半导体温控设备仿真方法及系统、振动监测方法及系统与流程

1.本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种半导体温控设备仿真方法及系统、振动监测方法及系统。


背景技术：

2.半导体温控设备内安装有压缩机、泵等振动激励源，运行时，管道、机台框架等结构受到持续的振动激励，可能引发装配松动、管道开裂等问题，严重的可能导致管道内容物泄漏，危及生产安全。
3.但半导体温控设备相比于其他被测的振动物体有以下测试难点：
①
被测管道工作温度范围大；
②
被测管道尺寸小、重量轻；
③
被测管道、压缩机等包裹有保温棉；
④
设备内部结构紧凑、可布置振动测试设备的空间小。
4.目前常用的振动测试设备可分为接触式与非接触式两大类。其中，接触式测试设备以加速度传感器为主，需要将传感器安装在被测物体上，上述特点
③
导致安装困难，而且特点
①
和
②
要求传感器工作温度范围大、自重小，将大大增加试验成本。非接触式测试设备以激光测振仪为例，不需要与被测物体接触，适用温度范围大、无附加质量，满足上述特点
①②③
的要求，但激光测振仪体积大、要求安装位置无振动，对安装与测试环境有特殊要求，不满足上述特点
④
的要求。


技术实现要素：

5.本发明提供一种半导体温控设备仿真方法及系统、振动监测方法及系统，用以解决现有技术中半导体温控设备振动监测的被测点不易安装传感器，且容易因安装问题造成成本大与监测精度不佳的缺陷，实现加速度传感器布置在温度变化小、质量大的压缩机上，能够有效避免环境温度、附加质量对测试精度的影响的效果。
6.本发明提供一种半导体温控设备仿真方法，包括：
7.获取物理样机的压缩机顶部的振动加速度数据；
8.根据振动加速度数据获得振动位移数据；
9.建立半导体温控设备的仿真模型；
10.基于仿真模型和振动位移数据进行谐响应分析，获得频响应力；
11.确定频响应力满足设定目标值要求；
12.记录振动加速度数据和仿真模型。
13.根据本发明提供的一种半导体温控设备仿真方法，还包括：
14.确定频响应力不满足设定目标值要求；
15.对仿真模型与物理样机进行优化；
16.返回所述获取物理样机的压缩机顶部的振动加速度数据的步骤。
17.根据本发明提供的一种半导体温控设备仿真方法，所述振动加速度数据包括所述物理样机的压缩机顶部的x轴方向、y轴方向和z轴方向的振动加速度，所述x轴方向与所述y
轴方向相互垂直，且均为所述物理样机的压缩机顶部与排气管道齐平的径向方向，所述z轴方向为所述物理样机的压缩机的轴向。
18.本发明还提供一种半导体温控设备半物理仿真系统，基于如上所述的半导体温控设备仿真方法，包括：
19.第一加速度传感器，用于获取物理样机的压缩机顶部的振动加速度数据；
20.第一处理模块，用于根据振动加速度数据处理获得振动位移数据；
21.第二处理模块，用于建立半导体温控设备的仿真模型；
22.分析模块，用于基于仿真模型和振动位移数据进行谐响应分析，获得频响应力；
23.第一比较模块，用于判断频响应力是否满足设定目标值要求；
24.存储模块，用于记录振动加速度数据和仿真模型。
25.本发明还提供的一种半导体温控设备振动监测方法，基于如上所述半导体温控设备半物理仿真系统，包括：
26.获取待测半导体温控设备的压缩机顶部的振动加速度数据和所述存储模块中记录的振动加速度数据；
27.确定待测半导体温控设备的压缩机顶部的振动加速度数据大于所述存储模块中记录的振动加速度数据；
28.通过所述分析模块对待测半导体温控设备的压缩机顶部的振动加速度数据进行分析，获得待测半导体温控设备的频响应力；
29.通过所述第一比较模块确定待测半导体温控设备的频响应力满足设定目标值要求；
30.确认待测半导体温控设备无振动失效风险。
31.根据本发明提供的一种半导体温控设备振动监测方法，还包括：
32.通过所述第一比较模块确定待测半导体温控设备的频响应力不满足设定目标值要求；
33.确认待测半导体温控设备有振动失效风险。
34.根据本发明提供的一种半导体温控设备振动监测方法，还包括：
35.确定待测半导体温控设备的压缩机顶部的振动加速度数据小于或等于所述存储模块中记录的振动加速度数据；
36.确认待测半导体温控设备无振动失效风险。
37.根据本发明提供的一种半导体温控设备振动监测方法，所述通过所述分析模块对待测半导体温控设备的压缩机顶部的振动加速度数据进行分析，获得待测半导体温控设备的频响应力的步骤包括：
