CN106435731B - 蓝宝石炉自动引晶控制系统和单晶炉引晶控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种蓝宝石炉自动引晶控制系统和单晶炉引晶控制方法，其中控制系统包括称重传感器，信号放大器，摄像头，变焦镜头，图像采集卡，计算机，PLC，步进驱动器和步进电机，变焦镜头安装在摄像头上，摄像头设置于蓝宝石炉的观察窗口上并指向引晶位置，摄像头与图像采集卡连接，图像采集卡与计算机相互连接，计算机连接至PLC，称重传感器与信号放大器连接，信号放大器与PLC之间连接，PLC与步进驱动器之间连接，步进驱动器与步进电机之间连接。

Description

蓝宝石炉自动引晶控制系统和单晶炉引晶控制方法

技术领域

本发明涉及一种蓝宝石炉自动引晶控制系统和单晶炉引晶控制方法，属于蓝宝石生长设备技术领域。

背景技术

目前行业现状如下：通过观察窗口与晶体重量的测量，凭借人工经验进行判断，进行人工引晶，不仅无法获得晶体实际直径尺寸，也不能完成整个引晶过程的自动控制。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于提供一种蓝宝石自动引晶控制系统，以解决蓝宝石引晶效率低，避免了人为因素，在引晶过程中的干扰，必须提高设备的稳定性及自动化水平。

技术方案：本发明的蓝宝石炉自动引晶控制系统，包括称重传感器，信号放大器，摄像头，变焦镜头，图像采集卡，计算机，PLC，步进驱动器和步进电机，变焦镜头安装在摄像头上，变焦镜头与步进电机连接，摄像头设置于蓝宝石炉的观察窗口上并指向引晶位置，摄像头与图像采集卡连接，图像采集卡与计算机相互连接，计算机连接至PLC，称重传感器与信号放大器连接，信号放大器与PLC之间连接，PLC与步进驱动器之间连接，步进驱动器与步进电机之间连接。

进一步地，步进电机包括提拉步进电机、旋转步进电机和变焦步进电机。

进一步地，摄像头通过视屏线与图像采集卡连接，图像采集卡插到计算机的PCI插槽上，计算机与PLC之间用以太网连接，称重传感器与信号放大器之间通过屏蔽双绞线连接，信号放大器与PLC之间通过屏蔽双绞线连接，PLC与步进驱动器之间通过屏蔽双绞线连接，步进驱动器与步进电机之间通过屏蔽双绞线连接。

本发明还包括一种单晶炉引晶控制方法，其包括以下步骤：

1)通过CCD摄像头采集到引晶画面后，传输给图像采集卡，经过AD转换后储存在图像存储单元里，通过计算机给图像采集模块指令后，图像采集卡将一帧静止图像进行DA转换显示给计算机，计算机对图像进行中值滤波处理：

图像中选取一个像素为(3*3)的领域，

X₁ X₂ X₃

X₄ X₅ X₆

X₇ X₈ X₉

然后将领域中的各个的灰度值按大小进行排序，

设其排序为：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间值Y＝X₅为中心点像素灰度新值，得到中值滤波后的图像；

2)对滤波后的图像，使用Sobel算子。

卷积因子如下：

取一个像素为(3*3)的领域，

Z₁ Z₂ Z₃

Z₄ Z₅ Z₆

Z₇ Z₈ Z₉

具体计算公式如下：

G_x＝(Z₇+2Z₈+Z₉)-(Z₁+2Z₂+Z₃)

G_y＝(Z₃+2Z₆+Z₉)-(Z₁+2Z₄+Z₇)

然后计算梯度值：

先求Tenengrad函数：

Sten(k)＝∑_x∑_y[G_(x,y)]²

求得图像中Tenengrad函数值；

3)根据该算法求得相邻两帧图像Tenengrad函数值，结果进行比较，控制变焦电机的转动方向，当输出图像的Tenengrad函数最大时停止转动，实现图像自动对焦；

