大量程、高分辨率、高精度表面测量技术是计量测试领域的重要研究内容。特别是随着纳米科学与技术的发展,将表面量仪的分辨力提高到纳米级已成为现实的需求。同时,面向工程表面的测量要求量仪具有更大的量程,这些都对现有的传感技术和测量方法提出了新的挑战。本文在分析近年来国内外这一领域技术发展的基础上,提出了球面光栅干涉测量方法,为表面轮廓测量提供了一个新的思路和方法。并针对球面光栅干涉式传感器原理、光栅干涉仪的光路结构、高分辨率的电子系统、传感器非线性特性的校准方法、表面的分离技术等这几个关键问题展开研究,为建立一种新型的表面测量与分析系统做好理论和技术方面的准备。(1)给出了球面光栅的复振幅透过率函数,用标量衍射理论,对球面正弦相位光栅的菲涅耳衍射和夫琅禾费衍射的复振幅分布和光强分布进行了分析,并与平面正弦相位光栅进行了比较。通过Matlab仿真给出了二者的光强分布,仿真结果与实验结果相吻合。(2)为降低干涉条纹对光栅偏摆的敏感性,提出了一种新的光栅干涉仪光路结构。利用非标准的猫眼逆反射器将一次衍射光逆反射回光栅上,产生二次衍射,利用二次衍射光产生干涉条纹。该光路结构对光栅偏摆不敏感。对这种光路结构进行了理论分析,通过实验证实该光路结构能够在一定程度上提高干涉条纹的质量。(3)基于只读存储器细分方法研制出一种具有高细分倍数和高频响特性的细分电路。该电路基于高速A/D和CPLD实现,具有防误计数的功能。对其细分误差进行分析,分别研究了直流漂移、两路信号不等幅、两路信号不正交、奇次谐波和偶次谐波对细分精度的影响。在此基础上,提出一种实时的细分误差补偿算法,该算法可以补偿由直流漂移、两路信号不等幅和非正交导致的细分误差。最多只需要3个光栅信号周期,就能对上述三种误差依次实现补偿。算法计算简单,所需存储空间小,适合于实时处理。通过实验证实了算法的有效性。(4)触针式大量程传感器存在由杠杆结构和触针针尖半径不为零所导致的非线性问题,会引起表面测量信号的畸变。在分析了不同校准方法的优缺点之后,采用标准球对传感器进行校准。建立了传感器传输特性的校准模型,用最小二乘拟合的方法得到了模型系数的解。实验结果表明当标准球半径为80.029mm时校准后残余轮廓误差不超过2μm,相对偏差不超过0.0025%;当标准球半径为12.5086mm时校准后残余轮廓误差不超过0.5μm,相对偏差不超过0.004%。(5)基于中心极限定理,提出了一种新的高斯滤波器逼近数学模型,在8级级联的条件下,幅度偏差只有0.25%。给出了快速分离表面粗糙度、波纹度、形状的递归计算方法。将这种方法推广到三维表面测量的情形,利用二维高斯滤波器的可分离性,将二维高斯滤波器分解成两个一维高斯滤波器并分别实现,提高了三维表面的滤波效率。实验结果验证了上述理论、技术、方法的正确性,为发展新型的表面测量仪奠定了良好的基础。