38.根据待测半导体温控设备的压缩机顶部的振动加速度数据获取待测半导体温控设备的压缩机顶部的振动位移数据；
39.基于所述存储模块的仿真模型和待测半导体温控设备的压缩机顶部的振动位移数据进行谐响应分析，获得待测半导体温控设备的频响应力。
40.本发明还提供一种半导体温控设备振动监测系统，基于如上所述半导体温控设备振动监测方法，包括：
41.第二加速度传感器，用于获取待测半导体温控设备的压缩机顶部的振动加速度数
据；
42.数据采集模块，用于获取所述存储模块中记录的振动加速度数据；
43.第二比较模块，用于判断待测半导体温控设备的压缩机顶部的振动加速度数据是否大于所述存储模块中记录的振动加速度数据；
44.半导体温控设备半物理仿真系统，用于对待测半导体温控设备的压缩机顶部的振动加速度数据进行分析，获得待测半导体温控设备的频响应力，以及判断待测半导体温控设备的频响应力是否满足设定目标值要求；
45.第三处理模块，用于确认待测半导体温控设备是否有振动失效风险。
46.根据本发明提供的一种半导体温控设备振动监测系统，所述第二加速度传感器通过磁吸件与所述待测半导体温控设备振动的压缩机顶部连接。
47.本发明提供的半导体温控设备仿真方法，启动物理样机，运行半导体温控设备的典型工况，采集物理样机的压缩机顶部的振动加速度数据，对振动加速度数据进行处理，得到物理样机的压缩机顶部的振动位移数据，建立半导体温控设备主要结构的仿真模型，将物理样机测试得到的压缩机顶部的振动位移数据代入仿真模型，进行谐响应分析，得到当前仿真模型的频响应力，将频响应力与设定目标值进行比较评估，判断频响应力是否满足设定目标值要求，如满足设定目标值要求，则将物理样机的压缩机顶部的振动加速度数据与当前建立的仿真模型进行记录储存，此时半物理仿真系统中的仿真模型与可量产的半导体温控设备的状态一致。
48.本发明的半导体温控设备仿真方法，通过半物理仿真系统采用谐响应仿真分析方法实现，通过线性叠加快速反馈频响应力，通过物理样机配合仿真模型构建半导体温控设备激励数据库，便于后续确定半导体温控设备的振动参数即量产标准，以及基于本发明的半导体温控设备仿真方法进行的振动监测能够响应更快、监测精度更高。
49.除了上面所描述的本发明解决的技术问题、构成的技术方案的技术特征以及有这些技术方案的技术特征所带来的优点之外，本发明的其他技术特征及这些技术特征带来的优点，将结合附图作出进一步说明，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
50.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
51.图1是本发明提供的半导体温控设备仿真方法的流程示意图；
52.图2是本发明提供的半导体温控设备振动监测方法的流程示意图；
53.图3是本发明提供的半导体温控设备振动监测系统的结构示意图；
54.附图标记：
55.100：第二加速度传感器；200：压缩机；300：数据采集卡；400：远程监控设备；500：温控设备屏幕；600：仿真系统。
具体实施方式
56.下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。
57.在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
58.在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。
59.在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
60.此外，在本发明实施例的描述中，除非另有说明，“多个”、“多根”、“多组”的含义是两个或两个以上，“若干个”、“若干根”、“若干组”的含义是一个或一个以上。
61.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
62.如图1所示，本发明实施例提供的半导体温控设备仿真方法，包括：
63.s110，获取物理样机的压缩机顶部的振动加速度数据；
64.s120，根据振动加速度数据获得振动位移数据；
65.s130，建立半导体温控设备的仿真模型；
66.s140，基于仿真模型和振动位移数据进行谐响应分析，获得频响应力；
