藍寶石爐自動引晶控制系統和單晶爐引晶控制方法與流程

本發明涉及一種藍寶石爐自動引晶控制系統和單晶爐引晶控制方法，屬于藍寶石生長設備技術領域。

背景技術：

目前行業現狀如下：通過觀察窗口與晶體重量的測量，憑借人工經驗進行判斷，進行人工引晶，不僅無法獲得晶體實際直徑尺寸，也不能完成整個引晶過程的自動控制。

技術實現要素：

發明目的：本發明的目的在于提供一種藍寶石自動引晶控制系統，以解決藍寶石引晶效率低，避免了人為因素，在引晶過程中的干擾，必須提高設備的穩定性及自動化水平。

技術方案：本發明的藍寶石爐自動引晶控制系統，包括稱重傳感器，信號放大器，攝像頭，變焦鏡頭，圖像采集卡，計算機，PLC，步進驅動器和步進電機，變焦鏡頭安裝在攝像頭上，變焦鏡頭與步進電機連接，攝像頭設置于藍寶石爐的觀察窗口上并指向引晶位置，攝像頭與圖像采集卡連接，圖像采集卡與計算機相互連接，計算機連接至PLC，稱重傳感器與信號放大器連接，信號放大器與PLC之間連接，PLC與步進驅動器之間連接，步進驅動器與步進電機之間連接。

進一步地，步進電機包括提拉步進電機、旋轉步進電機和變焦步進電機。

進一步地，攝像頭通過視屏線與圖像采集卡連接，圖像采集卡插到計算機的PCI插槽上，計算機與PLC之間用以太網連接，稱重傳感器與信號放大器之間通過屏蔽雙絞線連接，信號放大器與PLC之間通過屏蔽雙絞線連接，PLC與步進驅動器之間通過屏蔽雙絞線連接，步進驅動器與步進電機之間通過屏蔽雙絞線連接。

本發明還包括一種單晶爐引晶控制方法，其包括以下步驟：

1)通過CCD攝像頭采集到引晶畫面后，傳輸給圖像采集卡，經過AD轉換后儲存在圖像存儲單元里，通過計算機給圖像采集模塊指令后，圖像采集卡將一幀靜止圖像進行DA轉換顯示給計算機，計算機對圖像進行中值濾波處理：

圖像中選取一個像素為(3*3)的領域，

X₁ X₂ X₃

X₄ X₅ X₆

X₇ X₈ X₉

然后將領域中的各個的灰度值按大小進行排序，

設其排序為：X₁≤X₂≤X₃≤X₄≤X₅≤X₆≤X₇≤X₈≤X₉；

Y＝Mid{X₁,X₂,X₃…X₉}＝X5；

取排序好的序列的中間值Y＝X₅為中心點像素灰度新值，得到中值濾波后的圖像；

2)對濾波后的圖像，使用Sobel算子。

卷積因子如下：

取一個像素為(3*3)的領域，

Z₁ Z₂ Z₃

Z₄ Z₅ Z₆

Z₇ Z₈ Z₉

具體計算公式如下：

G_x＝(Z₇+2Z₈+Z₉)-(Z₁+2Z₂+Z₃)

G_y＝(Z₃+2Z₆+Z₉)-(Z₁+2Z₄+Z₇)

然后計算梯度值：

先求Tenengrad函數：

Sten(k)＝∑_x∑_y[G_(x,y)]²

求得圖像中Tenengrad函數值；

3)根據該算法求得相鄰兩幀圖像Tenengrad函數值，結果進行比較，控制變焦電機的轉動方向，當輸出圖像的Tenengrad函數最大時停止轉動，實現圖像自動對焦；

攝像頭對焦后，采樣到的圖像進行邊緣檢測：

當梯度大于閥值則認為該點G(x,y)為邊緣點，賦值為255，顯示白色；

當梯度小于閥值該點G(x,y)，賦值為0，顯示黑色；

通過改變調節閥值的大小得到晶體精確的邊緣；

通過實際籽晶尺寸與圖像中籽晶包含的像素的比，得出實際物體與圖像物體的比例系數；

圖像經過邊緣檢測獲得橢圓的半圓弧狀邊緣，通過已知的攝像頭角度，將此橢圓的半圓弧還原成圓形的圓弧，然后將此圓弧擬合成半圓，從中算出圖像中晶體直徑，再通過算出的比例系數，得出實際爐內晶體直徑。

