万有引力常数G作为一个基本物理学常数,其精确测量一直受到各国物理学家的广泛关注。本实验室于2018年同时采用扭秤周期法和角加速度法这两种完全独立的方法进行测G实验,测得迄今最高精度的G值,但是仍然没有找出国际上各小组测G结果不吻合的原因。本课题组在先期实验的基础上拟开展大振幅扭秤测G实验研究,在同一套装置上分别通过扭秤周期和三倍频谐波振幅提取G值,以寻找不同方法中可能存在的未知系统误差。为了实现大振幅扭秤测G实验,本文开展了大振幅扭秤光学探测系统理论分析与实验研究:1、光学探测系统设计和仿真验证。通过与扭秤固连的中心反射镜和四周均匀布置的竖直反射镜相结合,实现弧度量级的扭秤转角测量,对测量方案进行了理论分析和方案建模,通过Zemax仿真验证了方案的可行性。2、光学探测系统研制与系统标定。利用影像仪和三坐标测量机对扭秤、反射镜、屏蔽筒等进行精密定位和粘贴,在真空容器里对光学探测系统进行精密安装调试,采用自准直仪和机械转台对探测系统进行精度为0.1°的标定。3、大振幅扭秤运动测量和数据处理。将离散的扭秤信号代入转角公式进行处理,采用高次谐波拟合得到扭秤运动周期和振幅,不确定度分别为1 ms和0.2 mrad。角度标定结果引入一定偏差,对周期的影响为ms量级,振幅拟合中心值偏离约20mrad。当初始振幅增大至0.49 rad,周期拟合精度提高3 ms,而振幅拟合精度降低了3个量级,其拟合精度受限于标定方法。分析表明大振幅周期法中非线性效应的系统误差小于4 ppm。本论文研究为后期进一步开展大振幅测G实验提供技术支撑。