增材制造技术可以制备高灵活度的测斜传感器，即传感器的灵敏度、分辨率、量程均可以根据需求进行设计与制作，因此，基于光纤布拉格光栅和增材制造技术研发了一种新型测斜传感器。为了验证该传感器的性能，推导了该传感器的测量原理并开展了标定实验和边坡模型加载实验。实验结果表明，该传感器的测斜灵敏度为0.0824 （°）/pm，分辨率为12.14 pm/（°），量程大于60°；且该传感器与线性可变差动变压器传感器的边坡实验结果相吻合，位移差小于0.08 mm。

针对传统倾角补偿过程中存在的线性漂移问题, 采用Ⅰ-Ⅱ观测位置和Ⅱ-Ⅰ观测位置倾角修正的平均值进行倾角补偿; 为减小转台转位误差对天顶摄影仪旋转轴倾斜分量的影响, 推导了转位不对称性误差对倾斜补偿的影响; 分析了测站点天文坐标误差对倾角仪状态参数标定的影响.结果表明: 采用改进后的倾角补偿方式可将经纬度误差从0.337″、0.381″提高到0.265″、0.216″; 转台转位不对称性误差控制在1′以内, 可使转位不对称误差对摄影仪旋转轴倾角补偿的影响控制在0.002″以内; 当测站点的天文坐标误差与仪器自身定位精度相当时, 测站点天文坐标误差对旋转轴的倾角补偿的影响较小, 即对天文经度影响在0.007″内, 对天文纬度影响在0.008″内.本文研究对倾角仪参数标定与天顶摄影仪定位的同时测定具有一定帮助.

针对井下近钻头处随钻测斜仪内径受限、井下环境温度梯度大等特殊恶劣环境,设计了一种用于测量石油井眼轨迹惯性的椭圆柱形光纤陀螺。由于光纤环存在热致非互易相移问题,以光纤环的Shupe误差为基础,采用4极对称绕法,建立了椭圆柱形光纤环的三维温度瞬态响应数学模型。结合光纤陀螺实际的工作环境,利用有限元法对椭圆柱形光纤环进行了数值仿真,定量分析其工作温度梯度下光纤环的Shupe误差,实验验证了模型的正确性。在光纤长度、光纤环层数和光纤环半径一定的条件下分别对圆柱形光纤环和椭圆柱形光纤环施加相同的温度激励,比较两种光纤环的热致误差速率。结果表明:椭圆柱形光纤环热致误差速率比圆柱形光纤环小35%~39%,在满足井下测量仪器体积受限的同时,可提高井眼轨迹惯性测量的精度。

介绍了一种双锥型光纤倾角传感器, 传感器采用康宁SMF-28单模光纤, 在光纤上加工两个光纤锥。光束经过第一个光纤锥时, 纤芯内的部分基模光被激发为高阶的包层模, 和芯层模式光一起在光纤内传输, 到达第二个光纤锥时, 包层模重新耦合进入芯层, 并与芯层的基模光发生干涉, 由于纤芯内的基模与包层模的有效折射率存在差异, 从而引入相位差, 干涉谱强度随着波长呈现峰谷值变化。倾斜角变化时, 包层模的有效折射率也发生变化, 干涉谱强度的峰值和谷值均产生移动, 根据峰值或谷值的移动量, 即可测量相对应的倾斜角度。实验结果表明, 加工的光纤角度传感器能够有效的测量倾斜角度值, 两个方向上的测量精度可分别达到0.151 nm/°和0.087 nm/°。

为提高天文定位系统的定位精度，减小倾角传感器安装误差对系统水平测量精度的影响，对系统中倾角传感器的安装参数标定及校正进行了研究.首先，给出基于倾角传感器的天文定位系统工作原理，分析倾角传感器安装过程中存在的误差源.然后，提出一种通过对天文定位系统进行改造，利用系统自身完成倾角传感器安装参数标定的方法，并给出了倾角测量数据的校正算法.最后，建立三视场天文定位系统仿真测试平台，对标定方法的性能进行了分析和验证.实验结果表明：该倾角传感器安装参数标定方法的标定精度与倾角传感器自身测量精度保持一致，在全量程范围内校正后的倾角测量结果最大误差为4.315 5″，基本满足天文定位系统中高精度倾角测量要求.

