(19)中华人民共和国国家知识产权局
(12)实用新型专利
(10)授权公告号 CN 2096901 U(45)授权公告日 2019.11.26
(21)申请号 201822279142.2(22)申请日 2018.12.29
(73)专利权人 深圳职业技术学院
地址 518000 广东省深圳市南山区西丽街
道西丽湖镇西丽湖畔(72)发明人 黄略略 李彬 潘奕 李辰 段续
廉苗苗 (74)专利代理机构 深圳中一联合知识产权代理
有限公司 44414
代理人 李艳丽(51)Int.Cl.
G01N 21/3581(2014.01)
(ESM)同样的发明创造已同日申请发明专利
权利要求书1页 说明书5页 附图1页
(54)实用新型名称
在线监测微波冷冻干燥过程中物料外观的系统
(57)摘要
本实用新型提供一种在线监测微波冷冻干燥过程中物料外观的系统。该系统包括微波冻干
所述太赫兹成像检测仓和太赫兹成像检测模块，
模块安装于所述微波冻干仓的上方：所述微波冻干仓内设置有可相对所述微波冻干仓移动的载物台；所述载物台设置在所述太赫兹成像检测模块成像的焦点位置。本系统可以实时监测微波冷冻干燥物料的表面结构和水分分布信息，有利于及时调整微波冷冻干燥的微波功率和压力，确保微波冷冻干燥物料的外观品质，获得外观良好的冻干产品。CN 2096901 UCN 2096901 U
权 利 要 求 书
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1.一种在线监测微波冷冻干燥过程中物料外观的系统，其特征在于，包括微波冻干仓和太赫兹成像检测模块，所述太赫兹成像检测模块安装于所述微波冻干仓的上方；
所述微波冻干仓内设置有可相对所述微波冻干仓移动的载物台；所述载物台设置在所述太赫兹成像检测模块成像的焦点位置。
2.如权利要求1所述的在线监测微波冷冻干燥过程中物料外观的系统，其特征在于，所述太赫兹成像检测模块包括：
飞秒激光器，所述飞秒激光器用于发射激光脉冲波；分束镜，所述分束镜用于将所述飞秒激光器发射的激光脉冲波分成泵浦光和探测光；若干平面反射镜，若干所述平面反射镜用于使所述泵浦光形成具有光学延迟线的光路；
第一光纤耦合器，所述第一光纤耦合器用于将经过光学延迟线射出的泵浦光进行收集；
太赫兹发射光电导天线，所述太赫兹发射光电导天线通过光纤与所述第一光纤耦合器连接；
第一会聚镜，所述第一会聚镜用于将所述太赫兹发射光电导天线发射的太赫兹波反射至所述载物台上的样品表面；
第二会聚镜，所述第二会聚镜用于将所述样品表面反射出来的太赫兹波反射至太赫兹接收光电导天线；
太赫兹接收光电导天线，所述太赫兹接收光电导天线通过光纤与第二光纤耦合器信号连接；
第二光纤耦合器，所述第二光纤耦合器用于将所述探测光耦合进光纤；锁相放大器，所述锁相放大器通过锁相放大器数据线与所述太赫兹接收光电导天线信号连接。
3.如权利要求2所述的在线监测微波冷冻干燥过程中物料外观的系统，其特征在于，所述飞秒激光器选自全固态飞秒激光器、光纤飞秒激光器中的任一种。
4.如权利要求2所述的在线监测微波冷冻干燥过程中物料外观的系统，其特征在于，所述第一会聚镜和第二会聚镜均为离轴抛物面镜。
5.如权利要求1～2任一项所述的在线监测微波冷冻干燥过程中物料外观的系统，其特征在于，所述载物台为具有二维移动功能的平台。
6.如权利要求1～2任一项所述的在线监测微波冷冻干燥过程中物料外观的系统，其特征在于，所述微波冻干仓为透明冻干仓。
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说 明 书
在线监测微波冷冻干燥过程中物料外观的系统
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技术领域
[0001]本实用新型属于微波冻干技术领域，特别涉及一种在线监测微波冷冻干燥过程中物料外观的系统。
背景技术
