藍(lán)寶石單晶爐稱重檢測(cè)系統(tǒng)、傳感器濾波方法及切換方法與流程

本發(fā)明涉及藍(lán)寶石單晶爐稱重檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法，屬于藍(lán)寶石單晶爐生長(zhǎng)設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

藍(lán)寶石(Sapphire)是一種氧化鋁(Al2O3)的單晶，光學(xué)穿透帶很寬，從近紫外光(190nm)到中紅外線都具有很好的透光性。藍(lán)寶石晶體具有優(yōu)異的光學(xué)性能、機(jī)械性能和化學(xué)穩(wěn)定性，強(qiáng)度高、硬度大、耐腐蝕，可在接近2000℃高溫的惡劣條件下工作，因而被廣泛的應(yīng)用于紅外軍事裝置、衛(wèi)星空間技術(shù)、高強(qiáng)度激光的窗口材料。其獨(dú)特的晶格結(jié)構(gòu)、優(yōu)異的力學(xué)性能、良好的熱學(xué)性能使藍(lán)寶石晶體成為實(shí)際應(yīng)用的半導(dǎo)體GaN/Al2O3發(fā)光二極管(LED)，大規(guī)模集成電路SOI和SOS及超導(dǎo)納米結(jié)構(gòu)薄膜等最為理想的襯底材料。隨著近年來(lái)LED TV、LED Monitor、LED NB、LED Phone及LED照明市場(chǎng)的持續(xù)高速增長(zhǎng)，強(qiáng)勁推動(dòng)了用于制作LED基材的藍(lán)寶石市場(chǎng)的需求擴(kuò)張。

藍(lán)寶石單晶爐是藍(lán)寶石晶體的生長(zhǎng)設(shè)備，目前用于藍(lán)寶石的長(zhǎng)晶方法主要有以下幾種：提拉法、泡生法、溫度梯度法、導(dǎo)模法、熱交換法。其中泡生法具有整個(gè)生長(zhǎng)過(guò)程晶向遺傳特性良好，晶體品質(zhì)高，適合生長(zhǎng)大尺寸晶體，原料利用率高，生長(zhǎng)周期短，成本低等特點(diǎn)。因此泡生法被廣泛應(yīng)用于藍(lán)寶石單晶爐。

泡生法生長(zhǎng)藍(lán)寶石晶體，如何準(zhǔn)確的檢測(cè)到爐內(nèi)晶體重量是一個(gè)十分重要的關(guān)鍵技術(shù)。傳統(tǒng)的長(zhǎng)晶設(shè)備使用單個(gè)大量程傳感器測(cè)量，導(dǎo)致前期引晶階段重量波動(dòng)較大，造成長(zhǎng)晶人員不好判斷實(shí)際的晶體生長(zhǎng)狀態(tài)。

目前采用兩個(gè)稱重傳感器：即一個(gè)大量程傳感器和一個(gè)小量程傳感器，通過(guò)遞推平均濾波法得分別到兩個(gè)傳感器測(cè)得的重量，前期當(dāng)晶體重量較小時(shí)，采用小量程傳感器計(jì)算晶體重量，當(dāng)小量程傳感器到達(dá)稱重上限時(shí)，無(wú)擾切換到大量程傳感器計(jì)算晶體重量。這種設(shè)計(jì)思路未見(jiàn)諸報(bào)道。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：本發(fā)明的目的在于準(zhǔn)確檢測(cè)到藍(lán)寶石單晶爐內(nèi)晶體實(shí)際重量，給長(zhǎng)晶人員提供精準(zhǔn)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，供其判斷晶體的生長(zhǎng)狀態(tài)，最終控制生長(zhǎng)過(guò)程生產(chǎn)出良率高的藍(lán)寶石晶體。

技術(shù)方案：

本發(fā)明的一種藍(lán)寶石單晶爐稱重檢測(cè)系統(tǒng)傳感器濾波方法，包括以下步驟：

1)設(shè)定采集周期，并每周期采集一次信號(hào)得到新信號(hào)，將所述新信號(hào)存儲(chǔ)到一個(gè)隊(duì)列數(shù)值中，所述新信號(hào)存入入隊(duì)尾，采用先進(jìn)先出原則，舍棄原來(lái)隊(duì)首的一次數(shù)據(jù)，把隊(duì)列中的120個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)平均運(yùn)算；