67.s150，确定频响应力满足设定目标值要求；
68.s160，记录振动加速度数据和仿真模型。
69.本发明实施例提供的半导体温控设备仿真方法，启动物理样机，运行半导体温控设备的典型工况，采集物理样机的压缩机顶部的振动加速度数据，对振动加速度数据进行处理，得到物理样机的压缩机顶部的振动位移数据，建立半导体温控设备主要结构的仿真模型，将物理样机测试得到的压缩机顶部的振动位移数据代入仿真模型，进行谐响应分析，
得到当前仿真模型的频响应力，将频响应力与设定目标值进行比较评估，判断频响应力是否满足设定目标值要求，如满足设定目标值要求，则将物理样机的压缩机顶部的振动加速度数据与当前建立的仿真模型进行记录储存，此时半物理仿真系统中的仿真模型与可量产的半导体温控设备的状态一致。
70.本发明的半导体温控设备仿真方法，通过半物理仿真系统采用谐响应仿真分析方法实现，通过线性叠加快速反馈频响应力，通过物理样机配合仿真模型构建半导体温控设备激励数据库，便于后续确定半导体温控设备的振动参数即量产标准，以及基于本发明的半导体温控设备仿真方法进行的振动监测能够响应更快、监测精度更高。
71.具体的，在步骤s130中，半导体温控设备的仿真模型包括设备结构框架及各固定支架、压缩机、管道、膨胀阀等元件。依据有限单元法对上述主要结构进行离散化，形成网格(或称单元)，并赋予单元属性与材料属性。采用连接单元模拟主要结构之间的插接、焊接、螺接等连接关系。所建立的仿真模型与半导体温控设备的物理实体具有相同的几何尺寸、质量、刚度、阻尼特性，从而在仿真分析中真实反映温控设备的振动特性。
72.在步骤s140中，谐响应分析通过给结构施加周期载荷，计算出结构在所求频率下的稳态响应，得到响应值随频率变化的曲线。本发明中，压缩机的振动位移数据即为周期载荷，以正弦波形式施加到半导体温控设备的仿真模型上，通过有限元计算，得到管道在各频率下的应力响应，即频响应力。谐响应分析的实质是求解系统的运动方程。
73.根据本发明提供的一个实施例，半导体温控设备仿真方法还包括：
74.s170，确定频响应力不满足设定目标值要求；
75.s180，对仿真模型与物理样机进行优化；
76.s190，返回获取物理样机的压缩机顶部的振动加速度数据的步骤。
77.本实施例中，将当前仿真模型的频响应力与设定目标值进行比较评估，判断频响应力是否满足设定目标值要求，如不满足设定目标值的要求，则对仿真模型与物理样机进一步优化，再重复步骤s110至s140直至获得的仿真模型的频响应力满足设定目标值的要求，再将物理样机的压缩机顶部的振动加速度数据与当前建立的仿真模型进行记录储存。由此半导体温控设备半物理仿真方法能够不断进行自身对标修正，使其仿真精度得到提高。
78.根据本发明提供的一个实施例，振动加速度数据包括物理样机的压缩机顶部的x轴方向、y轴方向和z轴方向的振动加速度，x轴方向与y轴方向相互垂直，且均为物理样机的压缩机顶部与排气管道齐平的径向方向，z轴方向为物理样机的压缩机的轴向。本实施例中，采用3个放置于压缩机顶部的加速度传感器对物理样机的压缩机激励进行监测；其中两个加速度传感器布置在压缩机顶部与排气管道平齐的径向位置，加速度传感器方向为水平设置且两个加速度传感器的方向相互垂直，以此检测压缩机顶部x轴方向和y轴方向的振动加速度，另一个加速度传感器布置在压缩机顶部中心位置，且加速度传感器的方向为压缩机的轴向，以此检测压缩机顶部z轴方向的振动加速度，由此通过3个加速度传感器的设置形成直角坐标系的监测形式。
79.本发明实施例还提供一种半导体温控设备半物理仿真系统，基于如上述实施例的半导体温控设备仿真方法，包括：
80.第一加速度传感器，用于获取物理样机的压缩机顶部的振动加速度数据；
81.第一处理模块，用于根据振动加速度数据处理获得振动位移数据；
82.第二处理模块，用于建立半导体温控设备的仿真模型；
83.分析模块，用于基于仿真模型和振动位移数据进行谐响应分析，获得频响应力；
84.第一比较模块，用于判断频响应力是否满足设定目标值要求；
85.存储模块，用于记录振动加速度数据和仿真模型。