[0002]冷冻干燥技术是在将产品进行预先速冻，冻结成固体后在真空环境下加热使固态水直接升华挥发，剩余未能结成冰的液态水分通过解析的方式被去除，这种冻干技术，能使物质形态停留在冻结时的冰架结构。因此，该干燥技术是目前已知的最能够保持食品品质的方法，包括保持食品外形、颜色、营养成分等，对食品营养的保留率高达85％以上，部分甚至可高达90％以上。但是长时间、高能耗了冻干食品的大规模应用。[0003]近年来，微波冻干作为一种新型的干燥方式被很多科研人员研究，这种干制方式以微波加热取代传统的加热板传导加热，使食品处于整体加热的环境中，热量的传递和质量的传递变为同一方向，大大提高了干制效率。根据目前的研究结果，微波冷冻干燥的干制时间比单纯的冷冻干燥缩短30％的时间。[0004]在对微波冻干的研究过程中，有采用光纤测温以获得食品内部的实时温度，但是也遇到了一些瓶颈，如研究人员发现香蕉、荔枝等物料会产生膨化作用而在表面形成很多不均匀的气泡，因此降低产品外观品质。同时光纤测温并不能获得食品在微波冻干过程中的实时水分含量信息，也无法及时获得食品外观品质的变化规律。尤其是食品外观作为给消费者的第一感官印象，能够影响消费者购买意愿。良好的宏观外形也意味着物料的超微结构保持得十分良好，而这恰恰可以作为干制方法的选择是否合适以及干制过程的工艺调节是否合理的重要评价指标。由于微波具有热效应，使得现有的红外成像无法有效地检测食品微波冻干过程中的外观形貌。由于目前技术手段无法了解微波冻干过程中外观品质变化规律，就无法控制整个微波冻干过程中物料的形状变化，这对微波冻干的产业化极为不利。
发明内容
[0005]针对目前微波冻干在食品进行干燥时无法监控物料外观形貌变化情况等问题，本实用新型提供一种在线监测微波冷冻干燥过程中物料外观的系统。[0006]为了实现上述实用新型目的，本实用新型的技术方案如下：[0007]一种在线监测微波冷冻干燥过程中物料外观的系统，包括微波冻干仓和太赫兹成像检测模块，所述太赫兹成像检测模块安装于所述微波冻干仓的上方：[0008]所述微波冻干仓内设置有可相对所述微波冻干仓移动的载物台；所述载物台设置在所述太赫兹成像检测模块成像的焦点位置。[0009]优选地，所述太赫兹成像检测模块包括：[0010]飞秒激光器，所述飞秒激光器用于发射激光脉冲波；[0011]分束镜，所述分束镜用于将所述飞秒激光器发射的激光脉冲波分成泵浦光和探测
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说 明 书
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光；
[0012]
若干平面反射镜，若干所述平面反射镜用于使所述泵浦光形成具有光学延迟线的第一光纤耦合器，所述第一光纤耦合器用于将经过光学延迟线射出的泵浦光进行
光路；
[0013]
收集；
太赫兹发射光电导天线，所述太赫兹发射光电导天线通过光纤与所述第一光纤耦
合器连接；
[0015]第一会聚镜，所述第一会聚镜用于将所述太赫兹发射光电导天线发射的太赫兹波反射至所述载物台上的样品表面；[0016]第二会聚镜，所述第二会聚镜用于将所述样品表面反射出来的太赫兹波反射至太赫兹接收光电导天线；
[0017]太赫兹接收光电导天线，所述太赫兹接收光电导天线通过光纤与第二光纤耦合器信号连接；
[0018]第二光纤耦合器，所述第二光纤耦合器用于将所述探测光耦合进光纤；[0019]锁相放大器，所述锁相放大器通过锁相放大器数据线与所述太赫兹接收光电导天线信号连接。[0020]优选地，所述飞秒激光器选自全固态飞秒激光器、光纤飞秒激光器中的任一种。[0021]优选地，所述第一会聚镜和第二会聚镜均为离轴抛物面镜。[0022]优选地，所述载物台为具有二维移动功能的平台。[0023]优选地，所述微波冻干仓为透明冻干仓。[0024]本实用新型的有益效果为：[0025]相对于现有技术，本实用新型提供的在线监测微波冷冻干燥过程中物料外观的系统，可以实时监测微波冷冻干燥物料的表面结构和水分分布信息，有利于及时调整微波冷冻干燥的微波功率和压力，以确保微波冷冻干燥物料的外观品质，获得外观良好的产品。附图说明
