高精密角度和位移测量是现代精密机械加工及测量领域的重要保障因素。编码器在雷达、光电经纬仪、小型机器人、3D打印、无人机、航天航空系统和高精度闭环调速系统等诸多领域中充当着不可替代的角色,特别是小型机器人、3D打印、无人机等现代新兴产业的快速发展,更加需要高精密、微型化的角度和位移测量装置。随着机器视觉的快速发展,将机器视觉技术引入到编码器领域可以大大提高角度和位移测量装置的精度。我们以机器视觉为基础,将光源与照相拍摄系统保持超近距离,利用光源随被测轴旋转时的虚圆特征轨迹路线,经过图像处理和后期角度测量算法,研制高精度的无码盘角度测量装置并实现装置微型化。首先,无码盘角度传感器将光斑盘代替传统编码器的码盘,并将光斑盘安装在被测旋转轴上,图像传感器与光斑盘保持毫米量级的超近距离,图像传感器捕捉得到光源透过光斑盘的光斑图像。经过分析和研究,我们发现当图像传感器与光斑盘保持毫米量级距离时并不会引起失焦现象;其次,针对图像传感器与光斑盘超近距离拍摄得到的光源图像特点,对光源图像进行图像预处理技术以提取光斑中心坐标,将光斑中心视为光源的中心位置。当光源随被测轴旋转时,光斑中心将会做椭圆或正圆的虚圆特征轨迹,利用最小二乘椭圆拟合法求出光斑中心旋转轨迹;再次,将虚圆特征轨迹中心视为旋转中心,对不同旋转位置的光斑中心与虚圆特征轨迹中心进行角度计算,求出每个旋转位置的光斑中心旋转角度,反演求得光源旋转角度,从而得到被测轴的旋转角度;最后通过实验表明,利用虚圆特征识别的无码盘角度传感器分辨率可以控制在-0.23710°～0.18783°之间,最高分辨率可达0.4326″,且与传统编码器相比,无码盘角度传感器更加微型化。通过以上的实验研究工作,充分验证了将光斑盘代替传统编码器码盘的可行性,可以有效缩小旋转角度测量装置的体积。