蓝宝石炉自动引晶控制系统和单晶炉引晶控制方法与流程
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。
技术实现要素：
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：
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)＝∑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：
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)＝∑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。
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