2)對(duì)步驟1)算數(shù)平均運(yùn)算結(jié)果乘以預(yù)存的加權(quán)系數(shù)a，同時(shí)對(duì)新信號(hào)數(shù)據(jù)乘以權(quán)：1-a，加權(quán)平均處理平均運(yùn)算結(jié)果和新信號(hào)數(shù)據(jù)得到信號(hào)值。

進(jìn)一步地，所述的加權(quán)系數(shù)a采用如下方式確定：

1)在稱重托盤(pán)下掛上加砝碼工裝，設(shè)置初始的加權(quán)系數(shù)Y1，初始加權(quán)系數(shù)Y1在范圍0-1隨機(jī)選取，稱重系統(tǒng)開(kāi)啟旋轉(zhuǎn)；

2)等待稱重量曲線平穩(wěn)后，讀取值為X1，在工裝上添加質(zhì)量為m克的砝碼；

3)再次等待稱重量曲線平穩(wěn)，讀取值為X2，計(jì)算新的加權(quán)系數(shù)Y2；

Y2＝(X2-X1)/m*Y1；

4)等待稱重量曲線平穩(wěn)，執(zhí)行步驟2)，若最終達(dá)到響應(yīng)時(shí)間在1分鐘以內(nèi)，振幅在±5g以內(nèi)，返回Y2值作為新的加權(quán)系數(shù)a；反之，返回步驟2)重新進(jìn)行操作和計(jì)算。

進(jìn)一步地，所述的初始的加權(quán)系數(shù)Y1為0.5。所述周期設(shè)定為，0.5秒一個(gè)周期。

本發(fā)明還包括一種藍(lán)寶石單晶爐稱重檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，包括：第一稱重傳感器、第二稱重傳感器、第一信號(hào)放大器、第二信號(hào)放大器、PLC、工控機(jī)，所述第二稱重傳感器的量程大于第一稱重傳感器，所述第一稱重傳感器的測(cè)量精度高于第二稱重傳感器，稱重托盤(pán)壓在第一稱重傳感器、第二稱重傳感器和輔助支點(diǎn)上，第一稱重傳感器連接第一信號(hào)放大器，第二稱重傳感器連接第二信號(hào)放大器，第一信號(hào)放大器和第二信號(hào)放大器分別連接到所述PLC。

進(jìn)一步的，所述第一稱重傳感器及第二稱重傳感器均采用上述的傳感器濾波方法。

前述的藍(lán)寶石單晶爐稱重檢測(cè)系統(tǒng)的傳感器切換方法，當(dāng)晶體生長(zhǎng)處于前期晶體重量小于第一稱重傳感器量程的b％時(shí)，所述PLC讀取第一信號(hào)放大器信號(hào)計(jì)算晶體重量，當(dāng)晶體重量生長(zhǎng)到大于等于第一稱重傳感器的量程的b％時(shí)，切換到B稱重傳感器重量計(jì)算晶體重量。

前述的藍(lán)寶石單晶爐稱重檢測(cè)系統(tǒng)的傳感器切換方法，

當(dāng)晶體生長(zhǎng)處于前期晶體重量小于第一稱重傳感器量程的b％時(shí)，所述PLC讀取第一信號(hào)放大器信號(hào)計(jì)算晶體重量，當(dāng)晶體重量生長(zhǎng)到大于等于第一稱重傳感器的量程的b％累計(jì)超過(guò)c分鐘時(shí)，切換到第二稱重傳感器重量計(jì)算晶體重量。

前述的藍(lán)寶石單晶爐稱重檢測(cè)系統(tǒng)的傳感器切換方法，

當(dāng)晶體生長(zhǎng)處于前期晶體重量小于第一稱重傳感器量程的b％時(shí)，所述PLC讀取第一信號(hào)放大器信號(hào)計(jì)算晶體重量，當(dāng)晶體重量生長(zhǎng)到大于等于第一稱重傳感器的量程的b％累計(jì)超過(guò)c分鐘時(shí)，切換到第二稱重傳感器重量計(jì)算晶體重量，并計(jì)算切換時(shí)，第一稱重傳感器和第二稱重傳感器測(cè)得重量的差值，令第二稱重傳感器測(cè)得的重量值加上所述差值，返回得到晶體重量值。

