角位移测量技术是几何测量技术的一个重要组成部分,在仪器仪表、工业机器人、国防建设中广泛应用并具有重要作用。目前,用于角位移测量的传感器种类繁多,按测量方式可分为接触式和非接触式。接触式角位移传感器由于存在机械位移损耗,故有可靠性低、使用寿命短等缺点,而非接触式角位移传感器主要是利用光学原理、霍尔效应、电磁感应原理来实现角位移的非接触测量,弥补了接触式角位移传感器存在的不足。常见的非接触角位移传感器主要为栅式传感器,这类传感器的测量精度离不开超精密机械加工的高精度空间刻划技术。光栅是目前应用最广泛的栅式传感器,具有测量精度高,响应快等优点,但是由于受光波波长和衍射极限的限制,栅线数难以进一步提高,只能依靠电子细分,从而引起成本、可靠性、抗干扰力等方面的问题。基于此,本文提出一种以光场作为测量媒介的角位移传感器。该传感器利用时栅测量基本原理——时空转换理论,将空间量的测量转换为可以精确测量的时间量的测量,以此解决“栅面”空间分辨率的问题;利用“栅面”代替圆光栅的“栅线”,以降低动尺和定尺的刻划难度;在光学领域利用360°封闭原则实现整周测量,利用圆周均化效应减少单个栅面制造误差对测量误差的影响,主要研究内容如下:1.基于时栅测量基本原理,用单交变光场作为测量媒介,设计了一个由正弦透光面组成的整周封闭的传感器结构;通过光强时间和空间正交调制,构造了一个运动的交变光场,实现了时间脉冲对角位移测量的目标。2.根据传感器测量原理,建立数学模型及仿真模型,详细分析了影响传感器测量误差的关键因素,并通过理论推导和仿真分析这些因素引起的测量误差规律。3.研制了整周封闭的传感器样机,并搭建实验平台。实验结果表明,采用整周24组透光栅面18个对极,实现了整周±15"的测量精度,验证了传感器测量原理及误差分析的正确性。综上所述,本文主要对传感器测量原理进行了推导,通过数学模型及仿真模型的建立、结构设计以及大量的实验研究验证了基于交变光场的整周角位移测量方法的正确性,并通过仿真及实验分析确定了测量误差的主要来源,为今后高精度光场式角位移时栅传感器的研究奠定了坚实的基础。