摄像头对焦后，采样到的图像进行边缘检测：

当梯度大于阀值则认为该点G(x,y)为边缘点，赋值为255，显示白色；

当梯度小于阀值该点G(x,y)，赋值为0，显示黑色；

通过改变调节阀值的大小得到晶体精确的边缘；

通过实际籽晶尺寸与图像中籽晶包含的像素的比，得出实际物体与图像物体的比例系数；

图像经过边缘检测获得椭圆的半圆弧状边缘，通过已知的摄像头角度，将此椭圆的半圆弧还原成圆形的圆弧，然后将此圆弧拟合成半圆，从中算出图像中晶体直径，再通过算出的比例系数，得出实际炉内晶体直径。

本发明与现有技术相比，其有益效果是：提高决蓝宝石引晶效率低，避免了人为因素，在引晶过程中的干扰，提高了设备的稳定性及自动化水平。

附图说明

图1为本发明的蓝宝石炉自动引晶控制系统结构示意图；

图2位本发明的蓝宝石炉自动引晶控制系统原理示意图。

具体实施方式

下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。

实施例1：

在引晶过程中，晶体10与液态熔融体12之间，会有一个灰度变化的边缘11当晶体10生长变粗时，晶体边缘11也会随之变大，反之则变小。

在引晶过程中，当晶体边缘变大时，晶体重量也会随之变大，反之则变小。

所以只要将采集信号进计算机，就可以实现自动化引晶。

将变焦镜头4安装在摄像头3上，变焦镜头4与步进电机8连接，将CCD摄像头3固定在蓝宝石长晶炉的观察窗口上，调整CCD摄像头3位置至可观测到引晶位置。CCD摄像头3通过视屏线与图像采集卡5连接，图像采集卡5插到计算机6PCI插槽上，计算机6与PLC7之间用以太网连接。称重传感器1与称重信号放大器2之间使用屏蔽双绞线连接，称重信号放大器2与PLC7之间也使用屏蔽双绞线连接。PLC7与步进驱动器8之间使用屏蔽双绞线连接。步进驱动器8与步进电机9之间使用屏蔽双绞线连接。一个步进电机9控制晶体提拉，一个步进电机9控制晶体旋转，一个步进电机9控制变焦镜头。

通过CCD摄像头3采集到引晶画面后，传输给图像采集卡4，经过AD转换后储存在图像存储单元里，通过计算机给图像采集模块指令后，图像采集卡将一帧静止图像进行DA转换显示给计算机6，计算机6对图像进行中值滤波处理，以改善图像内数据，清除颗粒噪声。

图像中选取一个像素为(3*3)的领域，

X₁ X₂ X₃

X₄ X₅ X₆

X₇ X₈ X₉

然后将领域中的各个的灰度值按大小进行排序，

设其排序为：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间值Y＝X₅为中心点像素灰度新值，得到中值滤波后的图像。

对滤波后的图像，使用Sobel算子。

卷积因子如下：

取一个像素为(3*3)的领域，

Z₁ Z₂ Z₃

Z₄ Z₅ Z₆

Z₇ Z₈ Z₉

具体计算公式如下：

G_x＝(Z₇+2Z₈+Z₉)-(Z₁+2Z₂+Z₃)

G_y＝(Z₃+2Z₆+Z₉)-(Z₁+2Z₄+Z₇)

然后计算梯度值：

先求Tenengrad函数：

Sten(k)＝∑_x∑_y[G_(x,y)]²

求得图像中Tenengrad函数值。

根据该算法求得相邻两帧图像Tenengrad函数值，结果进行比较，来控制变焦电机的转动方向，当输出图像的Tenengrad函数最大时停止转动，实现图像自动对焦。

摄像头对焦后，采样到的图像进行边缘检测，

当梯度大于阀值则认为该点G_(x,y)为边缘点，赋值为255，显示白色；

当梯度小于阀值该点G_(x,y)，赋值为0，显示黑色。

通过改变调节阀值的大小得到晶体精确的边缘。

通过实际籽晶尺寸与图像中籽晶包含的像素的比，得出实际物体与图像物体的比例系数；

图像经过边缘检测获得椭圆的半圆弧状边缘，通过已知的摄像头角度，将此椭圆的半圆弧还原成圆形的圆弧，然后将此圆弧拟合成半圆，从中算出图像中晶体直径，再通过算出的比例系数，得出实际炉内晶体直径。

