用于微型驱动机构的非接触显微测速测振系统研究

摘要

近年来，微机电系统(MEMS)迅速发展，在各个领域的应用不断得到深入。微驱动器作为其中的可动部分，其运动幅度的大小、运动效率的高低以及驱动的可靠性程度等指标决定了系统的优劣，是MEMS中的重要环节，它不仅可以降低机电系统的成本，而且还能完成许多大尺寸机电系统无法完成的任务。由微驱动器构成的MEMS在日常生活、国民经济以及国家安全等领域有着巨大的潜在应用前景，影响着人们生活的诸多方面。对微驱动机构的动态特性进行检测有助于研究其基本性能、运动参数、材料属性等，从而能更好地应用于实际中。但是由于其尺寸小、质量轻、振幅小、易受外界干扰等因素，对检测方法提出了新的要求。本文提出的基于CCD显微视频的微型驱动机构运动检测方法，可以对各类微型驱动机构的动、静态视频以及它们的不同运动状态进行检测，这种光学非接触式检测方法具有无损、非接触、快速、高精度和高定位等优点。 本文在考察和研究分析现有的MEMS运动状态检测技术优缺点的基础上，针对各类微型驱动机构进行了相关实验。研究内容涵盖原理探讨、常用算法分析、运动检测算法的构建、测量系统的实现、具体实验论证以及结果分析等方面，取得了较好的研究成果。 论文第一章概述了微纳米技术及MEMS的应用，阐述了微型驱动机构运动状态检测技术的研究发展现状，并提出了本课题研究的主要内容。 第二章分析了现有的微型驱动机构的动态性能测试方法及系统，综述了国内外在该测试领域的发展状况，比较了各类检测方法的优势和应用范围。 第三章描述了基于CCD显微视频的测速测振新方法。具体介绍了软件中用到的主要算法，分析了算法的基本原理。并结合整个检测装置，对算法做了进一步的改进和优化，以提高算法的灵活性。 第四章介绍了整个测量装置系统，主要针对硬件和软件部分做了比较详细的阐述。构建了一个集照明系统、驱动模块、成像系统、采集部分、接口模块及计算机等于一体的硬件测量系统，用来完成前期视频图像的观察和采集任务。通过开发相应的检测软件系统来完成后期的图像处理工作，并且描述了检测的整个流程。 第五章主要针对各类微型驱动机构以及它们所对应的不同运动形式展开了具体运动检测实验，获取了运动轨迹曲线、运动振幅、运动速度、频率一振幅特性关系、功率一振幅关系等动态性能，并对不同实验条件的测量结果进行比较和分析。实验结果表明，利用该测量系统，能够有效地对各种微型驱动机构进行运动特性测量，测量结果稳定性高，而且具有一定的普适性。第六章总结了本课题所完成的工作，并提出了将来可以进行的工作。 本文的主要创新之处有： 1)提出和发展了一种基于CCD显微视频的微型驱动机构运动状态检测新方法。该方法较好地解决了小尺寸、低振幅、高频率驱动机构的运动检测问题。 2)设计研制了微型驱动机构运动检测的软硬件系统。整个检测系统集光、机、电、算于一体，既能对采集得到的序列图像进行检测，也能实现动、静态显微视频的运动状态检测。 3)利用该软硬件系统及其检测新方法，首次实现了各种微型驱动机构运动特性的定量检测。成功地测量了在不同条件下的运动参数，包括最大振幅、平均速度、测试频率等，能有效地对各种类型的微驱动机构以及它们的不同运动形式进行检测。 4)探索了不同的微型驱动机构运动状态检测方法及其应用前景。通过这种方法，能够实现不同运动机构、不同运动形式、不同运动参数的定量检测。同时，通过相应的检测与分析，有助于设计各类微型驱动机构以及选择对其控制的最佳参数。

目录

文摘

英文文摘

第一章绪论

§1.1微纳米技术概述

§1.2微机电系统(MEMS)及应用

§1.3微型驱动机构运动状态检测技术的研究发展现状

§1.4本课题的研究内容和主要创新

参考文献

第二章MEMS运动状态检测技术及原理

§2.1 MEMS的运动特点及检测要求

§2.2计算机微视觉测试技术原理及特点

§2.3干涉测量方法

§2.4激光多普勒测振技术

§2.5其它检测技术

参考文献

第三章基于CCD显微视频的测速测振新方法研究

§3.1基于CCD显微视频的测速测振新方法概述

§3.2微型驱动机构运动状态检测算法研究

§3.2.1显微视频及序列图像的测速测振算法

§3.2.2算法的性能与特点

§3.3图像匹配

§3.3.1图像匹配及关键要素

§3.3.2图像匹配的常用算法

§3.3.3 M×N模板匹配新方法

§3.4亚像素定位算法

§3.4.1亚像素及其定位

§3.4.2亚像素定位的常用算法

§3.4.3二次曲面拟合的亚像素提取算法

§3.5运动轨迹曲线的绘制方法

参考文献

第四章微型驱动机构的非接触显微测速测振系统研制

§4.1系统整体设计

§4.2 CCD显微摄像光路

§4.2.1 CCD视频成像单元

§4.2.2显微光路系统设计

§4.2.3光学照明系统

§4.3视频图像采集接口

§4.4显微测速测振软件系统的研制

§4.4.1软件总流程与主界面

§4.4.2序列图像或显微视频的输入

§4.4.3特征区域及匹配位置的确定

§4.4.4图像检测模块

§4.4.5进度显示栏

§4.4.6运动轨迹曲线图

§4.4.7匹配位置的显示

§4.5.8软件的总体调试

参考文献

第五章微型驱动机构的运动状态检测实验研究

§5.1系统的标定实验

§5.1.1像素标定

§5.1.2压电陶瓷的微振动检测

§5.2微探针的微进给运动检测

§5.3细长型光热微驱动机构偏转运动检测

§5.3.1机构设计及光热驱动实验

§5.3.2基于序列图像的微位移检测分析

§5.3.3基于显微视频的运动检测分析

§5.4触点开关式光热驱动器的运动检测

§5.4.1不同激光功率下的运动检测

§5.4.2不同激光频率下的运动检测

§5.5微型驱动机构的运动检测分析与应用展望

参考文献

第六章总结与展望

§6.1本文的工作总结

§6.2展望

攻读硕士学位期间发表的论文

国家发明专利和实用新型专利

致谢