激光三角法具有非接触测量、测量范围大、相对测量精度高、结构简单、环境适应性强等多种优点, 得到了广泛应用。但是三角测量的理论公式具有非线性特征, 而且光学结构参数(a、b、θ)等在现实工程中具有不可测性。研究了三角测量中数学模型的建立方法, 选用多项式展开方法建立数学模型。通过应用最小二乘法拟合多项式的方法求解模型系数, 提出了根据最大相对拟合残差要求、结合相关系数用于控制拟合多项式阶数的评价方法, 并通过实际光学系统验证了该方法的可行性, 达到了0.01%的相对误差。最小二乘法拟合多项式的方法对于激光三角位移传感器的标定和系统误差消除具有实际的指导意义。

为了提高激光三角测距精度、优化传感器设计过程中的光学参量,采用数学建模和计算机辅助分析的方法,解析了激光三角测距传感器中的关键参量与测量系统各指标的关系,并采用一种基于粒子群算法的参量优化方法,得到符合系统优化要求的光学参量,进行了理论分析和验证。结果表明,在进行参量设计时,各参量相互牵制;确定了粒子群搜索空间和约束;在灵敏度Smin达到2.2386mm时,系统分辨力可达到2.8μm,且其它各参量取值符合系统要求,同时优化效率大大提高。该优化方法算法简单、操作方便。

显微测量中倾斜会导致显微图像的变形。本文利用多光束改进传统的激光三角法，提出一种多光斑激光三角法检测光学成像系统倾斜角度和方向。首先利用双楔镜分离扩束后的激光光束，形成近似平行的四束光束；然后将四束光束同时投射到平面镜上，反射后利用CCD 接收到四个光斑。由于四个光斑间距的变化只与成像系统倾斜角度有关，对成像系统前后的平移不敏感，因此避免了平移带来的影响。通过计算四个光斑间距的变化可以补偿成像系统倾斜角度，减少倾斜所带来的图像变形。实验结果表明, 构建的多光斑激光三角法测量光路能够准确快速的检测出倾斜角度变化。该方法可以应用在固体核径迹检测、面型检测等要求检测小角度变化的领域。

为了实现对钢管管端内外径、不圆度的自动化非接触快速测量, 设计并实现了一种钢管管端内外径测量系统。该系统利用转台带动激光三角法位移传感器绕钢管中轴线转动的方法来测量管端截面整个圆周的外径和内径尺寸, 然后利用圆心拟合算法修正转台中轴线与钢管中轴线不重合带来的误差。通过平移台自动调整测量截面与管端的距离, 大型升降台调节管心对齐高度, 双臂平移台调节可测量管径范围, 自动实现对不同管径钢管的非接触测量。实验结果表明: 系统测量精度小于0.05 mm; 重复性限小于等于5 μm; 每个管端截面测量500个点时, 测量时间小于25 s。 设计的系统具有精度高、操作简便、测量速度快的优点, 满足无缝钢管生产在线检测的要求, 并已经在天津天管元通管材制品有限公司通过离线测试。

只有一个成像透镜的激光三角测量系统不适于测量沟槽轮廓。因为系统的投影光轴与成像光轴成一定角度，沟槽的陡峭边沿会遮挡物体表面照明点的漫反射光进入成像透镜，形成测量死角。为解决这个问题，在满足Scheimpflug条件的激光三角测量法基础上，开发了测量沟槽轮廓的激光双三角测量系统；讨论了像斑探测器积分时间的自动调节、像斑强度分布数据的数字滤波、像斑中心位置的提取和成像光束被凹槽边缘遮蔽的像斑的判别等问题；通过标定实验，确定了双三角测量映射关系。对轮胎胎面轮廓的静态受压变形测量实验表明本系统测量沟槽轮廓的有效性，其可测量的轮胎花纹沟槽轮廓深宽比达到1。

针对移动大尺寸工件的表面形貌特点，利用二维激光三角法构造出水平和垂直虚拟测量基准面；结合多传感器融合准则，建立了一种新型的大尺寸工件测量模型, 并利用该模型实现了移动工件两端端面到虚拟测量基准面的位移非接触测量。采用误差分离方法自修正理论误差和运动误差的影响；结合人机交互界面，研制了高精度、低成本的移动大尺寸工件长度自动检测系统。利用该系统对在(1 000±25) mm内以不同速度运动的圆柱体大尺寸工件长度进行检测，得到的检测分辨力为10 μm、检测精度为100 μm、工件移动速度为5 cm/s。实际运行结果表明，该系统安全、稳定、快速，可满足工业在线生产中对同类型规则的大尺寸工件控制和检测的要求。

为了高精度地实现大量程的位移测量，采用传统激光三角法的测量原理，提出一种基于虚拟探测器的激光三角法来测量位移。该方法基于3个CCD分段测量的思想，将3个CCD互相独立且沿光轴均匀分布，以此扩大传统方法测量的范围。使用平面反射镜作为虚拟探测器进行探测，当成像光束经平面镜反射后在CCD上成像时，系统相当于增加了一个CCD，扩展了测量量程。由准直系统、偏振片、光阑组成准直滤光系统，缩小探测器光敏面上像点的直径，减小被测表面非理想光点对测量精度的影响，从而实现了较高精度下的大位移测量。最后通过实验验证了方法的可行性。