本發明與現有技術相比，其有益效果是：提高決藍寶石引晶效率低，避免了人為因素，在引晶過程中的干擾，提高了設備的穩定性及自動化水平。

附圖說明

圖1為本發明的藍寶石爐自動引晶控制系統結構示意圖；

圖2位本發明的藍寶石爐自動引晶控制系統原理示意圖。

具體實施方式

下面對本發明技術方案進行詳細說明，但是本發明的保護范圍不局限于所述實施例。

實施例1：

在引晶過程中，晶體10與液態熔融體12之間，會有一個灰度變化的邊緣11當晶體10生長變粗時，晶體邊緣11也會隨之變大，反之則變小。

在引晶過程中，當晶體邊緣變大時，晶體重量也會隨之變大，反之則變小。

所以只要將采集信號進計算機，就可以實現自動化引晶。

將變焦鏡頭4安裝在攝像頭3上，變焦鏡頭4與步進電機8連接，將CCD攝像頭3固定在藍寶石長晶爐的觀察窗口上，調整CCD攝像頭3位置至可觀測到引晶位置。CCD攝像頭3通過視屏線與圖像采集卡5連接，圖像采集卡5插到計算機6PCI插槽上，計算機6與PLC7之間用以太網連接。稱重傳感器1與稱重信號放大器2之間使用屏蔽雙絞線連接，稱重信號放大器2與PLC7之間也使用屏蔽雙絞線連接。PLC7與步進驅動器8之間使用屏蔽雙絞線連接。步進驅動器8與步進電機9之間使用屏蔽雙絞線連接。一個步進電機9控制晶體提拉，一個步進電機9控制晶體旋轉，一個步進電機9控制變焦鏡頭。

通過CCD攝像頭3采集到引晶畫面后，傳輸給圖像采集卡4，經過AD轉換后儲存在圖像存儲單元里，通過計算機給圖像采集模塊指令后，圖像采集卡將一幀靜止圖像進行DA轉換顯示給計算機6，計算機6對圖像進行中值濾波處理，以改善圖像內數據，清除顆粒噪聲。

圖像中選取一個像素為(3*3)的領域，

X₁ X₂ X₃

X₄ X₅ X₆

X₇ X₈ X₉

然后將領域中的各個的灰度值按大小進行排序，

設其排序為：X₁≤X₂≤X₃≤X₄≤X₅≤X₆≤X₇≤X₈≤X₉；

Y＝Mid{X₁,X₂,X₃…X₉}＝X5；

取排序好的序列的中間值Y＝X₅為中心點像素灰度新值，得到中值濾波后的圖像。

對濾波后的圖像，使用Sobel算子。

卷積因子如下：

取一個像素為(3*3)的領域，

Z₁ Z₂ Z₃

Z₄ Z₅ Z₆

Z₇ Z₈ Z₉

具體計算公式如下：

G_x＝(Z₇+2Z₈+Z₉)-(Z₁+2Z₂+Z₃)

G_y＝(Z₃+2Z₆+Z₉)-(Z₁+2Z₄+Z₇)

然后計算梯度值：

先求Tenengrad函數：

Sten(k)＝∑_x∑_y[G_(x,y)]²

求得圖像中Tenengrad函數值。

根據該算法求得相鄰兩幀圖像Tenengrad函數值，結果進行比較，來控制變焦電機的轉動方向，當輸出圖像的Tenengrad函數最大時停止轉動，實現圖像自動對焦。

攝像頭對焦后，采樣到的圖像進行邊緣檢測，

當梯度大于閥值則認為該點G_(x,y)為邊緣點，賦值為255，顯示白色；

當梯度小于閥值該點G_(x,y)，賦值為0，顯示黑色。

通過改變調節閥值的大小得到晶體精確的邊緣。

通過實際籽晶尺寸與圖像中籽晶包含的像素的比，得出實際物體與圖像物體的比例系數；

圖像經過邊緣檢測獲得橢圓的半圓弧狀邊緣，通過已知的攝像頭角度，將此橢圓的半圓弧還原成圓形的圓弧，然后將此圓弧擬合成半圓，從中算出圖像中晶體直徑，再通過算出的比例系數，得出實際爐內晶體直徑。

將計算出的晶體直徑尺寸傳輸給PLC。

稱重傳感器信號通過稱重信號放大器，將稱重信號轉換成0～10V模擬量電壓，傳輸給PLC,PLC將模擬量電壓信號轉換成實際重量。

PLC根據傳輸來的晶體直徑尺寸與晶體實際重量，根據工藝人員的引晶參數設置，自動調節加熱器功率、旋轉速度及提拉速度，從而實現自動引晶。

假設晶體直徑為d，晶體重量為g，提拉速度為a，旋轉速度為b，功率為c，時間為t，重量閥值d。

當晶體直徑d生長大于1mm時，開始起動提拉，以a速度提拉t min時間停止，計算當晶體重量g大于重量閥值d時，減小功率c，當晶體重量g小于重量閥值d時，增加功率c。

如上所述，盡管參照特定的優選實施例已經表示和表述了本發明，但其不得解釋為對本發明自身的限制。在不脫離所附權利要求定義的本發明的精神和范圍前提下，可對其在形式上和細節上做出各種變化。