蓝宝石单晶炉称重检测系统、传感器滤波方法及切换方法与流程

本发明涉及蓝宝石单晶炉称重检测系统实现方法，属于蓝宝石单晶炉生长设备技术领域。

背景技术：

蓝宝石(Sapphire)是一种氧化铝(Al2O3)的单晶，光学穿透带很宽，从近紫外光(190nm)到中红外线都具有很好的透光性。蓝宝石晶体具有优异的光学性能、机械性能和化学稳定性，强度高、硬度大、耐腐蚀，可在接近2000℃高温的恶劣条件下工作，因而被广泛的应用于红外军事装置、卫星空间技术、高强度激光的窗口材料。其独特的晶格结构、优异的力学性能、良好的热学性能使蓝宝石晶体成为实际应用的半导体GaN/Al2O3发光二极管(LED)，大规模集成电路SOI和SOS及超导纳米结构薄膜等最为理想的衬底材料。随着近年来LED TV、LED Monitor、LED NB、LED Phone及LED照明市场的持续高速增长，强劲推动了用于制作LED基材的蓝宝石市场的需求扩张。

蓝宝石单晶炉是蓝宝石晶体的生长设备，目前用于蓝宝石的长晶方法主要有以下几种：提拉法、泡生法、温度梯度法、导模法、热交换法。其中泡生法具有整个生长过程晶向遗传特性良好，晶体品质高，适合生长大尺寸晶体，原料利用率高，生长周期短，成本低等特点。因此泡生法被广泛应用于蓝宝石单晶炉。

泡生法生长蓝宝石晶体，如何准确的检测到炉内晶体重量是一个十分重要的关键技术。传统的长晶设备使用单个大量程传感器测量，导致前期引晶阶段重量波动较大，造成长晶人员不好判断实际的晶体生长状态。

目前采用两个称重传感器：即一个大量程传感器和一个小量程传感器，通过递推平均滤波法得分别到两个传感器测得的重量，前期当晶体重量较小时，采用小量程传感器计算晶体重量，当小量程传感器到达称重上限时，无扰切换到大量程传感器计算晶体重量。这种设计思路未见诸报道。

技术实现要素：

发明目的：本发明的目的在于准确检测到蓝宝石单晶炉内晶体实际重量，给长晶人员提供精准的实时数据，供其判断晶体的生长状态，最终控制生长过程生产出良率高的蓝宝石晶体。

技术方案：

本发明的一种蓝宝石单晶炉称重检测系统传感器滤波方法，包括以下步骤：

1)设定采集周期，并每周期采集一次信号得到新信号，将所述新信号存储到一个队列数值中，所述新信号存入入队尾，采用先进先出原则，舍弃原来队首的一次数据，把队列中的120个数据进行算术平均运算；

2)对步骤1)算数平均运算结果乘以预存的加权系数a，同时对新信号数据乘以权：1-a，加权平均处理平均运算结果和新信号数据得到信号值。

进一步地，所述的加权系数a采用如下方式确定：

1)在称重托盘下挂上加砝码工装，设置初始的加权系数Y1，初始加权系数Y1在范围0-1随机选取，称重系统开启旋转；

2)等待称重量曲线平稳后，读取值为X1，在工装上添加质量为m克的砝码；

3)再次等待称重量曲线平稳，读取值为X2，计算新的加权系数Y2；

Y2＝(X2-X1)/m*Y1；

4)等待称重量曲线平稳，执行步骤2)，若最终达到响应时间在1分钟以内，振幅在±5g以内，返回Y2值作为新的加权系数a；反之，返回步骤2)重新进行操作和计算。

进一步地，所述的初始的加权系数Y1为0.5。所述周期设定为，0.5秒一个周期。

本发明还包括一种蓝宝石单晶炉称重检测系统，其特征在于，包括：第一称重传感器、第二称重传感器、第一信号放大器、第二信号放大器、PLC、工控机，所述第二称重传感器的量程大于第一称重传感器，所述第一称重传感器的测量精度高于第二称重传感器，称重托盘压在第一称重传感器、第二称重传感器和辅助支点上，第一称重传感器连接第一信号放大器，第二称重传感器连接第二信号放大器，第一信号放大器和第二信号放大器分别连接到所述PLC。

进一步的，所述第一称重传感器及第二称重传感器均采用上述的传感器滤波方法。

前述的蓝宝石单晶炉称重检测系统的传感器切换方法，当晶体生长处于前期晶体重量小于第一称重传感器量程的b％时，所述PLC读取第一信号放大器信号计算晶体重量，当晶体重量生长到大于等于第一称重传感器的量程的b％时，切换到B称重传感器重量计算晶体重量。

前述的蓝宝石单晶炉称重检测系统的传感器切换方法，

当晶体生长处于前期晶体重量小于第一称重传感器量程的b％时，所述PLC读取第一信号放大器信号计算晶体重量，当晶体重量生长到大于等于第一称重传感器的量程的b％累计超过c分钟时，切换到第二称重传感器重量计算晶体重量。

