光电角位移测量技术是一种将角位移转换为数字量的精密测量技术,已广泛应用于国防和工业控制领域中。随着航空航天技术的发展,对光电角位移测量装置提出了更高的要求,不仅要减小外径尺寸和重量,更要提高装置的分辨力和精度。本文研究的图像式角位移测量技术,通过光学成像技术缩小了角位移测量装置的体积;采用数字图像处理技术,提高了角位移测量装置的分辨力和精度,对实现高精度高分辨力的小型角位移测量具有重要意义。在参考国内外大量文献资料基础上,研究了当今图像式角位移测量技术的发展现状,通过与传统角位移测量装置的工作原理对比,深入分析了图像式角位移测量装置特点、原理以及影响其精度和分辨力的主要因素。提出了基于无透镜近场成像的小型高分辨力角位移测量方法。无需透镜成像,将平行光源直接照射码盘进行光栅成像,在小体积测量装置下实现高精度高分辨力的角位移测量。提出了高精度的精码道质心定位方法。采用了CAMERALINK实时传输码盘图像至显示器,优化照明系统参数,图像探测器采集到最清晰的码盘图像。采用高斯滑动均值算法、均匀插值算法对光栅图像进行实时处理,通过平方加权质心计算实现高精度的精码道质心定位。通过仿真结果看出,质心定位精度有效提高,为亚像素级角位移细分及误差补偿奠定了基础。提出了基于正弦近似的亚像素级角位移细分方法。采用正弦近似和几何关系推导,建立了亚像素级角位移细分模型,实现细分计算,并完成了硬件移植。该细分方法占用系统内存少,可实现更高分辨力的角位移测量。实验结果表明,该方法实现了8192份角位移细分,使测量分辨力提高了5-bit。同时提出了基于空间位置的码值校正方法,实验结果表明,精码与粗码衔接正确,无错码现象。提出了基于单边图像采集的误差补偿方法。提出了基于三角波拟合的误差补偿方法,采用三角波拟合测角误差曲线,实现误差补偿。经实验验证,经误差补偿后,测量装置精度从37.25″提升到8.75″。为了进一步实现自适应误差补偿,提出了基于精码道中心线拟合的误差补偿方法,采用最小二乘法拟合精码道中心线得到码盘中心位置,确定码盘偏心距离横向分量,实现实时误差补偿,当码盘的偏心距离为0.05mm,经误差补偿后,测量装置精度从536.52″提升为228.61″,有效提高了系统精度。运用本文研究的亚像素级角位移细分方法和单边图像采集的误差补偿方法,使直径为38mm的码盘达到21位分辨力,实现了小型高精度高分辨力的角位移测量,对研制小型高精度高分辨力图像式角位移测量装置具有重要意义。