使用rf輻射的物體加工狀態(tài)感測的制作方法
【專利說明】使用RF輻射的物體加工狀態(tài)感測 本申請是申請日為2012年8月30日，申請?zhí)枮?01280047184.6,發(fā)明名稱為"使用RF輻 射的物體加工狀態(tài)感測"的申請的分案申請。
[0001 ]本申請要求于2011年8月31日提交的美國臨時專利申請?zhí)?1/529,361的優(yōu)先權權 益，并且還要求于2012年3月19日提交的美國臨時專利申請?zhí)?1/612,961的優(yōu)先權權益，這 兩個臨時申請全文結(jié)合在此。
技術領域
[0002] 本申請涉及一種用于施加電磁能量的裝置和方法。更具體地說，但非排他地，所披 露的實施例可以涉及一種用于在射頻范圍中施加電磁能量來確定或檢測正被加工的物體 的加工狀態(tài)的裝置和方法。
【背景技術】
[0003] 電磁(EM)波已經(jīng)被用于各種應用中以將能量供應給物體。例如在射頻(RF)福射的 情況下，RF能量可以使用磁控管來供應，該磁控管典型地被調(diào)諧到一個單一頻率以便僅在 該頻率供應RF能量。用于供應RF能量的常用裝置的示例為微波爐。典型的微波爐在或在約 2.45GHz的一個單一頻率下供應RF能量。其他設備已經(jīng)被用于加工物體。例如，常規(guī)的烤箱 可以用于烹飪、加熱以及干燥物體。其他加工設備可以用于化學生產(chǎn)、產(chǎn)品制造、材料制造 等領域。在這些領域或設備中的每一者中，可能存在監(jiān)測一個或多個過程的進展的需要。 本披露的幾個示例性方面的概述
[0004] 本發(fā)明的一些示例性方面可以針對用于施加 RF能量來檢測并且感測放置在一個 能量施加區(qū)域中待加工(例如，待加熱）的一個物體的一種或多種加工狀態(tài)的方法和設備。 物體可以通過施加多種類型的能量而被加工，例如對流加熱、紅外（IR)輻射(加熱)等。除了 施加對流和/或IR加熱之外，也可以施加 RF能量以與IR和/或?qū)α骷訜嵬瑫r或替代IR和/或 對流加熱加工物體。任選地，RF能量可以在IR和/或?qū)α骷訜嶂昂?或之后施加。在加工期 間物體可能發(fā)生的變化可以被稱為物體的一種加工狀態(tài)。一個物體的多種加工狀態(tài)的一些 示例可以包括:該物體的物理特性(例如，溫度、壓力、流率，相位等）、該物體的化學特性(例 如，PH、化學成分等），并且如果物體為一種食品，那么一個物體的加工狀態(tài)可以包括:該物 體的烹飪和/或煮熟狀態(tài)(例如，解凍、發(fā)酵、完全烘焙/烹熟等）。在加工期間物體的變化可 以影響介電行為以及該物體對RF能量施加的響應。任選地響應于一次RF能量施加，從能量 施加區(qū)域接收的一個或多個RF反饋可能與物體的一種或多種加工狀態(tài)相關。RF反饋可以在 物體的加工期間被監(jiān)測以便檢測物體的一種或多種加工狀態(tài)。
[0005] 在一些實施例中，用于施加 RF能量來檢測一個物體的一種或多種加工狀態(tài)的一種 設備可以被提供為一個附加裝置，該裝置可以被安裝在一個加工設備中（例如，它可以被安 裝在烹飪烤箱中，例如:常規(guī)的微波(MW)爐、通過對流進行操作的一個烹飪烤箱，或用于將 熱量施加到一個物體上的任何其他裝置;并且可以指示物體的烹飪狀態(tài)）。該附加裝置可以 在加工設備的制造場所進行安裝或可以在一個稍后的階段(例如，在購買之后)進行安裝。 在一些實施例中，用于檢測一個物體的一種或多種加工狀態(tài)的一個附加裝置可以配備有一 個或多個輻射元件。可替代地或另外地，該裝置可以連接到安裝在加工設備中的一個或多 個輻射元件或傳感器上并且可以使用元件或傳感器來接收RF反饋。
