基于亚像素定位匹配算法的MEMS面内运动测量

发布时间：2017-09-09 14:07

  本文关键词：基于亚像素定位匹配算法的MEMS面内运动测量

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【摘要】：目前,MEMS技术已经进入了我们生活的方方面面,其产业化进程正在有序推进,其中MEMS动态机械性能的测量占据着非常重要的地位。MEMS具有元件尺寸小、运动幅度小和响应频率高的“两小一高”的特点。传统的显微测量方法如电子扫描显微镜和原子力显微镜等都只能测量MEMS的静态形貌,对于动态机械性能的测量显得无能为力。本论文在总结前人工作的基础上,从原理、选材到搭建,设计了一套用于MEMS三维动态机械性能测量的系统,并用于微结构面内运动的测量。为了解决元件尺寸小、运动幅度小的难题,论文提出基于科勒照明和Linnik干涉仪的显微视觉干涉系统。系统分析了共光路照明技术、有限远和无限远显微视觉技术以及干涉仪调整技术等,从而为光学器件的选择提供了依据。为了解决响应频率高的难题,根据频闪显微视觉和频闪显微干涉的时序要求,设计了基于MCU和FPGA的动态测量同步控制系统。系统控制声光调制器实现激光频闪、相机的拍照时机以及微动平移台的五步相移。论文同时设计了基于MFC的上位机和面内运动测量算法。上位机实现为系统提供操作界面,完成控制数据输入和图像采集、处理的功能。对于MEMS的面内运动测量,首先介绍了模板提取算法,然后介绍了标准化协方差相关法实现像素定位,亚像素步长相关法和二次曲面拟合法实现亚像素定位,最后介绍了序贯相似性检测策略和单纯形搜索法,加快定位过程。实验中采用自主设计的MEMS三维动态测量系统,测量微动平移台驱动的微结构面内运动。理论分析表明,该系统采用频闪测量可实现的最大频率为500KHz。采用标准化协方差相关法验证像素定位,采用二次曲面拟合算法验证亚像素定位。实验结果表明,系统能够完成微结构面内运动的测量。进一步计算可得,系统可测量的运动范围是155.14μm,测量精度48.5nm。
【关键词】：MEMS 频闪显微视觉 频闪显微干涉 同步控制 亚像素定位
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TP391.41;TH-39
【目录】：

• 中文摘要4-5
• ABSTRACT5-9
• 第一章 绪论9-15
• 1.1 课题背景和意义9-10
• 1.2 MEMS动态测量技术在国内外发展现状及趋势10-14
• 1.3 本论文研究工作、结构和创新点14-15
• 第二章 MEMS动态测量光学系统的设计与实现15-24
• 2.1 光学系统主要组成部件的原理15-20
• 2.1.1 激光频闪调制的原理15-16
• 2.1.2 显微照明系统的原理16-17
• 2.1.3 显微视觉系统的原理17-19
• 2.1.4 显微干涉系统的原理19-20
• 2.2 光学系统的硬件设计20-22
• 2.3 光学系统的调试技术22-23
• 2.4 小结23-24
• 第三章 MEMS三维动态测量同步控制系统的设计与实现24-41
• 3.1 频闪显微视觉和干涉的时序要求24-27
• 3.1.1 频闪显微视觉的时序要求24-25
• 3.1.2 频闪显微干涉的时序要求25-27
• 3.2 同步控制系统的硬件设计27-36
• 3.2.1 计算机与MCU之间USB通信的实现28-29
• 3.2.2 FPGA控制逻辑的设计29-32
• 3.2.3 千兆网相机接口的设计32-33
• 3.2.4 压电陶瓷驱动微动平移台33-34
• 3.2.5 数模转换电路的设计34-36
• 3.3 同步控制系统的流程设计36-38
• 3.4 同步控制系统的参数分析38
• 3.5 同步控制系统的实验测试38-40
• 3.6 小结40-41
• 第四章 MEMS三维动态测量系统上位机的设计与实现41-46
• 4.1 测量系统上位机主框架的设计41-42
• 4.2 USB通信的上位机设计42-43
• 4.3 千兆网相机的上位机设计43-44
• 4.4 小结44-46
• 第五章 面内测量算法的研究46-60
• 5.1 位图的基本格式46-47
• 5.2 位图的预处理47
• 5.3 特征模板提取算法47-50
• 5.3.1 图像的二值化算法48-49
• 5.3.2 图像的边缘提取算法49-50
• 5.3.3 特征模板提取算法50
• 5.4 图像的模板匹配算法50-56
• 5.4.1 标准化协方差相关法50-51
• 5.4.2 序贯相似性检测算法51-52
• 5.4.3 亚像素步长相关法52-54
• 5.4.4 单纯形搜索法54
• 5.4.5 相关函数的二次曲面拟合算法54-56
• 5.5 MEMS面内运动测量算法的流程设计56
• 5.6 MEMS面内运动测量算法的实验测试56-59
• 5.7 小结59-60
• 第六章 总结与展望60-62
• 6.1 总结60-61
• 6.2 展望61-62
• 参考文献62-67
• 发表论文和参加科研情况说明67-68
• 致谢68-69

【引证文献】

中国硕士学位论文全文数据库 前1条

1 王洪乐;基于像素环形均值与局部二值融合的手背静脉识别研究[D];郑州大学;2016年

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本文编号：820873