结构变形是评估桥梁等大型建筑健康状况的重要参数之一，结构变形测量的方法多种多样，其中成像法因具有量程大、相对低廉、非接触、能实现二维动态变形长期监测等优点而应用广泛。然而现有成像法采用CCD作为光敏器件，受CCD像素及其复杂信号处理方式限制，系统的分辨力和精度难以提高。连续型器件PSD具有分辨力高、信号处理简单、可连续探测光点位置等优点，代替CCD有望克服现有成像法的不足。然而桥梁结构变形测量环境恶劣，背景光复杂多变，测量距离远，难以保证到达PSD光敏面上的光斑拥有足够的辐射通量，这些因素都会对基于PSD的位移测量产生影响。为了实现高精度的结构变形测量，本文系统地分析PSD位移测量精度的影响因素，对关键因素进行理论建模，提出减小或消除各因素影响的方法。在理论分析的基础上，选择合理的器件进行系统设计。主要研究内容如下：①根据PSD的定位原理和信号处理方式，建立了PSD定位误差的数学模型，分析了光斑强度、背景光、电噪声对测量精度的影响。结合桥梁变形实际测量环境背景光强度大、多变、光波长多样等特点，采用光学滤波法和靶标光源调制法相结合消除背景光的影响，简化了误差模型。并设计实验验证了模型的正确性。②根据光学系统中光的传播原理，建立了靶标光源辐射强度与光斑辐射通量的对应关系。根据误差模型和系统测量精度要求，推导了PSD位移测量的光强条件，为测量系统中靶标光源辐射强度的确定提供理论依据。③分析了CCD结构变形测量系统的标定方法，以及PSD与CCD定位方式的区别。根据PSD的定位特点，提出了适合于PSD位移测量系统的双光源双频调制靶标自标定方法，并设计了用于实验的自标定靶标及其控制电路。④以理论分析为依据，初步设计了系统硬件和软件。系统硬件部分包括成像光斑位移探测系统、光学系统等。软件部分包括信号采集软件、信号处理软件和上位机软件。⑤在实验室进行了标定实验和位移测量实验。标定实验得到的系统放大倍数与理论放大倍数的相对误差为0.62%，验证了该标定技术的可行性。系统位移测量的像方精度和线性度分别可达4μm和0.15%，相比于基于CCD的系统，基于PSD的系统在测量精度上更具优势。