[0006] -些另外的實施例可以包括用于施加 RF能量以在一種食品的烹飪期間檢測置于 一個能量施加區(qū)域中的該食品的一個烹飪狀態(tài)的一種設備和方法。在烹飪期間，RF能量可 以被施加到該食品上。烹飪該食品可以在一個烹飪設備中執(zhí)行，該烹飪設備諸如:一個烹飪 烤箱、一個爐子、使用一個IR燈來加熱的一個烤箱、一個煎鍋、一個RF烤箱(例如，一個微波 爐)或包括其烹飪設備中的兩者或更多者的一個設備。RF反饋可以（例如，通過一個控制器） 從能量施加區(qū)域被接收。RF反饋可能與食品的一種或多種加工狀態(tài)相關，例如，溫度(例如， 該項目是冷凍還是解凍、烘焙）、煮熟的程度、水分常數(shù)、烹飪狀態(tài)(發(fā)酵、烹熟、烘焙等hRF 反饋可以在烹飪過程期間被監(jiān)測以便任選地基于相關性檢測食品的加工狀態(tài)。在一些實施 例中，一個計算出的RF反饋（下文將進行論述)可以在烹飪過程期間被監(jiān)測，以便任選地基 于該計算出的RF反饋與食品的加工狀態(tài)之間的相關性來檢測食品的加工狀態(tài)。在一些實施 例中，控制器可以根據(jù)接收到的RF反饋計算計算出的RF反饋。
[0007] -些示例性實施例可以包括用于施加 RF能量以在一個物體的加工期間檢測置于 一個能量施加區(qū)域中的該物體的一種加工狀態(tài)的一種設備和方法。在加工期間，RF能量可 以在多個激勵設置(例如，如下文所論述的頻率、相位、振幅)處被施加到物體上。與物體的 一種或多種加工狀態(tài)相關的RF反饋或一個計算出的RF反饋可以被接收。在物體的加工期 間，RF反饋或計算出的RF反饋可以被監(jiān)測以便任選地基于相關性檢測物體的加工狀態(tài)。
[0008] 在一些實施例中，RF反饋可以包括一個計算出的RF反饋。計算出的RF反饋可以使 用對從能量施加區(qū)域接收的一個原始RF反饋進行的數(shù)學運算來計算。用于施加 RF能量來檢 測置于一個能量施加區(qū)域中的一個物體的一種加工狀態(tài)的一種方法和設備可以包括在加 工期間將RF能量施加到該物體上。響應于RF能量施加，原始RF反饋可以（例如，通過一個控 制器)任選地從被配置成用于接收RF信號的一個檢測器中接收。一個計算出的RF反饋可以 基于與原始RF反饋參數(shù)(例如，S參數(shù)、在一個或多個頻率處的DR值等)相關聯(lián)的至少兩個值 進行計算。計算出的RF反饋可以與物體的一種或多種加工狀態(tài)相關。計算出的RF反饋可以 在加工期間被監(jiān)測以便檢測物體的一種或多種加工狀態(tài)。
[0009] 本發(fā)明的一些示例性實施例披露了用于確定一個物體的一種加工狀態(tài)與RF反饋 之間的相關性的一種方法和設備。確定相關性可以在物體的加工期間進行。對物體的一種 或多種加工狀態(tài)的一個指示可以在物體的加工期間被接收。該指示可以從至少一個傳感器 中接收和/或由一個用戶檢查并且從一個用戶界面中接收。RF能量可以被施加到一個能量 施加區(qū)域中并且在物體的加工期間RF反饋可以從該能量施加區(qū)域中接收（響應于RF能量施 加 hRF反饋與物體的一種或多種加工狀態(tài)之間的相關性可以(通過一個控制器)被確定。
[0010] -些其他示例性方法和設備可以包括在置于一個能量施加區(qū)域中的一個物體的 加工期間施加 RF能量以檢測該物體的一種加工狀態(tài)。在加工期間，任選地使用包括至少一 個福射元件的一個RF能量施加單元，RF能量可以被施加到物體上，該RF能量施加單元被配 置成用于將能量施加到物體上以便產(chǎn)生RF反饋。與物體的一種或多種加工狀態(tài)相關的一個 計算出的RF反饋可以通過至少一個控制器接收?？刂破骺梢赃M一步被配置成用于在加工期 間監(jiān)測計算出的RF反饋以檢測物體的一種或多種加工狀態(tài)。任選地，計算出的RF反饋可以 包括對兩個或更多個RF反饋的直接可測量值的數(shù)學運算的一個或多個結(jié)果。
