本發(fā)明涉及在線監(jiān)測與控制，是藍(lán)寶石退火爐運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測控制方法。

背景技術(shù)：

1、在藍(lán)寶石的退火過程中，隨著退火爐長期高頻運(yùn)行，退火爐內(nèi)部核心組件會因材料疲勞與元件性能衰退導(dǎo)致功能劣化：電源系統(tǒng)內(nèi)部整流器、濾波器及開關(guān)器件的非線性特性隨服役時間加劇，電容容量衰減疊加外部電磁干擾耦合，造成輸出電流和電壓平滑能力下降，引發(fā)電源穩(wěn)定性劣化，其不穩(wěn)定輸出通過電極接觸界面電場畸變干擾晶格應(yīng)力分布，導(dǎo)致退火過程中藍(lán)寶石晶格的位錯密度不可控攀升；同時對于溫度精度要求極高的藍(lán)寶石退火過程，退火爐中分布式溫控器的石英振蕩器因高溫?zé)釕?yīng)力產(chǎn)生晶格缺陷，長期老化致使時鐘信號相位噪聲增加，而傳統(tǒng)時鐘補(bǔ)償算法未融合熱場梯度動態(tài)變化參數(shù)，無法修正亞秒級時鐘偏移，造成電源與溫控數(shù)據(jù)時序失配誤差隨老化呈指數(shù)級擴(kuò)散，會導(dǎo)致退火工藝參數(shù)與晶格缺陷狀態(tài)的映射關(guān)系失效。現(xiàn)有技術(shù)缺乏針對老化效應(yīng)的動態(tài)補(bǔ)償機(jī)制，致使監(jiān)測系統(tǒng)精度隨服役周期增長持續(xù)劣化，不僅無法實(shí)現(xiàn)晶格應(yīng)力場重構(gòu)與溫控決策的協(xié)同優(yōu)化，更導(dǎo)致電極接觸不良、爐體形變等異常工況的預(yù)警滯后，嚴(yán)重制約藍(lán)寶石晶體退火質(zhì)量一致性及設(shè)備使用壽命。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對現(xiàn)有技術(shù)中，退火爐老化導(dǎo)致的電源波動、時鐘漂移及熱應(yīng)力監(jiān)測失效的問題，提出了藍(lán)寶石退火爐運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測控制方法。

2、為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明藍(lán)寶石退火爐運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測控制方法的技術(shù)方案包括如下步驟：

3、s1：采集退火爐的電源紋波數(shù)據(jù)，對電源紋波數(shù)據(jù)與進(jìn)行特征匹配處理；

4、s2：根據(jù)特征匹配結(jié)果確定分布式溫控器的時鐘補(bǔ)償策略，并根據(jù)時鐘補(bǔ)償策略獲取時鐘偏移補(bǔ)償值，通過時鐘偏移補(bǔ)償值將電源紋波數(shù)據(jù)與溫控器數(shù)據(jù)進(jìn)行時間戳同步；

5、s3：在時間戳同步完成后，重新提取退火爐電源紋波數(shù)據(jù)的諧波相位偏并計算獲取分布式溫控器的移殘余時鐘偏移，建立首輪監(jiān)測模型，對退火爐的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行首輪評估；

6、s4：對藍(lán)寶石的基底接觸應(yīng)力場進(jìn)行重構(gòu)處理，建立次輪監(jiān)測模型，將藍(lán)寶石的基底接觸應(yīng)力輸入至次輪監(jiān)測模型對退火爐的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行次輪評估；

7、s5：根據(jù)首輪評估結(jié)果和次輪評估結(jié)果動態(tài)調(diào)整退火爐的運(yùn)行狀態(tài)。

8、具體地，s1包括如下具體步驟：

9、s11：預(yù)設(shè)監(jiān)測頻率范圍，并在電源輸入端嵌入氮化鋁絕緣層聲表面波濾波器；

10、優(yōu)選地，所述氮化鋁絕緣層聲表面波濾波器可有效抑制退火爐內(nèi)加熱棒產(chǎn)生的高頻電磁噪聲，提升電源紋波數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性；

