图像式角位移测量装置中, 光栅的安装偏心标定结果直接影响着角位移测量的精度。为此, 本文设计了一种用于调试图像式角位移测量装置光栅偏心度的系统。首先, 根据图像式角位移测量机理, 提出了基于线阵图像传感器的标定光栅偏心度监测原理; 然后, 在图像传感器上建立了偏心调试监测信号的模型, 并提出存在偏心时偏心监测信号的变化机理; 最后, 对某型号角位移测量装置进行了实验, 并给出了调试建议。实验表明, 经过调节误差均方差由1 017″降低到12.8″。本文设计的偏心监测系统能够实现对标定光栅的高精度安装调试, 提高了图像式角位移测量装置的批量生产效率。

将传统散斑相关法应用于结构试件变形测量中存在一定的角位移范围限制,针对这一问题,提出了一种采用对数极坐标变换的散斑相关角位移测量法。首先,该方法采用对数极坐标变换,将结构试件散斑图像在直角坐标系下的角位移转换为对数极坐标下的平移;然后,利用散斑相关法结合九点二次曲面拟合法实现散斑图像的角位移测量;最后,通过模拟实验与实物实验验证了方法的有效性。实验结果表明,在[0°,90°]的角位移变化范围内,本方法角位移测量的均值误差控制在0.06°内,标准差控制在0.02°内,有效提高了现有散斑相关法的角位移测量范围与测量精度。

针对现有时栅角位移传感器采用漆包线绕制工艺加工线圈, 导致线圈布线不均且容易随时间发生变化进而影响测量精度的问题, 提出一种基于PCB技术的新型时栅角位移传感器。该传感器通过在PCB基板的不同层上布置特定形状的激励线圈和感应线圈, 形成两个完全相同并沿圆周空间正交的传感单元; 当在两传感单元的激励线圈中分别通入时间正交的两相激励电流后, 通过导磁定子基体和具有特定齿、槽结构的导磁转子对传感单元内的磁场实施精确约束, 使两传感单元的感应线圈串联输出初相角随转子转角变化的正弦感应信号; 最后通过高频时钟脉冲插补初相角实现精密角位移测量。利用有限元分析软件对传感器进行了建模和仿真。根据仿真模型制作了传感器实物, 开展了验证实验, 并对实验中角位移测量误差的频次和来源进行了详细分析。经过标定和补偿, 最终获得了整周范围内误差在-2.82 ″~2.02 ″的时栅角位移传感器。理论推导、仿真分析和实验验证均表明, 该传感器不仅能实现精密角位移测量, 还能在激励线圈和感应线圈空间极距和信号质量不变的情况下, 将位移测量的分辨力从信号源头提高1倍, 且结构简单稳定、极易实现, 特别适用于环境恶劣的工业现场。

提出了一种基于光纤阵列的二维微角位移传感器。该传感器采用由十字形排列的光纤阵列构成的轮辐式探头结构。各接收光纤接收光强随被测角位移改变。通过对各光纤接收光强进行高斯拟合确定反射光斑中心位置。这种测量方法可以有效降低表面反射系数变化、光源波动以及环境光对测量结果的影响。由于各接收光纤对应光路损耗不同对微角位移测量精度产生影响, 提出了光路损耗的归一化修正方法。实验证明系统测量角度范围-0.16 rad～0.16 rad, 归一化修正方法使系统测量分辨率提高到了3.8×10-4 rad。

在一种已有的角位移干涉测量技术的基础上,提出一种改进的角位移测量方法。通过选择合适的初始入射角,使从平板前后表面反射的两光束实现剪切干涉。采用一维位置探测器测量光束经透镜会聚后在探测器光敏面上的光点偏移量。根据干涉信号的相位和光点偏移量可以计算出被测物体的角位移。在该测量方案中,引入的一平面反射镜与被测物体的反射面形成光程差放大系统,提高了角位移测量灵敏度。分析了初始入射角对剪切比的影响,并讨论了基于该方案的角位移测量精度。实验结果表明,基于该技术的角位移重复测量精度达到10-8 rad数量级。

提出了一种基于法布里珀罗板和正弦相位调制干涉术的角位移测量新方法。采用CCD探测法布里珀罗板两透射光束光斑的中心距,通过运算得到了入射光的初始角,解决了采用法布里珀罗板干涉法测量角位移需确定入射光初始角的问题。采用正弦相位调制干涉术通过测干涉信号的相位来测量物体的角位移,增强了对杂散光的抗干扰能力,减少测量误差,提高了测量精度。理论模拟和实验结果表明本方法可以实现精度为10-8 rad数量级的高精度角位移测量。