[0011] 在一些實施例中，該方法(通過控制器執(zhí)行)可以進一步包括接收計算出的RF反饋 與物體的加工狀態(tài)之間的相關性。相關性可以被用于檢測物體的一種或多種加工狀態(tài)。計 算出的RF反饋與物體的加工狀態(tài)之間的相關性可以從與一個控制器相關聯(lián)的一個存儲器 中接收?？刂破骺梢赃M一步被配置成用于在加工期間使RF能量施加到物體上。另外地或可 替代地，計算出的RF反饋與物體的加工狀態(tài)之間的相關性可以從與該物體相關聯(lián)的一個機 器可讀元件中接收并且可以進一步被用于確定該物體的一種或多種加工狀態(tài)。
[0012] 在一些實施例中，加工物體可以包括將熱量從一個熱源施加到該物體上?？刂破?可以引起和/或控制熱量施加。施加熱量可以包括使用對流熱源加熱物體。可替代地或另外 地，熱量可以通過IR加熱進行施加。在一些實施例中，任選地除其他熱源(例如，IR、對流等） 之外，RF能量也可以從一個RF源被施加到物體上以便加熱該物體?？刂破骺梢员慌渲贸捎?于引起RF能量在多個激勵設置處的施加?？刂破骺梢钥刂朴靡栽谝粋€第一功率電平下加熱 物體的RF能量的施加并且控制用以在一個第二功率電平下接收計算出的RF反饋的RF能量 的施加，這樣該第一功率電平高于該第二功率電平。任選地，施加 RF能量以在每激勵設置的 一個第一平均能量量值下加熱物體，并且在每激勵設置的一個第二平均能量量值下接收計 算出的RF反饋，這樣每激勵設置的第一平均能量量值高于每激勵設置的第二平均能量量 值。
[0013] 在一些實施例中，物體的加工狀態(tài)可以與物體的相位相關聯(lián)以及/或者與物體的 相位和/或物體的物理特性和/或物體的化學特性相關聯(lián)。在物體為一種食品的情況下，一 種或多種加工狀態(tài)包括烹飪狀態(tài)，例如，煮熟的程度。
[0014] 在一些實施例中，控制器可以基于物體的一個或多個檢測出的加工狀態(tài)進一步控 制該物體的加工。當一種或多種加工狀態(tài)達到一個目標值時，控制器可以進一步終止物體 的加工。
[0015] 在一些實施例中，計算出的RF反饋可以從至少一個檢測器中接收，該檢測器被配 置成用于檢測該計算出的RF反饋。另外地或可替代地，至少一個檢測器可以被配置成用于 檢測RF反饋，并且計算出的RF反饋可以通過至少一個控制器基于該RF反饋的一個或多個值 進行計算。在一些實施例中，檢測器可以與輻射元件相關聯(lián)。計算出的RF反饋可以包括物體 的EM能量吸收性的一個指示?？刂破骺梢詮囊粋€RF反饋的一個或多個值中計算計算出的RF 反饋。任選地，接收到的計算出的RF反饋可以包括對反射能量、耦合能量、入射能量、S參數(shù) 或輸入阻抗中的至少兩者的數(shù)學運算。
[0016] 本發(fā)明的一些實施例可以包括一個顯示器并且其中至少一個控制器被配置成用 于將一種或多種加工狀態(tài)的表示顯示在該顯示器上。顯示器可以包括被配置成用于顯示一 種或多種加工狀態(tài)的一個視覺表示的一個視覺顯示器。另外地或可替代地，顯示器可以包 括被配置成用于提供一種或多種加工狀態(tài)的一個音頻表示的一個音頻部件。
[0017] 在一些實施例中，該設備可以進一步包括被配置成用于接收信息的一個界面。接 收到的信息可以包括物體的加工狀態(tài)的一個指示。另外地或可替代地，該信息可以包括至 少一個能量施加協(xié)議。在一些實施例中，信息可以被記錄在一個機器可讀元件上并且界面 可以被配置成用于從該機器可讀元件中讀取信息。