86.本发明实施例的半导体温控设备半物理仿真系统，基于半导体温控设备半物理仿真方法组成，主要包括仿真模型与物理样机两部分。第一加速度传感器可包括三个加速度传感器，在物理样机的压缩机顶部沿水平、垂直三方向分别布置形成直角坐标系获得物理样机的压缩机顶部的振动加速度数据并将振动加速度数据发送至第一处理模块，第一处理模块获取振动加速度数据并将其处理成振动位移数据，并将振动位移数据发送至分析模块，第二处理模块建立半导体温控设备的仿真模型，并将仿真模型数据发送至分析模块，分析模块将振动位移数据输入仿真模型中进行谐响应分析，获得频响应力后将频响应力发送至第一比较模块，第一比较模块内预先设置的设定目标值要求，判断频响应力是否满足设定目标值要求，若满足则将比较结果发送至存储模块，存储模块根据比较结果记录振动加速度数据和仿真模型，若不满足则调整物理样机或仿真模型，直至满足要求。
87.本实施例中，第一处理模块、第二处理模块、分析模块、第一比较模块和存储模块可集成设置于控制器或远程监控设备中。
88.如图2所示，本发明实施例还提供的一种半导体温控设备振动监测方法，基于如上述实施例的半导体温控设备半物理仿真系统，包括：
89.s210，获取待测半导体温控设备的压缩机顶部的振动加速度数据和存储模块中记录的振动加速度数据；
90.s220，确定待测半导体温控设备的压缩机顶部的振动加速度数据大于存储模块中记录的振动加速度数据；
91.s230，通过分析模块对待测半导体温控设备的压缩机顶部的振动加速度数据进行分析，获得待测半导体温控设备的频响应力；
92.s240，通过第一比较模块确定待测半导体温控设备的频响应力满足设定目标值要求；
93.s250，确认待测半导体温控设备无振动失效风险。
94.本发明实施例的半导体温控设备振动监测方法，通过在服役机型的待测半导体温控设备上搭载的实时振动监测系统，该系统与待测半导体温控设备同步运行，可对实际运行中的待测半导体温控设备的振动加速度数据进行实时采集，并结合半导体温控设备半物理仿真系统的仿真方法，对待测半导体温控设备的振动情况进行判断评估，并及时反馈设备中的振动风险，确保设备安全平稳运行。通过物理样机的振动加速度数据对待测半导体温控设备进行振动风险的一次评估，通过半导体温控设备半物理仿真系统的仿真方法对待测半导体温控设备进行振动风险的二次评估，风险评估方法更加安全可靠。
95.判断待测半导体温控设备的压缩机顶部的振动加速度数据是否大于半导体温控设备半物理仿真系统的存储模块中记录的振动加速度数据，若是，则将待测半导体温控设备的振动加速度数据处理为振动位移数据，并传输至仿真系统，带入仿真模型进行谐响应分析，获得待测半导体温控设备的频响应力，判断待测半导体温控设备的频响应力是否满
足设定目标值要求，当满足设定目标值要求时，则确认待测半导体温控设备无振动失效风险。
96.本发明的半导体温控设备振动监测方法基于半导体温控设备半物理仿真系统，采用的谐响应分析基于稳态动力学分析，满足线性叠加原理，无需复杂的迭代运算过程，可在1分钟内反馈频响应力并完成判断评估，真正实现实时反馈的振动监测与风险评估。
97.根据本发明提供的一个实施例，半导体温控设备振动监测方法还包括：
98.s260，通过第一比较模块确定待测半导体温控设备的频响应力不满足设定目标值要求；
99.s270，确认待测半导体温控设备有振动失效风险。
100.本实施例中，判断待测半导体温控设备的频响应力是否满足设定目标值要求，当不满足设定目标值要求时，触发警报，报告服役机型存在振动失效风险。
101.根据本发明提供的一个实施例，半导体温控设备振动监测方法还包括：
102.s280，确定待测半导体温控设备的压缩机顶部的振动加速度数据小于或等于存储模块中记录的振动加速度数据；
103.s290，确认待测半导体温控设备无振动失效风险。
104.本实施例中，判断待测半导体温控设备的压缩机顶部的振动加速度数据是否大于半导体温控设备半物理仿真系统的存储模块中记录的振动加速度数据，若否，则确认待测半导体温控设备无振动失效风险。
105.根据本发明提供的一个实施例中，s230，通过分析模块对待测半导体温控设备的压缩机顶部的振动加速度数据进行分析，获得待测半导体温控设备的频响应力的步骤包括：
106.根据待测半导体温控设备的压缩机顶部的振动加速度数据获取待测半导体温控设备的压缩机顶部的振动位移数据；
107.基于存储模块的仿真模型和待测半导体温控设备的压缩机顶部的振动位移数据进行谐响应分析，获得待测半导体温控设备的频响应力。
108.本实施例中，采集待测半导体温控设备的压缩机顶部的振动加速度数据，对该振动加速度数据进行处理，得到待测半导体温控设备的压缩机顶部的振动位移数据，将待测半导体温控设备测试得到的压缩机顶部的振动位移数据代入半导体温控设备的仿真系统建立的仿真模型中，进行谐响应分析，获得当前待测半导体温控设备的频响应力。
