CN109829638A - 一种基于图像的埚位控制装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于图像的埚位控制装置，包括视频监控设备、导流筒和控制器，视频监控设备设于导流筒的上部，导流筒下边缘的倒影位于视频监控设备中，视频监控设备与控制器电连接。本发明的有益效果是通过监控导流筒下边缘和导流筒下边缘在硅熔液中的倒影来实现单晶生长过程中埚位恒定，能够保证固液界面稳定，温度梯度稳定，保证了成晶率和晶体生长速率，提高单晶质量，降低异常事故。

Description

一种基于图像的埚位控制装置和方法

技术领域

本发明属于太阳能直拉硅单晶生产技术领域，尤其是涉及一种基于图像的埚位控制装置和方法。

背景技术

在直拉单晶生长过程中，为了硅晶体能够稳定生长，在硅单晶提拉的过程中，硅熔液液位，即埚位需要保持恒定。目前通过设置埚跟比参数来实现埚位控制，埚跟比＝坩埚上升的速度/单晶上升的速度(设置原理：单位时间内拉出的晶体体积＝坩埚上升的溶体体积)，埚跟比在工艺参数中的设定是通过提前测算进行设置的。坩埚上升的速度＝当时单晶的生长速率*埚跟比，也就是正常情况下不管单晶直径大小，坩埚上升的速率是一定的。即单位时间内拉出的晶体体积不管多与少，但是坩埚上升的溶体体积是一定的。

在实际生产过程中，硅晶体的直径大小和石英坩埚的大小以及石墨坩埚大小都会影响埚位的稳定。埚位低时，溶体会靠近加热器高温区，导致纵向温度梯度变小，影响成晶率，影响单晶品质。因此埚位低时易造成单晶细、扭等情况。埚位高时气流不畅易造成单晶晃动，甚至喷硅等异常事故。

发明内容

鉴于上述问题，本发明要解决的问题是提供一种基于图像的埚位控制装置和方法，尤其适合直拉单晶生长过程中使用，通过监控导流筒下边缘和导流筒下边缘在硅熔液中的倒影来实现单晶生长过程中埚位恒定，能够保证固液界面稳定，温度梯度稳定，保证了成晶率和晶体生长速率，提高单晶质量，降低异常事故。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种基于图像的埚位控制装置，包括视频监控设备、导流筒和控制器，视频监控设备设于导流筒的上部，导流筒下边缘的倒影位于视频监控设备中，视频监控设备与控制器电连接。

进一步的，视频监控设备为CCD工业相机。

一种基于图像的埚位控制方法，：通过视频监控设备监控导流筒下边缘与导流筒下边缘的倒影之间的距离，进行埚位控制。

根进一步的，视频监控设备为CCD工业相机。

进一步的，视频监控设备监控导流筒下边缘与导流筒下边缘的倒影之间的距离的方法，包括以下步骤：

s1：在视频监控设备的视窗中设置信号捕捉点；

s2：在控制器的控制系统中设置信号捕捉点之间的距离；

s3：通过自校正PID闭环控制，控制单晶生长过程中信号点之间的距离保持不变。

进一步的，信号捕捉点的数量至少为两个，分别设于视频监控设备的视窗中的导流筒的下边缘与导流筒下边缘的倒影上。

进一步的，信号捕捉点通过图像的亮度和对比度自动扫描计算所得。

进一步的，步骤s2中的信号捕捉点之间的距离通过信号捕捉点之间的像素值与系数相乘所得。

进一步的，系数为1-4。

进一步的，步骤s3中的自校正PID闭环控制通过信号捕捉点的实际距离值与设定值对比，控制系统根据对比差值控制埚位上升。

本发明具有的优点和积极效果是：

1.由于采用上述技术方案，在直拉单晶生长过程中，通过监控导流筒下边缘和导流筒下边缘在硅熔液中的倒影来实现单晶生长过程中埚位恒定，能够保证固液界面稳定，温度梯度稳定，保证了成晶率和晶体生长速率，提高单晶质量，降低异常事故；

2.采用CCD工业相机与控制系统相配合，在直拉单晶生长过程中，CCD工业相机能够时时监控导流筒下边缘与导流筒下边缘的倒影之间的距离，根据该距离来控制埚位，防止拉晶过程中埚位低时温度轴向温度梯度变低，单晶变形扭曲，同时能够防止拉晶过程中埚位变高，单晶晃动，甚至出现喷硅等事故，能够防止拉晶过程中埚位变低时造成单晶直径变细，防止拉晶过程中埚位变高，造成单晶直径变粗；

3.采用上述技术方案，能够时时保持埚位一致，能够提高单晶质量，氧含量一致性变高，提高单晶生长速率，能够减少频繁校正直径，埚位一致，单晶收尾时可以参考上炉次埚位启动收尾，提高埚底料的一致性，降低埚底料损失，保证温度稳定，可以提高成晶率。

