非接触多维微小位移测量

论文摘要

目前微小位移的测量分为接触式和非接触式两类。接触式的以电感涡流位移传感器、光纤光栅位移传感器等为代表;其特点是测量稳定、可靠。但由于测量过程被测物需安装传感器,实际使用中只能用于一些相对固定的特定场合,应用局限性较大。非接触式的以激光测量为代表,其最大优势是非接触测量且测量精度较高,但测量探头体积较大、开机稳定时间较长、激光器件可靠工作的寿命较短、对于多维数测量结构复杂等缺点。本文的研究目的是在分析上述各种测量方式的基础上,找到既有非接触测量优势、又能实现多维测量的测量方式。基本的研究思路为:对于1um以上位移的测量,采用视频显微放大的方式将被测对象采集后,利用图像处理技术,对图像进行去噪、二值化、图像特征提取并保存。测量状态时,对实时输入图像处理得到图像特征与原来所存储的图像特征进行匹配,从而计算出多维微小位移量。对于100nm-1um的亚微米级位移测量,由于显微放大时光线在显微镜头中已经发生衍射,导致图像的特征点采集有效率下降。本研究采用改进劳埃德镜装置,利用干涉条纹的间距变化间接测量微小位移,计算后得出真实移动值。本方法最大意义在于:除测量亚微米的位移量外,还可以用本研究思想来实现实时测量薄膜瞬间厚度等其它测量方式难以完成的工作。为实现研究思路,同时考虑到使用图像处理作为测量计算的特点是处理的数据量大,计算非常耗时。在设计过程中,广泛查阅了相关资料,在消化资料的基础上,比较了不同的方法的优劣,提出了基于FPGA的实现方案,使用硬件描述语言实现功能模块的方法,通过功能模块的硬件化,解决了视频图像处理的速度问题。因此,本文主要完成了设计模型的推导、图像数据的采集、处理和显示输出及实验结果的验证等设计。系统调试中,由于涉及到不同芯片的下载/配置,而不同厂商的下载/配置电缆结构不同,实际使用中颇为不便。为此设计开发了多用途的下载编程电缆（实用新型专利:200420094721.5）,利用上位机管理软件实现不同芯片下载/配置进行切换,并能完全兼容下载芯片官方的下载软件,保证了本研究芯片下载的方便性。目前实现的功能中,可对Altera、xilinx、Lattice的芯片以及众多型号的单片机进行下载/配置。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 国内外现状综述
• 1.2 研究目的、内容、技术路线
• 1.3 本研究的主要工作及章节内容
• 1.3.1 测量方式
• 1.3.2 基于FPGA 的视频图像处理系统的意义
• 1.3.3 图像处理采用的技术方式
• 1.3.4 论文的结构及章节内容
• 2 微米级位移的测量
• 2.1 测量物理原理
• 2.1.1 理想的情况
• 2.1.2 实际情况下
• 2.2 研究的意义
• 2.3 具体系统设计
• 2.3.1 系统总设计框图
• 2.3.2 实验设备实物结构图（试验配套CCD，PC 和显微镜）
• 2.3.3 CCD 摄像头图像输入
• 2.3.4 AD 转换
• 2.3.5 二值化和存入SRAM
• 2.3.6 图像处理
• 2.4 软件系统的设计
• 2.4.1 采用Sopc 的技术背景及原因
• 2.4.2 Altera 编译软件中设计的顶层qpf 文件
• 2.4.3 有关NiosII 信息处理器系统
• 2.4.4 设计系统的特点
• 3 亚微米级位移的测量
• 3.1 传统劳埃德镜装置
• 3.2 改进的劳埃德镜装置
• 3.2.1 基本组成
• 3.2.2 劳埃德镜装置的改进
• 3.2.3 改进后劳埃德镜装置干涉条纹的处理
• 3.3 对改进后劳埃德镜装置的检验
• 3.3.1 微小位移的产生
• 3.3.2 微小变化量的放大
• 3.3.3 测量原理
• 3.3.4 钢丝线性区的确定
• 3.3.5 微小位移的放大
• 3.3.6 干涉条纹的处理
• 3.4 干涉放大系统中实验参数的确定
• 3.5 单缝与CCD 之间的距离D 的确定
• 3.6 相干缝光源的距离 d 的确定
• 3.7 干涉图像的处理
• 3.7.1 CCD 的校准
• 3.7.2 CCD 处理原理
• 3.7.3 条纹间距的自校准
• 3.7.4 图像的存储、ADC 转换，二值化图像
• 3.7.5 去噪、细化
• 3.8 实验数据及误差的处理
• 3.8.1 实验中D 的不确定性分析
• 3.8.2 实验中d 的不确定度分析
• 3.9 系统参数
• 4 整机硬件设计与器件的配置/下载
• 4.1 视屏转换芯片 ADV7181B 的外围设计
• 4.2 VGA 输出电路
• 4.3 触摸屏接口电路
• 4.4 下载/配置电缆的设计
• 4.4.1 协议规范
• 4.4.2 硬件外观
• 4.4.3 软件说明
• 4.4.4 支持芯片列表
• 4.4.5 在下载/配置本研究中的器件2c35 芯片
• 5 总结
• 5.1 工作总结
• 5.2 存在的问题与改进方向
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录
• B. 作者在攻读学位期间取得的科研成果目录