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远红外辐射技术测量虾上冰的厚度
发布时间:2021-10-28 18:56:33 阅读:235

来源:Henrik Bendix,丹麦技术大学;电子科技大学红外毫米波与太赫兹研究院 张美玥 编译

来源:Bax Lindhardt

    丹麦技术大学(DTU)和皇家格陵兰公司(Royal Greenland)合作开发了一项新技术,可以测量冻虾的冰衣厚度。知道冰衣厚度是很重要的,这样虾才能保持新鲜,消费者才能得到正确数量的虾。该解决方案是基于太赫兹波的,这项技术可用于测量大量材料的厚度。

    你如何测量蛋壳、道路条纹或虾上冰衣的厚度?Simon Lehnskov Lange知道怎么做,他是丹麦技术大学光子工程学院(DTU Fotonik)的博士后,领导着一个研究团队,正在开发一种小巧而廉价的设备,用于快速有效地测量各种材料的厚度。

    这个想法是利用一种被称为太赫兹辐射的特定类型的电磁波。这种辐射可以穿透许多不同的物质,在两种不同材料之间的过渡处,部分辐射被反射并形成一个小的回波。通过测量回波,研究人员可以非常精确地确定材料的厚度。

    2017年,Simon Lehnskov Lange与来自DTU Food的人们交谈,他们得知皇家格陵兰公司需要一种快速且智能的方法来测量包冰虾的冰层厚度。

    在皇家格陵兰公司,工艺开发人员 Niels Bøknæs 解释了为什么确保冻虾上有一层均匀的冰很重要:

    “镀冰衣能使虾免于腐败变质,即避免干燥和不希望的化学变化。只要虾是冷冻的,就不用太担心食品安全,这时需要重视的是质量问题。冰封延长了虾的保质期,因为没有冰封,虾就会变干,味道也不太好。”

    “我们用喷嘴把水喷在深冻的虾上,以此来给其镀冰衣。我们已经发现10%到12%的水能很好地覆盖虾。但在工业镀冰的过程中,镀冰的工艺参数有所不同。也许水喷嘴里的水有些过热或过冷,这可能会稍微改变冻虾的大小。这意味着冰衣厚度不是完全恒定的,在实际生产中控制镀冰量确实是一个挑战。”Niels Bøknæs说。

    冰的重量不能包括在内

    镀冰的食品通常按重量出售,此处不得包括冰重。如果消费者购买了一袋200克的冷冻大虾,那么他得到的冰衣融化后的解冻虾重量至少需达到200克。由于技术原因,人们只在镀冰后对虾进行称重,然而,对制造商来说,知道冰的准确使用量是很重要的。否则,消费者会得到过多或过少的虾。

    现在,皇家格陵兰用一种耗时又不实用的方法手动检查镀冰的比例。该公司更希望有一个连续测量冰衣厚度的系统,允许自动实时地调整镀冰操作。如果用了太多冰,可以把水喷嘴稍微调低一点,反之亦然。皇家格陵兰在格陵兰岛和加拿大有5家大型虾工厂,每家每天可以接收80吨生虾,并将它们加工成27吨冷冻去壳虾。因此,如果能够做到精确测量,就可以节省大量资金。

    在这方面,来自DTU Fotonik的研究人员或许能够帮助皇家格陵兰。

    “我们进行了一个小型试点项目,我们给一些虾镀了冰衣,然后发现我们能够测量冰的厚度,通常在半毫米到一毫米之间,”Simon Lehnskov Lange说道,然后继续讲:

    “所以我们同意进行更大规模的试验。我们把系统带到了皇家格陵兰在奥尔堡(Aalborg)的工厂,在那里我们验证了这项技术,并证明我们可以对所有大小和类型的虾进行测量——在这样的工厂的普遍条件下也是可行的,例如在非常冷的条件下。我们现在正在为测量食物上的冰衣厚度的方法申请专利,”Simon Lehnskov Lange在谈到这项名为“釉冰”(GLAZE)的研究项目的结果时说。