稱重檢測(cè)系統(tǒng)，包括：A稱重傳感器、B稱重傳感器、A信號(hào)放大器、B信號(hào)放大器、PLC、工控機(jī)。B稱重傳感器的量程大于A稱重傳感器，A稱重傳感器的測(cè)量精度高于B稱重傳感器。

稱重托盤(pán)壓在A稱重傳感器、B稱重傳感器和輔助支點(diǎn)上，A稱重傳感器連接A信號(hào)放大器，B稱重傳感器連接B信號(hào)放大器，A信號(hào)放大器和B信號(hào)放大器連接到PLC信號(hào)采集模塊，PLC中編程處理信號(hào)轉(zhuǎn)換為實(shí)時(shí)壓在A稱重傳感器和B稱重傳感器上的重量，但是此時(shí)的信號(hào)波動(dòng)較大，進(jìn)一步的采取加權(quán)遞推平均濾波法。我們?cè)谶M(jìn)行信號(hào)采集轉(zhuǎn)換時(shí)，由于外界的隨機(jī)干擾，數(shù)據(jù)可能出現(xiàn)較大的波動(dòng)，為了克服這種波動(dòng)對(duì)重量造成的干擾，我們首先采用遞推平均濾波法每0.5秒采集一次信號(hào)，采集1分鐘共120個(gè)采樣點(diǎn)，存儲(chǔ)到一個(gè)隊(duì)列數(shù)值中，每次采樣到一個(gè)新數(shù)據(jù)放入隊(duì)尾，并舍棄原來(lái)隊(duì)首的一次數(shù)據(jù)，采用的是先進(jìn)先出原則，把隊(duì)列中的120個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)平均運(yùn)算，就可獲得新的濾波結(jié)果。這樣獲得的結(jié)果平滑度高，有效的抑制了突變，但是靈敏度較低。

為了獲得較好的靈敏度，同時(shí)兼顧到平滑度，進(jìn)一步的采用加權(quán)濾波。對(duì)遞推平均的結(jié)果附以一定的權(quán)a，同時(shí)對(duì)新進(jìn)的采樣值附以權(quán)(1-a)，a的值越大結(jié)果的平滑度越高，靈敏度越低；a的值越小，靈敏度越高，平滑度越小。

進(jìn)一步的確定a的值，獲得較為平穩(wěn)和靈敏的A稱重傳感器重量和B稱重傳感器重量。

進(jìn)一步的，當(dāng)晶體生長(zhǎng)處于前期晶體重量較小時(shí)，取A稱重傳感器重量計(jì)算出晶體重量，當(dāng)晶體重量生長(zhǎng)到接近A稱重傳感器的量程上限時(shí)，此時(shí)需要切換到B稱重傳感器重量計(jì)算晶體重量。

進(jìn)一步的當(dāng)晶體重量生長(zhǎng)到接近A稱重傳感器的量程上限時(shí)，由于晶體生長(zhǎng)過(guò)程中可能存在回溶現(xiàn)象，造成晶體重量波動(dòng)，為避免切換過(guò)程多次反復(fù)，引入計(jì)時(shí)模式，當(dāng)晶體重量超過(guò)10Kg累計(jì)超過(guò)30分鐘，此時(shí)再進(jìn)行切換。

進(jìn)一步的切換到B稱重傳感器時(shí)，由于A稱重傳感器與B稱重傳感器的零點(diǎn)不一定一致，測(cè)量轉(zhuǎn)換后的A稱重量和B稱重量可能存在差值，為了達(dá)到無(wú)擾切換，切換時(shí)需計(jì)算差值，差值等于A稱重量減去B稱重量，新的晶體重量為B稱重量加上差值。這樣就達(dá)到了無(wú)擾動(dòng)切換。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明實(shí)施例1的應(yīng)用于藍(lán)寶石單晶爐的稱重結(jié)構(gòu)電氣示意圖；