[0018] 本發(fā)明的一些其他方面可以涉及包括一個數(shù)據(jù)存儲部分的一個機器可讀元件，該 數(shù)據(jù)存儲部分包括計算出的RF反饋的一個或多個存儲值，這些存儲值分別指示物體的一種 加工狀態(tài)。任選地，一個或多個存儲值可以包括指示物體的EM能量吸收性指標的多個值。
[0019] 本發(fā)明的一些示例性實施例可以包括用于加工置于能量施加區(qū)域中的物體的一 種方法。該方法可以包括施加 RF能量以接收計算出的RF反饋;在加工期間監(jiān)測計算出的RF 反饋，其中計算出的RF反饋與物體的一種或多種加工狀態(tài)相關；以及當計算出的RF反饋達 到一個目標值時，終止物體的加工。加工物體可以包括施加熱量(例如，通過對流加熱或IR 加熱）以加熱該物體。其中施加熱量可包括通過對流加熱或IR加熱來加熱該物體。
[0020] 本發(fā)明的一些方面可以涉及一種機器可讀元件，該機器可讀元件包括指示用于至 少一個控制器的指令的數(shù)據(jù)以在一個能量施加區(qū)域控制與該機器可讀元件相關聯(lián)的一個 物體的加工，這些指令可以被配置成用于使至少一個控制器:根據(jù)一個第一協(xié)議并且在從 能量施加區(qū)域接收到的RF反饋滿足一個標準之前的一個第一時間段期間將能量施加到該 能量施加區(qū)域；以及根據(jù)一個第二協(xié)議并且在從能量施加區(qū)域接收到的RF反饋滿足該標準 之后的一個第二時間段期間將能量施加到該能量施加區(qū)域。
[0021] 在一些實施例中，施加能量可以包括通過至少一個福射元件施加 RF能量。另外地 或可替代地，施加能量可以包括施加 IR能量和/或施加對流加熱。
[0022] 在一些實施例中，從能量施加區(qū)域中接收到的RF反饋可以提供物體的EM能量吸收 性的一個指示。
[0023] 在一些實施例中，指示指令的數(shù)據(jù)可以包括該標準;任選地該標準可以包括RF反 饋的一個閾值。另外地或可替代地，指示指令的數(shù)據(jù)可以包括第一協(xié)議和第二協(xié)議中的至 少一者。在一些實施例中，數(shù)據(jù)可以包括物體的一個身份并且任選地這些指令可以進一步 被配置成用于使至少一個控制器根據(jù)該物體的身份選擇第一協(xié)議?？商娲兀@些指令可 以被配置成用于使至少一個控制器根據(jù)所接收的RF反饋選擇第一協(xié)議。
[0024] 在一些實施例中，指令可以進一步被配置成用于使至少一個控制器根據(jù)物體的一 個初始加工狀態(tài)選擇第一協(xié)議。任選地，這些指令可以被配置成用于使至少一個控制器基 于從能量施加區(qū)域中接收到的RF反饋來確定物體的初始加工狀態(tài)。
[0025] 在一些實施例中，第二協(xié)議包括終止EM能量施加。任選地，第一協(xié)議和第二協(xié)議中 的至少一者可以包括從多個激勵設置中選擇一個或多個激勵設置，并且在選定的一個或多 個激勵設置和/或用于施加 RF能量的參數(shù)下施加 RF能量。在一些實施例中，第一協(xié)議和第二 協(xié)議中的至少一者為一個默認協(xié)議并且其中指示指令的數(shù)據(jù)可以包括用以使用該默認協(xié) 議的一個指令。
[0026]在一些實施例中，RF反饋與在EM能量施加期間變化的物體的一種加工狀態(tài)相關。 任選地，在EM能量施加期間變化的物體的加工狀態(tài)由以下幾者中的一者或多者來指示:溫 度、水分、濕度、壓力、化學成分、體積、重量、顏色、煮熟程度、密度、味道或松脆性。
[0027]本發(fā)明的一些另外的方面可以涉及用于對用于加工位于一個能量施加區(qū)域中的 一個物體的能量施加進行控制的一種方法和一種設備。一個控制器可以引起在從能量施加 區(qū)域接收到的一個RF反饋可以滿足一個標準之前的一個第一時間段期間，根據(jù)一個第一協(xié) 議對能量施加區(qū)域的能量施加，并且隨后引起在從存在物體的能量施加區(qū)域接收到的一個 RF反饋滿足該標準之后的一個第二時間段期間，根據(jù)一個第二協(xié)議的能量施加。任選地，該 標準可以包括RF反饋的一個閾值。
