交变光场的光源一致性差、体积大、难集成的问题,提出一种单交变光场的驻波合成电行波的微控移相精密直线位移测量方法。该方法利用单路交变光源与四路正弦栅面空间调制获得四路光强信号;通过微控移相电路获得时间上严格相差90°的两路驻波信号,并合成一路电行波信号;最后利用高频时钟脉冲对参考信号与电行波信号的相位差进行插补,实现位移测量。文中分析微控移相测量原理,并针对移相精度和光场分布建立理论模型和仿真模型,明确了传感器因移相精度和光场分布引起的一次、二次误差产生的原因。实验结果表明,所研制的原理样机,在0.6 mm的短周期内原始测量精度为±0.26 μm,经误差修正和优化后,在500 mm测量范围内,测量精度与RENISHAW激光干涉仪基本一致。集成化的结构和高精度测量结果为该传感器下一步工程化应用提供了良好的基础。

针对现有光栅精密刻划加工难度大制约测量精度的问题，设计了一种以交变光场为测量媒介的时空耦合线性位移测量系统。该测量系统利用四路正交的交变光场与四组正交的正弦透光面调制耦合形成电行波信号实现高精度位移测量。在对测量系统测量原理分析的基础上，建立了该系统的理论模型和误差模型，通过仿真详细分析了该系统在时间相位不正交、空间相位不正交以及结构安装不平行时的误差规律。开展实验验证了一次、二次和四次谐波的产生原因，根据误差来源改进了测量装置的结构，优化了相应的参数。实验结果表明: 在180 mm测量范围内，用栅距0.6 mm的测量系统实现了±0.4 μm的测量精度。该测量系统规避了现有光栅精密刻划的问题，结构简单、安装方便，为光学位移测量提供了新思路。

针对传统叠栅形式光栅存在制造难度大、安装要求高等缺点, 提出了一种用时间细分空间的单栅式时栅位移传感器。从光的粒子性出发, 分析了用正交变化的光场信号合成光场电行波的方法; 用点阵发光二极管(LED)模块作为交变光源, 用空间正交的光敏阵列直接耦合光强信号获取了反应空间位移的电行波信号; 最后, 通过检测电行波信号与激励信号过零点之间的时间差, 实现了对空间直线位移的测量。研制了原理样机, 采用普通机械加工方法对其进行了实验验证。结果表明, 在440 mm测量范围内, 样机的测量精度可达±2 μm。该单栅式时栅位移传感器减少了叠栅式传感器对安装工艺的要求, 提高了抗干扰能力; 采用的测量技术避免了传统粗光栅技术存在的精度难以提高、动态特性差等缺点, 为光学位移测量提供了一种不通过精密机械细分来提高测量精度的方法。

针对传统线阵CCD 测量方法仅适用于静态图像采集或低速位移测量的问题，在分析CCD 动态测量过程中动态误差产生原因的基础上，提出一种驱动时序互相推延的多个CCD 同步测量方法。该方法实现了在一个积分周期内的等时间多个位移值测量，等效于减少单个CCD 积分时间，从而提高线阵CCD 的动态测量范围。设计了一个由5个线阵CCD 沿圆周均布的，时序推延的角位移传感器，并完成相应实验系统的搭建。通过与高精度圆光栅在不同速度下动态误差的检定，得出随着运动速度的提高，时序推延测量方法的动态特性要明显优于传统测量方法。结果表明，时序推延测量法在30 r/min 时与传统方法10 r/min 的动态误差水平相当，验证了时序推延测量方法对提高CCD 动态特性的可行性。

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.

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。