圖2是本發(fā)明實(shí)施例1的應(yīng)用于藍(lán)寶石單晶爐的稱重?cái)?shù)據(jù)處理示意圖。

具體實(shí)施方式

下面對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明，但是本發(fā)明的保護(hù)范圍不局限于實(shí)施例。

實(shí)施例1：

由圖1可見(jiàn)，本實(shí)例的藍(lán)寶石單晶爐稱重結(jié)構(gòu)包括A稱重放大器、B稱重放大器、A信號(hào)放大器、B信號(hào)放大器、PLC和工控機(jī)。

其中A稱重傳感器為小量程傳感器，B稱重傳感器為大量程傳感器。A稱重傳感器的量程為0-50N，B稱重傳感器的量程為0-500N。由于支撐結(jié)構(gòu)采用的是三支點(diǎn)模式，所以A稱重傳感器實(shí)際對(duì)應(yīng)測(cè)量范圍為0-15Kg，B稱重傳感器實(shí)際對(duì)應(yīng)測(cè)量范圍為0-150Kg。滿足85Kg級(jí)藍(lán)寶石單晶爐的晶體重量測(cè)量。

A信號(hào)放大器和B信號(hào)放大器型號(hào)相同，主要作用是把稱重傳感器輸出的毫伏信號(hào)放大轉(zhuǎn)換為PLC可接收的0-10V模擬量電壓信號(hào)。

PLC模擬量信號(hào)采集模塊接收電壓信號(hào)，首先在程序中轉(zhuǎn)化為實(shí)際壓在稱重傳感器上的重量，即A稱重量和B稱重量。此時(shí)的重量曲線波動(dòng)較大。

有圖2可見(jiàn)，得到A稱重量和B稱重量后，首先分別都進(jìn)行遞推平均濾波處理，再進(jìn)行加權(quán)濾波處理。加權(quán)系數(shù)的確定，需要通過(guò)以下步驟，A稱重量和B稱重量的加權(quán)系數(shù)確定過(guò)程是一樣的，以A稱重量為例：

1.在稱重托盤(pán)下掛上加砝碼工裝，設(shè)置初始的加權(quán)系數(shù)Y1，加權(quán)系數(shù)的范圍為0-1，一般Y1可設(shè)置為0.5。由于稱重系統(tǒng)實(shí)際使用中稱重托盤(pán)是旋轉(zhuǎn)的，所以調(diào)試時(shí)開(kāi)啟旋轉(zhuǎn)，以5轉(zhuǎn)/min的速度旋轉(zhuǎn)；

a)等待A稱重量曲線平穩(wěn)后，讀取值為X1，在工裝上添加m克的砝碼；

b)再次等待A稱重量曲線平穩(wěn)，讀取值為X2，計(jì)算新的加權(quán)系數(shù)Y2；

c)Y2＝(X2-X1)/m*Y1；

d)等待A稱重量曲線平穩(wěn)，重復(fù)步驟2，觀察曲線的靈敏度和平滑度。最終達(dá)到響應(yīng)時(shí)間在1分鐘以內(nèi)，振幅在±5g以內(nèi)，返回步驟2重新進(jìn)行操作和計(jì)算。

以10Kg為晶體重量的切換點(diǎn)，當(dāng)A稱重量小于10Kg時(shí)，采用A稱重量作為晶體重量，這樣長(zhǎng)晶前期可以獲得較高精度的晶體重量。當(dāng)A稱重量大于10Kg時(shí)，采用B稱重量作為晶體重量。為了避免切換時(shí)晶體重量波動(dòng)，切換計(jì)算時(shí)去除A稱重量與B稱重量的差值。

如上所述，盡管參照特定的優(yōu)選實(shí)施例已經(jīng)表示和表述了本發(fā)明，但其不得解釋為對(duì)本發(fā)明自身的限制。在不脫離所附權(quán)利要求定義的本發(fā)明的精神和范圍前提下，可對(duì)其在形式上和細(xì)節(jié)上做出各種變化。