[0028] 在一些實施例中，指示用于加工物體的指令的數(shù)據(jù)可以從與該物體相關聯(lián)的一個 機器可讀元件中讀取，并且控制器可以根據(jù)這些指令進一步控制能量施加。在一些實施例 中，指令可以包括第一協(xié)議和第二協(xié)議中的至少一者。第一協(xié)議和第二協(xié)議中的至少一者 可以包括從多個激勵設置中選擇至少一個激勵設置，并且在所選定的至少一個激勵設置處 施加 RF能量。另外地或可替代地，第一協(xié)議和第二協(xié)議中的至少一者可以包括用于在多個 激勵設置處施加 RF能量的多個參數(shù)。在一些實施例中，第一協(xié)議和第二協(xié)議中的至少一者 可以為一個默認協(xié)議并且其中指示指令的數(shù)據(jù)可以包括用以使用該默認協(xié)議的一個指令。
[0029] 在一些實施例中，標準可以從機器可讀元件中讀取。
[0030] -些實施例可以進一步包括使從機器可讀元件中讀取的數(shù)據(jù)與存儲在一個存儲 器中的信息相關聯(lián)。任選地，存儲器通過一個通信網(wǎng)絡是可訪問的。
[0031 ]在一些實施例中，RF反饋包括指示由物體可吸收的EM能量的一個值。
[0032]在一些實施例中，能量施加可以包括施加 RF能量。另外地或可替代地，施加能量可 以包括以下項中的至少一者:施加 IR能量或施加對流加熱。
[0033]在一些實施例中，物體的一個初始加工狀態(tài)可以基于從能量施加區(qū)域中接收的RF 反饋來確定。另外地，第一協(xié)議可以基于物體的確定初始加工狀態(tài)來選定?？商娲兀矬w 的初始加工狀態(tài)可以基于從機器可讀元件中讀取的數(shù)據(jù)來確定。
[0034] 在一些實施例中，第二協(xié)議可以包括終止能量施加。
[0035] -些實施例可以包括識別物體。任選地，第一協(xié)議可以根據(jù)物體的身份來選定。
[0036] 在一些實施例中，在EM能量施加期間變化的物體的一種加工狀態(tài)可以與RF反饋相 關。在EM能量施加期間變化的物體的加工狀態(tài)可以由以下項中的一者或多者來指示:溫度、 水分、濕度、壓力、化學成分、體積、重量、顏色、煮熟程度、密度、味道或松脆性。
[0037] 本發(fā)明的一些其他實施例可以涉及一種機器可讀元件，該機器可讀元件將與在一 個能量施加區(qū)域中待加工的一個物體相關聯(lián)，其中該機器可讀元件可以包括指示一個標準 的數(shù)據(jù)，該標準用于通過至少一個輻射元件將RF能量施加從一個第一協(xié)議改變到一個第二 協(xié)議。任選地，當與從能量施加區(qū)域中接收的RF反饋相關聯(lián)的一個值超過一個閾值時，標準 可以被滿足。
[0038] 接下來的附圖和詳細說明包含與本發(fā)明一致的許多替代的示例。所披露的每一個 特征的概述超出了此概述部分的目的。為了本發(fā)明的示例性方面的更加詳細的描述，應該 參考通過引用結(jié)合到此概述中的附圖、詳細說明，以及權利要求書。 附圖簡要說明
[0039]圖1A和1B包括根據(jù)本發(fā)明的一些示例性實施例的用于將RF能量施加到一個物體 上的示例性設備的圖解表示；
[0040]圖2A到2B包括根據(jù)本發(fā)明的一些示例性實施例的諧振腔的圖解表示；
[0041]圖3A和3B包括根據(jù)本發(fā)明的一些實施例的用于基于RF反饋對向一個能量施加區(qū) 域的能量施加進行控制的兩種方法的流程圖；