为了提高单目视觉实时测量双护盾隧道掘进机前后盾相对位姿的精度, 引入高精度倾角传感器与单目视觉构成一种组合测量系统。该系统将两个倾角传感器分别与视觉传感器和特征点系统固定连接, 通过倾角传感器提供的多个角度约束, 结合单目视觉实现掘进机前盾体相对于后盾体位姿的更高精度测量。仿真实验表明该系统是可行的, 并且具有理想的精度。搭建了模拟双护盾隧道掘进机位姿变化的实验平台, 利用全站仪进行精度验证。结果表明系统的测量精度优于3 mm, 相对于单目视觉测量方法来说, 测量精度有了显著提升, 可以满足隧道施工中双护盾隧道掘进机位姿的精密测量需求。

针对运用数字天顶仪进行天文定位时旋转轴与垂直轴之间存在的轴系偏差, 提出了高精度天顶仪倾角补偿方法。从数字天顶仪倾角补偿原理出发, 引入了倾角仪双轴尺度系数、双轴交角等参数对倾角仪的输出值进行修正, 然后提出了一种双轴倾角仪参数的标定方法。分析了旋转角度对于参数标定的影响, 运用实验数据对标定方法进行了论证。结果显示: 旋转角度会直接影响CCD图像传感器安装角度的标定值。另外, 倾角仪参数的引入提高了数字天顶仪的定位精度, 当旋转角度的误差值在2°以内时, 标定参数的误差对定位结果的影响非常小。

野外光谱测量过程中,保持参考板的水平放置,有助于减小太阳照射参考板入射角的不确定性,提高 测量精度。为了降低野外光谱测量操作强度、提高测量效率,使用TMS320F2812数字信号控制器、基于 三维微机电系统原理制成的倾角传感器SCA100T-D01和步进电机组成一个闭环控制系统,设计并实现 了一个快速将漫反射参考板调节水平的平台。介绍了该自动水平台的工作原理,详细描述了该自动调 节水平漫反射平台控制部分各个模块的硬件设计和软件设计,并给出了系统的工作流程图。与传统使 用水平尺手动调平方法相比,该平台调平速度快,精度高。

设计了一种无线倾角传感器来检测地下隧道的结构变形，并研究了该无线倾角传感器所采用的温度补偿和数字滤波算法。首先，根据地下隧道结构特点，结合微机电系统(MEMS)技术和无线传感器网络技术，给出无线倾角传感器的硬件结构，并描述了传感器实现无线通信和可视化上位机界面的软件设计流程。然后，针对地下隧道温度变化大、振动扰动频繁等因素，分析其对传感器精度的影响，实现了对无线倾角传感器的温度补偿。最后，通过对传感器数据噪声频谱分析，选择数字滤波方法，充分抑制振动对传感器的影响，提升了无线倾角传感器的测量精度。实验结果表明：无线倾角传感器在±30°范围内的测量精度为0.05°，符合地下隧道变形检测的功能需求。

分析了车载平台变形对经纬仪测角误差的影响，将平台变形分为平移变形和旋转变形转两类。采用数值模拟实验论证了平台旋转变形是影响测角误差的主要因素，建立了车载经纬仪测角误差与旋转变形角的关系模型，并在此基础上对目标位置和平台旋转变形对测角误差的影响进行了仿真。利用基于莫尔条纹的自准直测量系统测量平台偏向角，倾角传感器测量平台倾斜角，对测量得到的结果进行了实验验证。数据分析表明：该模型能有效修正因车载平台变形而带来的测角误差，使方位测角精度提高了103.7″，高低测角精度提高了89.4″，为实现车载经纬仪高精度测量提供了理论依据和技术支持。