前述的蓝宝石单晶炉称重检测系统的传感器切换方法，

当晶体生长处于前期晶体重量小于第一称重传感器量程的b％时，所述PLC读取第一信号放大器信号计算晶体重量，当晶体重量生长到大于等于第一称重传感器的量程的b％累计超过c分钟时，切换到第二称重传感器重量计算晶体重量，并计算切换时，第一称重传感器和第二称重传感器测得重量的差值，令第二称重传感器测得的重量值加上所述差值，返回得到晶体重量值。

称重检测系统，包括：A称重传感器、B称重传感器、A信号放大器、B信号放大器、PLC、工控机。B称重传感器的量程大于A称重传感器，A称重传感器的测量精度高于B称重传感器。

称重托盘压在A称重传感器、B称重传感器和辅助支点上，A称重传感器连接A信号放大器，B称重传感器连接B信号放大器，A信号放大器和B信号放大器连接到PLC信号采集模块，PLC中编程处理信号转换为实时压在A称重传感器和B称重传感器上的重量，但是此时的信号波动较大，进一步的采取加权递推平均滤波法。我们在进行信号采集转换时，由于外界的随机干扰，数据可能出现较大的波动，为了克服这种波动对重量造成的干扰，我们首先采用递推平均滤波法每0.5秒采集一次信号，采集1分钟共120个采样点，存储到一个队列数值中，每次采样到一个新数据放入队尾，并舍弃原来队首的一次数据，采用的是先进先出原则，把队列中的120个数据进行算术平均运算，就可获得新的滤波结果。这样获得的结果平滑度高，有效的抑制了突变，但是灵敏度较低。

为了获得较好的灵敏度，同时兼顾到平滑度，进一步的采用加权滤波。对递推平均的结果附以一定的权a，同时对新进的采样值附以权(1-a)，a的值越大结果的平滑度越高，灵敏度越低；a的值越小，灵敏度越高，平滑度越小。

进一步的确定a的值，获得较为平稳和灵敏的A称重传感器重量和B称重传感器重量。

进一步的，当晶体生长处于前期晶体重量较小时，取A称重传感器重量计算出晶体重量，当晶体重量生长到接近A称重传感器的量程上限时，此时需要切换到B称重传感器重量计算晶体重量。

进一步的当晶体重量生长到接近A称重传感器的量程上限时，由于晶体生长过程中可能存在回溶现象，造成晶体重量波动，为避免切换过程多次反复，引入计时模式，当晶体重量超过10Kg累计超过30分钟，此时再进行切换。

进一步的切换到B称重传感器时，由于A称重传感器与B称重传感器的零点不一定一致，测量转换后的A称重量和B称重量可能存在差值，为了达到无扰切换，切换时需计算差值，差值等于A称重量减去B称重量，新的晶体重量为B称重量加上差值。这样就达到了无扰动切换。

附图说明

图1是本发明实施例1的应用于蓝宝石单晶炉的称重结构电气示意图；

图2是本发明实施例1的应用于蓝宝石单晶炉的称重数据处理示意图。

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实施例。

实施例1：

由图1可见，本实例的蓝宝石单晶炉称重结构包括A称重放大器、B称重放大器、A信号放大器、B信号放大器、PLC和工控机。

其中A称重传感器为小量程传感器，B称重传感器为大量程传感器。A称重传感器的量程为0-50N，B称重传感器的量程为0-500N。由于支撑结构采用的是三支点模式，所以A称重传感器实际对应测量范围为0-15Kg，B称重传感器实际对应测量范围为0-150Kg。满足85Kg级蓝宝石单晶炉的晶体重量测量。

A信号放大器和B信号放大器型号相同，主要作用是把称重传感器输出的毫伏信号放大转换为PLC可接收的0-10V模拟量电压信号。

PLC模拟量信号采集模块接收电压信号，首先在程序中转化为实际压在称重传感器上的重量，即A称重量和B称重量。此时的重量曲线波动较大。

有图2可见，得到A称重量和B称重量后，首先分别都进行递推平均滤波处理，再进行加权滤波处理。加权系数的确定，需要通过以下步骤，A称重量和B称重量的加权系数确定过程是一样的，以A称重量为例：

1.在称重托盘下挂上加砝码工装，设置初始的加权系数Y1，加权系数的范围为0-1，一般Y1可设置为0.5。由于称重系统实际使用中称重托盘是旋转的，所以调试时开启旋转，以5转/min的速度旋转；

a)等待A称重量曲线平稳后，读取值为X1，在工装上添加m克的砝码；

b)再次等待A称重量曲线平稳，读取值为X2，计算新的加权系数Y2；

c)Y2＝(X2-X1)/m*Y1；

d)等待A称重量曲线平稳，重复步骤2，观察曲线的灵敏度和平滑度。最终达到响应时间在1分钟以内，振幅在±5g以内，返回步骤2重新进行操作和计算。

以10Kg为晶体重量的切换点，当A称重量小于10Kg时，采用A称重量作为晶体重量，这样长晶前期可以获得较高精度的晶体重量。当A称重量大于10Kg时，采用B称重量作为晶体重量。为了避免切换时晶体重量波动，切换计算时去除A称重量与B称重量的差值。

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。