附图说明

图1是本发明的一实施例的CCD视窗示意图。

图中：

1、信号扫描点 2、导流筒下边缘倒影 3、导流筒

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。

图1示出了本发明的一实施例的结构，具体示出了该实施例中的视频监控设备的视窗的示意图，本实施例涉及一种基于图像的埚位控制装置和方法，应用于直拉单晶生长过程中使用，应用CCD工业相机与控制系统配合使用，对直拉单晶生长过程中对导流筒下边缘和导流筒下边缘在硅熔液中的倒影进行监控，来实现单晶生长过程中埚位恒定，使得单晶生长过程中固液界面稳定，温度梯度稳定，保证了成晶率和晶体生长速率，提高了单晶质量，降低异常事故。

具体地，上述的基于图像的埚位控制装置，包括视频监控设备、导流筒3和控制器，视频监控设备设于导流筒3的上部，视频监控设备用于时时监控导流筒下边缘和导流筒下边缘的倒影2之间的距离，视频监控设备位于导流筒3的上部，可以安装在导流筒3的上部，也可以安装在直拉单晶设备的上部，只要保证视频监控设备位于导流筒3的上部即可，保证视频监控设备能够时时对导流筒3下边缘和导流筒下边缘的倒影2之间的距离的监控，且视频监控设备位于导流筒3的正上方，位于导流筒3的中心线上，使得导流筒3的下边缘完全在视频监控设备的视窗中，便于操作人员通过视频监控设备的视窗能够时时测量导流筒3下边缘和导流筒下边缘的倒影2之间的距离；导流筒下边缘的倒影2位于视频监控设备中，视频监控设备与控制器电连接，视频监控设备时时将监控画面传递给控制器，在控制器的控制系统中计算导流筒3下边缘和导流筒下边缘的倒影2之间的距离，并时时监测导流筒3下边缘与导流筒下边缘的倒影2实际距离值，通过实际距离值与设定值之间的对比，时时控制埚位的位置，保证单晶生长过程中埚位的一致。

这里，视频监控设备优选为CCD工业相机，CCD是机器视觉最为常用的图像传感器，它集光电转换及电荷存贮、电荷转移、信号读取于一体，是固体成像器件，CCD是以电荷作为信号。CCD通过光电转换形成电荷包，而后在驱动脉冲的作用下转移、放大输出图像信号。CCD相机由光学镜头、时序及同步信号发生器、垂直驱动器、模拟/数字信号处理电路组成。CCD作为一种功能器件，具有无灼伤、无滞后、低电压工作、低功耗等优点。所以，应用CCD进行导流筒3下边缘与导流筒下边缘在硅溶液中的倒影之间的距离的监控，能够时时清楚高效的检测两者之间的距离值，使用方便快捷准确。

这里控制器可以是PLC控制器，或者是CPU，或者是其他控制器，根据实际需求进行选择，优选的，这里控制器为PLC控制器，控制器内有预设好的程序，并存储有导流筒3下边缘与导流筒下边缘的倒影2的预设值，该控制分别与视频监控设备和直拉单晶系统连接，视频监控设备将时时监测的导流筒下边缘与导流筒下边缘的倒影之间距离的实际值与预设值进行对比，控制系统根据该对比结果控制坩埚的上升速度和单晶的上升速度，使得埚位与预设值相一致，保证直拉单晶生长过程中埚位固定，使固液界面稳定，温度梯度稳定，保证了成晶率和晶体生长速率，并且可以提高单晶质量，降低异常事故。

应用基于图像的埚位控制装置进行埚位控制方法，通过视频监控设备监控导流筒下边缘与导流筒下边缘的倒影之间的距离，进行埚位控制，保持单晶生长过程中埚位一致。这里，视频监控设备优选为CCD工业相机。具体地，该基于图像的埚位控制方法，包括以下步骤：

s1：在视频监控设备的视窗中设置信号捕捉点1；即在CCD工业相机的视窗中，设置信号捕捉点1，CCD工业相机在工作时，视窗中出现如图1所示的界面，在视窗中，具有导流筒3的横截面，同时具有导流筒下边缘的倒影2，且导流筒下边缘与导流筒下边缘的倒影2的两端相交，导流筒下边缘的倒影2与导流筒3的下边缘不相交的部位具有一定的距离。这里，信号捕捉点1的数量至少为两个，分别设于视频监控设备的视窗中的导流筒3的下边缘与导流筒下边缘的倒影2上，在本实施例中，以两个信号捕捉点为例进行说明，两个信号捕捉点分别设置在导流筒3下边缘和导流筒下边缘的倒影2上。这里信号捕捉点1的位置通过图像的亮度和对比度自动扫描计算所得，在CCD采集的图像中，导流筒、导流筒在硅熔液中的倒影、硅熔液，三个图像像素不同，在导流筒与其倒影图像之间有明显的分界线，其倒影和硅熔液图像之间也有明显的分界线，因此信号可以容易捕捉到两个分界线，并计算其距离。