[0042]圖3C包括根據(jù)本發(fā)明的一些實施例的用于使一個物體的一種加工狀態(tài)與RF反饋 相關并且用RF反饋記錄該物體的該加工狀態(tài)的一種方法的流程圖；
[0043]圖4包括根據(jù)本發(fā)明的一些實施例的用于基于一個標準控制用以加工一個物體的 能量施加的一種方法的流程圖；
[0044] 圖5包括根據(jù)本發(fā)明的一些實施例的在用于使RF反饋(平均DR)與一個香草蛋糕的 烹飪狀態(tài)相關的一個烹飪實驗中所獲得的結(jié)果的圖形表示；
[0045] 圖6A呈現(xiàn)了根據(jù)本發(fā)明的一些實施例的來自比薩餅解凍和烘焙實驗的結(jié)果；
[0046] 圖6B表示根據(jù)本發(fā)明的一些實施例的用于一個解凍實驗中的一個解凍協(xié)議；
[0001] 圖6C表示根據(jù)本發(fā)明的一些實施例的用于一個烘焙實驗中的一個烘焙協(xié)議；
[0002] 圖7呈現(xiàn)了根據(jù)本發(fā)明的一些實施例的來自比薩餅烘焙實驗的結(jié)果；以及 [0003]圖8A和8B是根據(jù)本發(fā)明的一些實施例的可記錄元件的表示。 詳細說明
[0047] 現(xiàn)將詳細參考本發(fā)明的示例性實施例，其示例被圖示在附圖中。當適當時，在整個 附圖中相同的參考標號被用來指代相同或相似的零件。
[0048] 在一個方面，所披露的實施例可以涉及用于施加 EM能量的設備和方法。本文中所 使用的術語"EM能量"包括在所有或部分EM頻譜中通過EM福射可傳遞的能量，該EM頻譜包括 但不限于，射頻(RF)、紅外線（IR)、近紅外線、可見光、紫外線等。在一個特定示例中，所施加 的EM能量可以包括具有在100km到1mm的自由空間中的一個波長的RF能量，該波長分別對應 于一個3KHz到300GHz的頻率。在一些其他示例中，所施加的EM能量可以落在500MHz到 1500MHz之間或700MHz到1200MHz之間或800MHz到1GHz之間的頻帶內(nèi)。將能量施加在EM頻譜 的RF部分中在此被稱為施加 RF能量。例如，微波和超高頻(UHF)能量都在RF范圍內(nèi)。在一些 其他示例中，所施加的EM能量可以僅落在一個或多個工業(yè)、科學和醫(yī)用（ISM)頻帶內(nèi)，例如 在433.05MHz與434.79MHz之間、在902MHz與928MHz之間、在2400MHz與2500MHz之間，和/或 在5725MHz與5875MHz之間。盡管在此結(jié)合RF能量的施加描述示例，但這些描述僅提供用以 說明本發(fā)明的幾個示例性原理，且并不意欲將本發(fā)明限制到EM頻譜的任何特定部分。
[0049] 本發(fā)明的一些實施例可以涉及用于任選地通過將熱量從一個熱源施加到物體上 來加工物體的設備和方法?？梢允┘訜崃恳越鈨鲆粋€冷凍物體、以烹飪或烘焙一種食品、以 加速一個化學反應、以干燥物體(例如，衣服）、以燒結(jié)零件(例如，粉末零件），以固化聚合物 等。熱量可以通過一個對流熱源來施加，該對流熱源包括(例如)一個加熱元件，諸如一個燈 絲。另外地或可替代地，熱量可以從一個IR源施加，例如，一個IR燈。任選地，熱量可以從被 配置成用于供應RF能量的一個RF源施加，例如，一個磁控管或一個固態(tài)功率放大器。在一些 實施例中，兩種或更多種類型的熱源可以用于加工物體。兩種或更多種類型的熱源可以同 時或按順序或以這兩種方式施加。例如，RF能量和對流加熱可以在部分或所有的時間內(nèi)同 時施加，在該時間內(nèi)，施加能量以加工物體。在一些實施例中，不同的能量源可以交替或連 續(xù)地施加。該施加不限于任何特定的熱源。
[0050] 在一些實施例中，在一個物體的加工之前、期間和/或之后，可以施加 RF能量以感 測（也即，檢測、監(jiān)測等)該物體的一種或多種加工狀態(tài)