11、s12：啟動退火爐并使其進(jìn)入正常工作狀態(tài)，通過耐溫電流探頭獲取運(yùn)行中的退火爐在監(jiān)測頻率范圍的紋波電流信號；

12、s13：將采集到的紋波電流信號轉(zhuǎn)換為紋波頻譜數(shù)據(jù)，并通過濾波算法去除紋波頻譜數(shù)據(jù)中的噪聲，同時對經(jīng)過噪聲處理后的紋波頻譜數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理；

13、s14：將紋波頻譜數(shù)據(jù)劃分為多個單位紋波頻譜，在每個單位紋波頻譜中捕捉動態(tài)特征點(diǎn)，并將所述動態(tài)特征點(diǎn)導(dǎo)入波形相似指數(shù)計算策略中，根據(jù)波形相似指數(shù)對電源紋波數(shù)據(jù)與進(jìn)行特征匹配處理；

14、所述動態(tài)特征點(diǎn)包括：當(dāng)前單位紋波頻譜上升沿的最大斜率值、當(dāng)前單位紋波頻譜的紋波峰值電壓和當(dāng)前單位紋波頻譜的曲率拐點(diǎn)處的時間值；

15、優(yōu)選地，所述波形相似指數(shù)計算策略為：

16、；

17、其中，dw為波形相似指數(shù)；

18、分別為當(dāng)前單位紋波頻譜上升沿的最大斜率值、當(dāng)前單位紋波頻譜的紋波峰值電壓和當(dāng)前單位紋波頻譜的曲率拐點(diǎn)處的時間值；

19、為退火爐在上一次歷史運(yùn)行過程中，所有單位紋波頻譜上升沿的最大斜率值的平均水平；為退火爐在上一次歷史運(yùn)行過程中，所有單位紋波頻譜上升沿的最大斜率值的標(biāo)準(zhǔn)差；

20、為退火爐在上一次歷史運(yùn)行過程中，所有單位紋波頻譜的紋波峰值電壓的平均水平；為退火爐在上一次歷史運(yùn)行過程中，所有單位紋波頻譜的紋波峰值電壓的標(biāo)準(zhǔn)差；

21、為退火爐在上一次歷史運(yùn)行過程中，所有單位紋波頻譜的曲率拐點(diǎn)處的時間值的平均值；為退火爐在上一次歷史運(yùn)行過程中，所有的曲率拐點(diǎn)處的時間值的標(biāo)準(zhǔn)差；

22、分別為斜率權(quán)重、幅值權(quán)重以及時間權(quán)重；

23、s15：預(yù)設(shè)相似偏離基線值，并通過指數(shù)平滑法動態(tài)更新相似偏離基線值，當(dāng)單位紋波頻譜的波形相似指數(shù)大于相似偏離基線值時，標(biāo)記當(dāng)前單位紋波頻譜為紋波特征異常。

24、具體地，所述時鐘補(bǔ)償策略包括：提取每個單位紋波頻譜特征匹配結(jié)果，當(dāng)未監(jiān)測到紋波特征異常標(biāo)記或紋波異常特征標(biāo)記的單位紋波頻譜不連續(xù)時，執(zhí)行第一時鐘補(bǔ)償策略；

25、當(dāng)監(jiān)測到連續(xù)兩個單位紋波頻譜均被標(biāo)記為紋波特征異常時，執(zhí)行第二時鐘補(bǔ)償策略。

26、具體地，所述第一時鐘補(bǔ)償策略具體為：

27、a1：設(shè)置紅外測溫矩陣，讀取退火爐的32點(diǎn)紅外測溫數(shù)據(jù)，根據(jù)32點(diǎn)紅外測溫數(shù)據(jù)計算獲取徑向溫度梯度；

28、a2：通過溫度梯度識別策略，識別退火爐的最大溫度梯度區(qū)域；

29、優(yōu)選地，所述溫度梯度識別策略具體為：

30、，其中，r為徑向坐標(biāo)，；

31、a3：每隔2ms讀取一次退火爐的溫場梯度，提取最大溫度梯度區(qū)域，計算各個分布式溫控器時鐘的第一偏移補(bǔ)償值；

32、優(yōu)選地，所述第一偏移補(bǔ)償值的計算策略為：，其中，為第一偏移補(bǔ)償值，k為第一比例系數(shù)，，分別為藍(lán)寶石晶體的實(shí)際生長速率和標(biāo)稱生長速率；