s2：在控制器的控制系统中设置信号捕捉点之间的距离；即在控制系统中设定两个信号捕捉点1之间的距离值，该距离值通过两个信号捕捉点之间的像素值与系数相乘所得，像素值根据所选择的CCD工业相机的类型进行选择，这里系数为1-4，优选的，该系数为2，通过大量的实验数据得出，两个分界线之间的像素值与实际导流筒下沿距离硅熔液液面的距离值，比值在2左右。

s3：通过自校正PID闭环控制，控制单晶生长过程中信号点之间的距离保持不变；即自校正PID闭环控制通过信号捕捉点1的实际距离值与设定值对比，控制系统根据对比差值控制埚位上升。具体地，自校正PID闭环控制根据时时测量的两个信号捕捉点1之间的实际距离值与设定的两个信号捕捉点1之间的设定的距离值之间的对比，使得单晶生长过程中两个信号捕捉点1之间的实际距离值时时保持一致，从而保证埚位一致。若两个信号捕捉点1之间的实际距离值与两个信号捕捉点1的设定的距离值对比有差值，控制系统控制埚位按照一定的速率时时自动上升，使得两点之间的距离保持一致，保证埚位一致。这里控制系统控制埚位时时自动上升的速率是在原有埚升速度的基础上进行埚升速度调节，如果测量的距离值与目标设定值有差异，埚升速度在原有埚升速度的基础上增加或减少10％，进而进行调节，直到测量距离值与目标设定值相符。

自校正PID闭环控制能够自动辨识被控过程参数、自动整定控制器参数、能够适应被控过程参数的变化，具有常规PID控制器结构简单、Robust性好，可靠性高，为现场工作人员和设计工程师们所熟悉。自校正PID闭环控制为过程控制的一种较理想的自动化装置。

本发明具有的优点和积极效果是：由于采用上述技术方案，在直拉单晶生长过程中，通过监控导流筒下边缘和导流筒下边缘在硅熔液中的倒影来实现单晶生长过程中埚位恒定，能够保证固液界面稳定，温度梯度稳定，保证了成晶率和晶体生长速率，提高单晶质量，降低异常事故；采用CCD工业相机与控制系统相配合，在直拉单晶生长过程中，CCD工业相机能够时时监控导流筒下边缘与导流筒下边缘的倒影之间的距离，根据该距离来控制埚位，防止拉晶过程中埚位低时温度轴向温度梯度变低，单晶变形扭曲，同时能够防止拉晶过程中埚位变高，单晶晃动，甚至出现喷硅等事故，能够防止拉晶过程中埚位变低时造成单晶直径变细，防止拉晶过程中埚位变高，造成单晶直径变粗；采用上述技术方案，能够时时保持埚位一致，能够提高单晶质量，氧含量一致性变高，提高单晶生长速率，能够减少频繁校正直径，埚位一致，单晶收尾时可以参考上炉次埚位启动收尾，提高埚底料的一致性，降低埚底料损失，保证温度稳定，可以提高成晶率。

以上对本发明的一个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims (10)

1.一种基于图像的埚位控制装置，其特征在于：包括视频监控设备、导流筒和控制器，所述视频监控设备设于所述导流筒的上部，所述导流筒下边缘的倒影位于所述视频监控设备中，所述视频监控设备与所述控制器电连接。

2.根据权利要求1所述的基于图像的埚位控制装置，其特征在于：所述视频监控设备为CCD工业相机。

3.一种基于图像的埚位控制方法，其特征在于：通过视频监控设备监控导流筒下边缘与导流筒下边缘的倒影之间的距离，进行埚位控制。

4.根据权利要求3所述的基于图像的埚位控制方法，其特征在于：所述视频监控设备为CCD工业相机。

5.根据权利要求3或4所述的基于图像的埚位控制方法，其特征在于：所述视频监控设备监控所述导流筒下边缘与所述导流筒下边缘的倒影之间的距离的方法，包括以下步骤：

s1：在所述视频监控设备的视窗中设置信号捕捉点；

s2：在控制器的控制系统中设置所述信号捕捉点之间的距离；

s3：通过自校正PID闭环控制，控制单晶生长过程中所述信号点之间的距离保持不变。

6.根据权利要求5所述的基于图像的埚位控制方法，其特征在于：所述信号捕捉点的数量至少为两个，分别设于所述视频监控设备的视窗中的所述导流筒的下边缘与所述导流筒下边缘的倒影上。

7.根据权利要求6所述的基于图像的埚位控制方法，其特征在于：所述信号捕捉点通过图像的亮度和对比度自动扫描计算所得。

8.根据权利要求6或7所述的基于图像的埚位控制方法，其特征在于：所述步骤s2中的所述信号捕捉点之间的距离通过所述信号捕捉点之间的像素值与系数相乘所得。

9.根据权利要求8所述的基于图像的埚位控制方法，其特征在于：所述系数为1-4。

10.根据权利要求9所述的基于图像的埚位控制方法，其特征在于：所述步骤s3中的所述自校正PID闭环控制通过所述信号捕捉点的实际距离值与设定值对比，所述控制系统根据对比差值控制埚位上升。