    主要关注食物

    测量虾表面的冰厚度只是这项技术的一种可能应用。太赫兹辐射被金属、液态水和水蒸气阻挡,但它可以穿透大量材料并测量其厚度。因此,该技术也可被用于许多不同的行业,例如对表面处理质量的连续控制。但首先,必须开发该技术,使公司能够负担得起。

    如果他们成功地开发出一种价格友好的系统,能够以每秒数次的速度测量从传送带上经过的虾的冰层厚度,皇家格陵兰公司就一定会成为它的客户,然后其他生产商也会跟着做。 Simon Lehnskov Lange希望:

    “我们最初关注的是食品检查,现在我们已经开始研究其它用途,例如测量蛋壳的厚度。”

    一个厚厚的蛋壳意味着这个鸡蛋是坚实的,它可以承受整段运输旅程,直至被送到消费者那里,或者可以保护胚胎直到小鸡被孵化出来。许多蛋都是因为壳太薄而损失了。

    传统上,鸡蛋生产商是通过敲碎鸡蛋并用千分尺螺丝来测量蛋壳的厚度的。还有一些方法,你不必浪费鸡蛋,而是使用声学方法测量蛋壳厚度。你可以用敲打鸡蛋并测量其共振频率的方式来测量蛋壳厚度,或者你可以用超声波来进行更直接的测量。

    但是,这些测量方法需要与鸡蛋的直接接触,耗时且繁琐。借助太赫兹辐射,你可以获得更快的高科技解决方案,无需测量仪器和鸡蛋之间的直接接触。

    价格必须降低

    Simon Lehnskov Lange表示,DTU的技术还需要一段时间才能准备好上市。

    Simon Lehnskov Lange说:“我们一开始的系统耗资150万丹麦克朗。如果我们要在食品工业中使用这项技术,那么我们的太赫兹系统的价格必须降低很多。因此,我们考虑是否能生产出一种更便宜的版本,将最昂贵的组件用基于知名半导体技术的更便宜的版本替代,”他详细阐述道:

    “我们现在正在开发一个规模小得多的示范模型,如果我们能批量生产这项技术,就能使公司盈利。我们希望到2021年底能准备好这样一个模型进行测试。”

    在开发更便宜、更小巧的版本的过程中,研究人员得到了 FORCE Technology公司的帮助,其中应用光子学中心的作用包括确保丹麦基于光子学的技术的商业化。

    Simon Lehnskov Lange还记得在FORCE Technology的第一次会议,在他听到太赫兹测量的想法后,那给了他一个挑战,即测量道路条纹的厚度:

    “我带了一段道路样本回家,上面布满了沥青和道路条纹!在实验室里,我用激光对它进行了测试,发现我们可以测量道路条纹的厚度——太赫兹辐射可以穿透材料。事实上,条纹和下面沥青的厚度都可以被测量。”

    单片系统

    这让FORCE Technology公司确信,DTU的研究人员是有可能取得重大成果的。

    FORCE Technology的中心负责人Henrik Mertz表示:“我们看到了一项具有巨大潜力的技术,它不仅在丹麦,而且在全世界都可以用于造福行业。”

    “我们拥有开发原型所需的经验和知识。我们不是像极具能力的大学研究人员那样的光学专家,但我们了解这个世界和需要处理的问题。我们可以将研究人员的知识和想法转化为可操作的和面向应用的东西,”他继续说。

    FORCE Technology 的工程师剖析DTU系统并确定可以优化的组件,以使其更紧凑,尤其是更便宜。DTU的研究人员在业务发展方面得到帮助,并在最终产品必须如何组成和记录才能获准销售(包括CE标记)方面得到了良好建议。此外,FORCE Technology 拥有广泛的公司网络,可以使用该技术创建新的应用程序。

    虽然功能齐全的演示模型最早可能在今年准备就绪,但距离高科技测量仪器的量产还有很长的路要走。然而Simon Lehnskov Lange持乐观态度,他的雄心是解决方案终将成为“片上系统”:

    “我们希望——从长远来看——我们可以将价格降低到 1000 欧元以下。我们将继续开发该系统,使其小巧到不超过一个指甲,将所有技术都集成在一个芯片上。”

 
 

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