109.本发明实施例还提供一种半导体温控设备振动监测系统，基于如上述实施例的半导体温控设备振动监测方法，包括：
110.第二加速度传感器，用于获取待测半导体温控设备的压缩机顶部的振动加速度数据；
111.数据采集模块，用于获取存储模块中记录的振动加速度数据；
112.第二比较模块，用于判断待测半导体温控设备的压缩机顶部的振动加速度数据是否大于存储模块中记录的振动加速度数据；
113.半导体温控设备半物理仿真系统，用于对待测半导体温控设备的压缩机顶部的振动加速度数据进行分析，获得待测半导体温控设备的频响应力，以及判断待测半导体温控设备的频响应力是否满足设定目标值要求；
114.第三处理模块，用于确认待测半导体温控设备是否有振动失效风险。
115.本发明实施例的半导体温控设备振动监测系统，在待测半导体温控设备搭载实时半导体温控设备振动监测系统,该系统与半导体温控设备同步运行，主要包括仿真系统和振动监测系统两部分。第二加速度传感器可包括三个加速度传感器，在待测半导体温控设备的压缩机顶部水平、垂直三方向分别布置形成直角坐标系获得待测半导体温控设备的压缩机顶部的振动加速度数据，并将振动加速度数据发送至第二比较模块，同时，数据采集模块采集半导体温控设备半物理仿真系统的存储模块中记录的振动加速度数据并将其发送至第二比较模块。
116.第二比较模块将接收到的两个振动加速度数据进行比较，若待测半导体温控设备的压缩机顶部的振动加速度数大于半导体温控设备半物理仿真系统的存储模块中记录的振动加速度数据，则将相应的待测半导体温控设备的振动加速度数据处理为振动位移数据，并将相应的振动位移数据发送至半导体温控设备半物理仿真系统的分析模块中；若半导体温控设备的压缩机顶部的振动加速度数小于或等于半导体温控设备半物理仿真系统的存储模块中记录的振动加速度数据，则将比较结果发送至第三处理模块，第三处理模块确认待测半导体温控设备为有振动失效风险。
117.分析模块将待测半导体温控设备的振动位移数据输入半导体温控设备半物理仿真系统生成的仿真模型中进行谐响应分析，获得频响应力后，将频响应力发送至半导体温控设备半物理仿真系统的第一比较模块，第一比较模块内预先设置的设定目标值要求，判断将待测半导体温控设备的频响应力是否满足设定目标值的要求，若满足则将比较结果发送至第三处理模块，第三处理模块确认待测半导体温控设备无振动失效风险，若不满足则比较结果发送至第三处理模块，第三处理模块确认待测半导体温控设备有振动失效风险。
118.本发明的半导体温控设备振动监测系统基于半导体温控设备半物理仿真系统，采用的谐响应分析基于稳态动力学分析，满足线性叠加原理，无需复杂的迭代运算过程，可在1分钟内反馈频响应力并完成评估，真正实现实时反馈的振动监测与风险评估。同时本发明的结构设备简单、成本低，采用三个加速度传感器即可实现振动监测，一方面，加速度传感器布置在温度变化小、质量大的压缩机上，能够有效避免环境温度、附加质量对测试精度的影响，另一方面，半导体温控设备半物理仿真系统能够不断进行自身对标与修正，仿真精度更高，基于半导体温控设备半物理仿真方法获得的风险评估结果也更加准确。
119.根据本发明提供的一个实施例，第二加速度传感器通过磁吸件与待测半导体温控设备振动的压缩机顶部连接。本实施例中，第二加速度传感器为3个，通过磁吸件安装在待测半导体温控设备的压缩机顶部，精度高。加速度传感器安装在压缩机上，有效避免了因管路的振动强度、粗细程度和温度变化等造成的加速度传感器安装不便和监测精度问题。
120.本实施例中，如图3所示，数据采集模块采用数据采集卡300，第二加速度传感器100设置于待测半导体温控设备的压缩机200上，并通过信号传输导线与数据采集卡300连接，数据采集卡300一方面与温控设备屏幕500连接，维护人员可通过温控设备屏幕500实时观测振动数据，另一方面可通过远程通信将振动数据传输给远程监控设备400与仿真系统600，通过仿真系统600的仿真运算进行振动风险判断评估。
121.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可
以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。