33、需要說明的是，熱應(yīng)力導(dǎo)致藍(lán)寶石晶格產(chǎn)生畸變效應(yīng)，從而導(dǎo)致晶體諧振器頻率偏移，最終造成時鐘累積誤差；

34、每1℃溫場梯度導(dǎo)致藍(lán)寶石晶格振動頻率偏移0.02ppm；

35、藍(lán)寶石晶格振動頻率偏移與時鐘誤差呈線性關(guān)系，考慮到結(jié)合生長速率對熱應(yīng)力積累的影響，故引入修正項；

36、a4：根據(jù)第一偏移補(bǔ)償值每秒執(zhí)行500次時間戳修正處理，具體為：；

37、其中，分別為通過第一偏移補(bǔ)償值修正前和修正后的時鐘時間戳；為符號函數(shù)。

38、需要說明的是，符號函數(shù)體現(xiàn)熱梯度方向?qū)r鐘漂移的影響，升溫區(qū)時鐘加快，降溫區(qū)時鐘減慢；

39、具體地，所述第二時鐘補(bǔ)償策略具體為：

40、b1：將所有分布式溫控器在系統(tǒng)中進(jìn)行注冊，為每個設(shè)備分配唯一的設(shè)備標(biāo)識符，同時將每個設(shè)備的lamport邏輯時鐘初始化為0，其中，i表示設(shè)備的設(shè)備標(biāo)識符；

41、b2：周期性的采集每個溫控器的溫度數(shù)據(jù)te，并計算每個溫控器的溫度變化率導(dǎo)數(shù)；

42、b3：在每個通訊報文中嵌入當(dāng)前設(shè)備的lamport邏輯時鐘值、溫度變化率導(dǎo)數(shù)以及設(shè)備標(biāo)識符；

43、b4：溫控器設(shè)備按照預(yù)設(shè)的時間間隔將生成的報文發(fā)送給其他相關(guān)設(shè)備，同時每個設(shè)備接收來自其他設(shè)備的報文，并記錄接收時間；

44、b5：當(dāng)設(shè)備標(biāo)識符為i的設(shè)備接收到來自設(shè)備標(biāo)識符為j的設(shè)備發(fā)送的報文時，執(zhí)行l(wèi)amport邏輯時鐘更新處理，具體為：，其中，為設(shè)備標(biāo)識符為i的設(shè)備更新后的邏輯時鐘值；是報文中攜帶的設(shè)備標(biāo)識符為j的設(shè)備的lamport邏輯時鐘值；

45、b6：當(dāng)每個設(shè)備接收到除自身以外的所有設(shè)備發(fā)送的報文后，對所有接收到的報文的溫度變化率導(dǎo)數(shù)進(jìn)行一致性驗(yàn)證，具體包括：計算所有接收到的報文的溫度變化率導(dǎo)數(shù)的平均值，根據(jù)平均值計算每個接收到的報文的溫度變化率導(dǎo)數(shù)與平均值的偏差值；

46、b7：通過最小二乘法，根據(jù)多個設(shè)備的偏差值評估獲取第二比例系數(shù)h，根據(jù)第二比例系數(shù)，計算第二偏移補(bǔ)償值，其中，為設(shè)備標(biāo)識符為i的設(shè)備的第二偏移補(bǔ)償值；

47、優(yōu)選地，所述第二偏移補(bǔ)償值的計算策略：；

48、b8：計算每個設(shè)備根的第二偏移補(bǔ)償值，并動態(tài)更新每個設(shè)備的溫度數(shù)據(jù)的時間戳，具體為：，其中，分別為根據(jù)第二偏移補(bǔ)償值動態(tài)更新前和動態(tài)更新后的時間戳。

49、具體地，s3包括如下具體步驟：

50、s31：在時間戳同步完成后，重新提取退火爐標(biāo)記為紋波特征異常的電源紋波數(shù)據(jù)的諧波相位偏均值、諧波頻率均值以及諧波電流；

51、s32：計算獲取分布式溫控器的移殘余時鐘偏移，建立首輪監(jiān)測模型，對退火爐的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行首輪評估；

