现代桥梁、舰船、飞机等由于受到温度、风浪、气压等外力作用,易发生微小形变,存在一定的安全隐患。因此,为了确保大型结构或设备的可靠性及安全性,需要进行微小形变的测量。但随着光学技术、传感器技术和计算机技术的快速发展,形变测量系统面临着越来越高的要求,不仅要具有高精度的性能,还要进一步实现快速化和智能化,并且要保证测量系统的重复性和稳定性。这使得传统的测量方法如电阻应变计法、千分表法等具有一定的局限性。目前,快速智能的光电检测技术得到了广泛关注,但现有的光电测量常选择电荷耦合器件作为探测传感器,其分辨率受限于本身像素的大小难以提高,响应速度也较低。本文设计一种基于位置敏感探测器(Position Sensitive Detector,PSD)的微小形变测量系统,其中PSD是一种基于横向光电效应的半导体器件,具有位置检测精度高、响应速度快、无测量死区以及对光学系统要求较低等优势,可代替其他光敏器件有望克服现有测量技术的不足,实现高精度的微小形变测量。本文的主要研究工作如下:1.针对现有微小形变测量方法的不足,提出基于PSD传感器成像法的测量方案。在掌握PSD基本原理及性能指标的基础上,选定微小形变探测器头的具体结构参数,确定指示光源,利用频分复用技术实现单个PSD对多光束的同步检测。并通过建立光源、PSD及透镜的组合坐标系,提出了计算六自由度形变的多光源测量模型。2.针对PSD信号处理系统的噪声问题,设计了微弱信号处理电路。首先分析了 PSD检测电路的噪声模型,进行了理论推导。以此为依据,设计低噪声前置放大电路,通过仿真软件验证电路性能符合设计指标。然后设计了锁相放大电路,完成对特定频率目标信号的提取,滤除杂散噪声,提高了系统信噪比。基于Altium Designer软件,设计制作了硬件PCB板,并通过优化器件的走线和布局减少了 PCB线路板的面积。此外,还提出电路板设计的抗干扰措施,优化了整个电路系统的信号完整性。3.针对传统测量系统工作效率低的问题,选用最新一代的嵌入式微处理器STM32F407ZGT6作为控制核心,通过串行外围接口协议实现数据的采集和处理。软件设计基于Keil MDK开发环境,主要完成了外置高精度模数转换器的采样、系统模块的初始化、电路模块之间的通信以及液晶显示等功能。经系列实验测试,验证了基于PSD的微小形变测量系统设计的可靠性。系统测量精度高,稳定性和重复性好,同国外有关研究相比成本较低,且实用范围广,具有很重要的应用价值。