[0026]图1为本实用新型在线监测微波冷冻干燥中物料外观的系统的局部部件立体示意图；
[0027]图2为本实用新型在线监测微波冷冻干燥中物料外观的系统的太赫兹成像检测模块及成像原理示意图；[0028]其中，1-微波冻干仓，11-载物台；[0029]2-太赫兹成像检测模块，21-飞秒激光器，22-分束镜，23-平面反射镜，[0030]24-第一光纤耦合器，25-太赫兹发射光电导天线，26-第一会聚镜，27-第二会聚镜，28-第二光纤耦合器，29-太赫兹接收光电导天线，210-锁相放大器数据线，211-锁相放大器，212-探测光，213-泵浦光；[0031]3-真空及冷肼系统；[0032]4-连接管道；[0033]5-物料样品。
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具体实施方式
[0034]为了使本实用新型要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。[0035]需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。[0036]需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“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实用新型和简化描述，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实用新型的。[0037]此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。在本实用新型中提到的无物理接触，指的是两个物体不相互靠近，在空间上有间隔。[0038]一方面，本实用新型提供一种在线监测微波冷冻干燥过程中物料外观的系统。[0039]请参阅图1、2，本实用新型的在先监测微波冷冻干燥中物料外观的系统包括微波冻干仓1和太赫兹成像检测模块2，太赫兹成像检测模块2设置在微波冻干仓1的外部，具体可以通过固定框架(图中未画出)将太赫兹成像检测模块2固定在微波冻干仓1的上方，其与微波冻干仓1的间距可以根据需要调节，具体可以依据太赫兹成像检测模块2的焦距、焦点以及微波冻干仓1内的物料样品的位置进行调节。
[0040]微波冻干仓1内设置有盛放物料样品的载物台11，该载物台11可以在微波冻干仓1内在二维方向上移动，如在x-y二维方向上移动。其移动可以通过电机控制的方式实现。[0041]优选地，微波冻干仓1为透明冻干仓，其可以采用透明材质制成，以便太赫兹波穿透。
[0042]请参阅图2，太赫兹成像检测模块2包括：飞秒激光器21、分束镜22、若干平面反射镜23、第一光纤耦合器24、太赫兹发射光电导天线25、第一会聚镜26、第二会聚镜27、第二光纤耦合器28、太赫兹接收光电导天线29、锁相放大器数据线210、锁相放大器211。[0043]其中，飞秒激光器21用于发射激光脉冲波，以提供太赫兹成像检测模块 2所需的探测光212和泵浦光213。[0044]优选地，飞秒激光器21选自全固态飞秒激光器、光纤飞秒激光器中的任一种。[0045]分束镜22用于将飞秒激光器21发射的激光脉冲波分成泵浦光213和探测光212。[0046]若干平面反射镜23摆放成光路，使得分束镜22分出的泵浦光213形成具有光学延迟线的光路，以便实现时间延迟。[0047]第一光纤耦合器24用于将经过光学延迟线射出泵浦光213进行收集并耦合进光纤中。
[0048]太赫兹发射光电导天线25通过光纤与第一光纤耦合器24连接，从而使得泵浦光213经过太赫兹发射光电导天线25实现激发产生太赫兹波。
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说 明 书