52、優(yōu)選地，所述移殘余時鐘偏移通過聲子群速度溫度依賴性來計算，具體為：；

53、為殘余時鐘偏移，需要說明的是，分布式溫控器間的時鐘同步存在殘余誤差，即經(jīng)過時鐘補(bǔ)償算法處理后仍存在的微小時間偏移量；

54、為加熱器長度；為聲子群速度關(guān)于溫度的函數(shù)，描述了聲子在晶體中集體運(yùn)動的速度，與藍(lán)寶石晶體的晶格振動和熱傳導(dǎo)密切相關(guān)；

55、為聲子群速度隨溫度的變化率；

56、為溫度變化量，反映了系統(tǒng)中溫度的改變情況，溫度變化會導(dǎo)致聲子群速度發(fā)生變化，進(jìn)而引起時鐘偏移；

57、需要說明的是，作為獨(dú)立參數(shù)反映時間同步系統(tǒng)的健康狀態(tài)；其異常增長會早于hit的超閾，可以在首輪評估中起到早期預(yù)警作用；在多參數(shù)監(jiān)控體系中，提供時間維度異常的直接證據(jù)，而hit反映多物理場耦合的綜合效應(yīng)。

58、所述首輪監(jiān)測模型包括：應(yīng)力影響評估層、抗沖擊能力評估層和首輪控制協(xié)議觸發(fā)層；

59、將諧波相位偏移均值及移殘余時鐘偏移導(dǎo)入應(yīng)力影響評估層，輸出評估結(jié)果，具體為：；

60、表示與晶體監(jiān)測方向相關(guān)的載流子遷移率，優(yōu)選地，所述晶體監(jiān)測方向?yàn)閇0001]方向，描述了在該方向上載流子在電場作用下的遷移能力；為熱應(yīng)變速率；為轉(zhuǎn)換系數(shù)；

61、需要說明的是，應(yīng)力影響評估層用于評估應(yīng)力變化率引發(fā)的熱擴(kuò)散效應(yīng)；

62、獲取藍(lán)寶石晶體邊緣溫度和藍(lán)寶石晶體中心溫度導(dǎo)入抗沖擊能力評估層，輸出評估結(jié)果具體為：；為失效臨界系數(shù)；為藍(lán)寶石晶體的熱阻系數(shù)；為藍(lán)寶石晶體在垂直方向上的熱導(dǎo)率；

63、分別為藍(lán)寶石晶體邊緣溫度和藍(lán)寶石晶體中心溫度；

64、的差值表示晶體邊緣與中心的溫度梯度，需要說明的是溫度梯度反映了晶體生長環(huán)境中溫度分布的不均勻性；

65、所述首輪控制協(xié)議觸發(fā)層的觸發(fā)策略具體為：當(dāng)應(yīng)力影響評估層的輸出結(jié)果大于抗沖擊能力評估層的輸出結(jié)果時，輸出退火爐的運(yùn)行狀態(tài)異常，觸發(fā)藍(lán)寶石晶格的紅色緊急搶救協(xié)議；

66、優(yōu)選地，藍(lán)寶石晶格的紅色緊急搶救協(xié)議包括：立即停機(jī)啟動應(yīng)急檢查。

67、當(dāng)應(yīng)力影響評估層的輸出結(jié)果小于或等于抗沖擊能力評估層的輸出結(jié)果時，進(jìn)入次輪監(jiān)測模型。

68、具體地，s4中，所述藍(lán)寶石的基底接觸應(yīng)力場的重構(gòu)具體為：

69、；

70、為基底接觸應(yīng)力；為壓電常數(shù)；分別為真空介電常數(shù)和藍(lán)寶石相對介電常數(shù)；a為電極面積。

71、具體地，s4中，所述次輪監(jiān)測模型包括：

72、計算獲取藍(lán)寶石的退火健康指數(shù)hit，設(shè)置第一級退火健康閾值及第二級退火健康閾值，其中，；

73、將藍(lán)寶石的退火健康指數(shù)與第一級退火健康閾值進(jìn)行比較，當(dāng)藍(lán)寶石的退火健康指數(shù)大于或等于第一級退火健康閾值時，觸發(fā)橙色搶救協(xié)議；

74、優(yōu)選地，所述觸發(fā)橙色搶救協(xié)議包括：對退火爐進(jìn)行限載運(yùn)行，并在72小時內(nèi)進(jìn)行退火爐老化程度專項檢測；