将计算出的晶体直径尺寸传输给PLC。

称重传感器信号通过称重信号放大器，将称重信号转换成0～10V模拟量电压，传输给PLC,PLC将模拟量电压信号转换成实际重量。

PLC根据传输来的晶体直径尺寸与晶体实际重量，根据工艺人员的引晶参数设置，自动调节加热器功率、旋转速度及提拉速度，从而实现自动引晶。

假设晶体直径为d，晶体重量为g，提拉速度为a，旋转速度为b，功率为c，时间为t，重量阀值d。

当晶体直径d生长大于1mm时，开始起动提拉，以a速度提拉t min时间停止，计算当晶体重量g大于重量阀值d时，减小功率c，当晶体重量g小于重量阀值d时，增加功率c。

如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上做出各种变化。

Claims (1)

1.一种单晶炉引晶控制方法，采用的蓝宝石炉自动引晶包括称重传感器(1) ，信号放大器(2)，摄像头(3)，变焦镜头(4)，图像采集卡(5)，计算机(6)，PLC(7)，步进驱动器(8)和步进电机(9)，所述变焦镜头(4)安装在摄像头(3)上，摄像头(3)设置于所述蓝宝石炉的观察窗口上并指向引晶位置，所述摄像头(2)与所述图像采集卡(5)连接，所述图像采集卡(5)与所述计算机(6)相互连接，所述计算机(6)连接至所述PLC(7)，所述称重传感器(1)与所述信号放大器(2)连接，所述信号放大器(2)与所述PLC(7)之间连接，所述PLC(7)与所述步进驱动器(8)之间连接，所述步进驱动器(8)与所述步进电机(9)之间连接，

其特征在于，包括以下步骤：

1)通过CCD摄像头采集到引晶画面后，传输给图像采集卡，经过AD转换后储存在图像存储单元里，通过计算机给图像采集模块指令后，图像采集卡将一帧静止图像进行DA转换显示给计算机，计算机对图像进行中值滤波处理：

图像中选取一个像素为(3*3)的领域，

X1 X2 X3

X4 X5 X6

X7 X8 X9

然后将领域中的各个的灰度值按大小进行排序，

设其排序为：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间值Y＝X5为中心点像素灰度新值，得到中值滤波后的图像；

2)对滤波后的图像，使用Sobel算子；

卷积因子如下：

取一个像素为(3*3)的领域，

Z1 Z2 Z3

Z4 Z5 Z6

Z7 Z8 Z9

具体计算公式如下：

Gx＝(Z7+2Z8+Z9)-(Z1+2Z2+Z3)

Gy＝(Z3+2Z6+Z9)-(Z1+2Z4+Z7)

然后计算梯度值：

先求Tenengrad函数：

Sten(k)＝ΣxΣy [G(x ,y)]²

求得图像中Tenengrad函数值；

3)开始引晶时，变焦电机先进行自动对焦，根据该算法求得相邻两帧图像Tenengrad函数值的结果进行比较，根据比较后的结果来控制调整变焦电机的转动方向，当输出图像的Tenengrad函数值为最大时停止转动，实现图像的自动对焦；

摄像头对焦后，采样到的图像进行边缘检测：

当梯度大于阈值则认为该点G(x ,y)为边缘点，赋值为255，显示白色；

当梯度小于阈值该点G(x ,y)，赋值为0，显示黑色；

通过改变调节阈值的大小得到晶体精确的边缘；

通过实际籽晶尺寸与图像中籽晶包含的像素的比，得出实际物体与图像物体的比例系数；

图像经过边缘检测获得椭圆的半圆弧状边缘，通过已知的摄像头角度，将此椭圆的半圆弧还原成圆形的圆弧，然后将此圆弧拟合成半圆，从中算出图像中晶体直径，再通过算出的比例系数，得出实际炉内晶体直径。