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第一会聚镜26用于将太赫兹发射光电导天线25发射的太赫兹波反射至载物台11
上的物料样品5表面；
[0050]第二会聚镜27用于将所述物料样品5表面反射出来的太赫兹波反射至太赫兹接收光电导天线29。[0051]第二光纤耦合器28用于收集探测光212，使得探测光212经过第二光纤耦合器28收集后进入太赫兹接收光电导天线29。[0052]第二光纤耦合器28与太赫兹接收光电导天线29通过光纤信号连接。
[0053]锁相放大器211通过锁相放大器数据线210与太赫兹接收光电导天线29 信号连接。
[0054]优选地，第一会聚镜26和第二会聚镜27为离轴抛物面镜。[0055]本实用新型的系统还包括真空及冷肼系统3、将真空及冷肼系统3与微波冻干仓1进行连通的连接管道4等，由于这些零部件及系统是微波冻干中常见零部件及系统，而且其连接关系、位置关系均为本领域常识，在此不再展开赘述。
[0056]上述飞秒激光器21产生的激光被分束镜22分成泵浦光213和探测光212 后，泵浦光213通过光学延迟线实现时间的延迟，通过等效时间采样获得太赫兹电场随时间变化的时域信号，利用时域信号信息对像元进行赋值，在二维空间内转移载物台11即可得到一个x-y二维矩阵，根据矩阵单元数值的大小可以转化为灰度图像，完成太赫兹时域成像，从而获得物料指定区域的外观图像。
[0057]太赫兹发射光电导天线25激发产生的太赫兹波经由第一会聚镜26反射，进入微波冻干仓1，并辐射至载物台11上的物料样品5表面，经过反射后辐射至第二会聚镜27，再反射至太赫兹接收光电导天线29，分离出的探测光 212由第二光纤耦合器28收集后，通过光纤连接至太赫兹接收光电导天线29，与接收到的太赫兹波一起成为输出信号传输至锁相放大器211，经锁相放大器211得到太赫兹电场信息。物料样品5在x-y二维平面随着载物台11的移动而移动，每移动一个像元即可获得样品调制的太赫兹时域信号，利用时域信号信息对像元进行赋值，得到一个x-y二维矩阵根据矩阵单元数值的大小转化为灰度图像，从而实现测试物料样品5的时域成像。
[0058]通过本实用新型的系统，可以及时获得物料的表面结构和水分分布信息，当物料表面发生皱缩或者膨化时，图像会充分显示出纹理脉络的区别，然后通过及时调整微波功率和压力，来减缓甚至消除皱缩或膨化，从而提升微波冻干物料的外观品质，为微波冻干的产业化奠定基础。[0059]第二方面，本实用新型还进一步提供基于上述在线监测微波冷冻干燥中物料外观的系统的微波冷冻干燥过程中物料外观的监测方法。该监测方法包括以下步骤：[0060]步骤S01.组装如上述所述的在线监测微波冷冻干燥中物料外观的系统；[0061]步骤S02.在载物台11上放置物料样品5，同时在微波冻干仓1内放置与物料样品相同的物料，确保物料样品5位于光路焦点位置；[0062]步骤S03.启动微波冻干开关，对物料进行冷冻干燥，同时启动载物台11，使得载物台11在微波冻干仓1内的x-y二维平面上移动，每移动一个像元即收集获取物料样品5的太赫兹时域信号，利用时域信号信息对像元进行赋值，获得一个x-y二维矩阵，根据矩阵单元数值的大小转化为灰度图像。
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在监测过程中，可以根据图像灰度判断物料是否发生皱缩或者膨化，并及时调节
微波功率和压力，以减少甚至消除皱缩或膨化，提升微波冻干物料的外观品质。[00]与本实用新型有关的上述监测方法，利用太赫兹成像时可以时域成像，反映出待测样品THz全谱段下的吸收特征。
[0065]以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
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说 明 书 附 图
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