75、當(dāng)藍(lán)寶石的退火健康指數(shù)小于第一級退火健康閾值且大于或等于第二級退火健康閾值時，觸發(fā)黃色搶救協(xié)議；

76、當(dāng)藍(lán)寶石的退火健康指數(shù)小于第二級退火健康閾值時，輸出退火爐運(yùn)行狀態(tài)正常。

77、優(yōu)選地，所述藍(lán)寶石的退火健康指數(shù)hit的計算策略具體為：

78、

79、其中，為電極接觸應(yīng)力的變化率，表示電極接觸應(yīng)力隨時間的變化快慢，反映了電極接觸狀態(tài)的動態(tài)變化情況；

80、為聲子群速度對溫度的二階導(dǎo)數(shù)，體現(xiàn)了聲子群速度隨溫度變化的非線性特性；

81、分別為退火健康指數(shù)的評估開始時間和結(jié)束時間。

82、具體地，所述黃色搶救協(xié)議包括：所述黃色搶救協(xié)議包括：開啟圍繞退火爐中支撐架均勻布置的環(huán)狀多點(diǎn)噴嘴，將注入氣體總流量設(shè)置為爐腔有效容積的0.15倍，同時將支撐架頂部與退火爐底部的氣體流量比設(shè)定為3：1，抑制熱氣流上升導(dǎo)致的濃度梯度，維持環(huán)狀多點(diǎn)噴嘴出口壓力在0.2-0.3mpa的范圍內(nèi)向退火爐中均勻的分層注入ar與氫氣的混合氣體；其中，所述環(huán)狀多點(diǎn)噴嘴共12組，覆蓋退火爐基底支撐架軸向全范圍。

83、需要說明的是，所述首輪評估針對于藍(lán)寶石的突發(fā)性損傷，如晶格斷裂，進(jìn)行實(shí)時預(yù)警；

84、所述次輪評估用于識別由于退火爐老化，電極電阻增大，電流不均勻?qū)е峦嘶馉t中熱動場不均勻，對藍(lán)寶石造成的累積損傷，基于72小時滑動窗口計算，可以量化動態(tài)應(yīng)力與藍(lán)寶石晶格振動非線性的耦合強(qiáng)度，進(jìn)行長期健康評估預(yù)警；

85、需要說明的是，首輪評估和次輪評估的雙通道監(jiān)測機(jī)制避免單一指標(biāo)誤判，例如退火爐短暫超限但hit正常。

86、一種存儲介質(zhì)，所述存儲介質(zhì)中存儲有指令，當(dāng)計算機(jī)讀取所述指令時，使所述計算機(jī)執(zhí)行所述的藍(lán)寶石退火爐運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測控制方法。

87、一種電子設(shè)備，包括存儲器、處理器以及存儲在存儲器上并可在處理器上運(yùn)行的計算機(jī)程序，所述處理器執(zhí)行所述計算機(jī)程序時實(shí)現(xiàn)上述的藍(lán)寶石退火爐運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測控制方法。

88、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的技術(shù)效果如下：

89、本發(fā)明針對電源系統(tǒng)老化引發(fā)的輸出波動問題，基于多頻段特征庫構(gòu)建動態(tài)補(bǔ)償算法，通過實(shí)時解析整流器非線性特性和電容衰減狀態(tài)，結(jié)合接觸應(yīng)力-電場畸變耦合模型（補(bǔ)償精度±0.02v），將電源輸出穩(wěn)定性控制在±0.05%以內(nèi)，有效抑制因元件疲勞導(dǎo)致的電流和電壓畸變，消除晶格應(yīng)力生成過程的電場干擾，確保藍(lán)寶石晶格應(yīng)力生成過程的電場均勻性，同時，本發(fā)明針對溫控器老化引發(fā)的時鐘漂移累積，設(shè)計熱場梯度動態(tài)補(bǔ)償算法，通過32點(diǎn)紅外測溫數(shù)據(jù)實(shí)時解析爐體形變導(dǎo)致的熱擴(kuò)散率差異，并引入聲表面波時延校準(zhǔn)，使時鐘偏移補(bǔ)償精度提升，解決傳統(tǒng)方案因忽略熱場動態(tài)變化導(dǎo)致的時序失配問題。