虹科太赫兹丨冻虾包冰厚度测量与展望

2021年9月底，丹麦技术大学(DTU)和皇家格陵兰水产公司(Royal Greenland) 共同开发了一项新技术，用于测量冷冻大虾的包冰厚度。这项研究多角度证明了太赫兹技术的全面。至于整个项目是如何推进的，让小编带你探一探究竟~包冰又称镀冰衣，在水产行业，包冰厚度检测技术非常重要，一方面它能够保鲜，另一方面也确保消费者能够得到正确数量的鲜虾。

为什么强调“正确数量”？

水产食品通常是按重量出售的，由于技术原因，大虾只会在包冰后上称。这也容易导致商家为了牟利过度包冰，卖出去1000克虾，包冰16%，实际上可能有50%包冰，造成人力水电包装运输等多叠加成本的浪费，消费者吃哑巴亏。

灵机一动

Tingle

如何测量蛋壳、道路条纹或大虾上的包冰厚度？DTU Fotonik（DTU大学光电工程学系）博士后Simon Lehnskov Lange领导的研究小组正在开发一种紧凑和廉价的设备，用于快速和有效地测量各种材料的厚度。所以是什么想法呢？

这个想法是利用一种叫做太赫兹辐射的特殊电磁波，这种辐射可以穿透许多不同的物质。

2017年，Simon Lehnskov Lange与DTU Food（DTU大学国家食物研究所）的人聊天，得知皇家格陵兰需要一种快速、智能的方法来测量冷冻大虾的包冰厚度。在皇家格陵兰，工艺开发人员Niels Bøknæs解释了为什么要确保冷冻大虾上有均匀的冰层："我们通过从喷嘴向深冻大虾喷水来上冰。我们发现，10%到12%的水可以很好地覆盖大虾。但是在工业化的包冰过程中，参数是有差异的。也许喷嘴的水稍稍过热或过冷，而大虾的大小也会有一些差异。Niels Bøknæs说："这意味着包冰厚度不是完全恒定的，在实际生产中控制包冰含量确实是个挑战。当今，皇家格陵兰使用一种耗时且不切实际的方法手动检查包冰百分比。该公司更希望有一个连续测量包冰厚度的系统，允许实时自动调整参数。如果使用了太多的冰，喷水量可以稍微降低，反之亦然。皇家格陵兰岛在格陵兰岛和加拿大有五个大虾工厂，每个工厂每天可以接收80吨生虾，并把它们变成27吨冷冻的带壳大虾。通过能够准确测量，就可以节省大量资金。在这里，DTU Fotonik的研究人员也许能够帮助皇家格陵兰。"我们进行了一个小型试点项目，在其中给一些大虾包冰，我们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此研究项目名为GLAZE，他将系统带到皇家格陵兰公司位于奥尔堡的工厂进行尝试，验证了他们的太赫兹技术，可以测量所有尺寸和类型大虾的包冰厚度。

肉不够吃，壳来凑

Other Potentials

测量大虾上的冰层厚度只是该技术其中的一个的应用。太赫兹辐射会被金属反射，被液态水和水蒸气吸收，但在其它方面可以穿透并测量大量材料的厚度。因此，该技术也可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，该技术必须被开发出来，使其能够为公司所负担。虽然一般来说，涉及多层反射的测量精度有待验证。最初Simon和研究人员着眼于食品的太赫兹检测，但现在开始研究其它用途，比如蛋壳的厚度检测。厚厚的蛋壳意味着一个坚实的鸡蛋能够经受住运输颠簸，直到完好到达消费者手中的旅程，或者能够保护胎儿直到被孵化。一直以来许多鸡蛋因为蛋壳太薄而损坏。传统上，鸡蛋产商通过敲开鸡蛋，并使用千分尺来测量蛋壳的厚度。但也有一些方法，你不必浪费鸡蛋，而是用声学方法测量蛋壳厚度：通过敲击鸡蛋并测量其共振频率来获得蛋壳厚度的测量，或者可以使用超声波进行更直接的测量。然而，这些测量方法需要与鸡蛋直接接触，而且需要时间，也很麻烦。使用太赫兹技术则可以免去这些困扰。

(图自NATURE某文章，利用太赫兹技术测量蛋壳厚度）不过，据Simon说，DTU的技术还需要一段时间才能进入市场："我们开始的时候，一个系统的成本是150万丹麦克朗（1449000RMB）。如果我们要在食品行业使用这项技术，我们的太赫兹系统的价格必须大幅下降。因此，我们研究了我们是否可以通过用基于众所周知的半导体技术，采用更便宜的版本取代最昂贵的部件。最终生产出更低成本的系统。”

总有慧眼识珠

Mon Amigo

现在他们正在开发这样的原型样机，比原先的小很多，预计21年底也会进行测试。研究人员也得到了FORCE技术公司的帮助——一家丹麦技术咨询和服务公司，该公司的应用光子学中心的职责便是确保丹麦基于光子学的技术的商业化。Simon仍然记得在FORCE技术公司的第一次会议，在听到太赫兹测量的想法后，该公司给了他一个挑战，即测量道路沥青条纹的厚度。Simon随后带着一块道路标本回家，上面有沥青和斑条。随之将其带回实验室里，利用激光器测量后，最后得到了条纹的厚度。“事实上，我们可以同时测量条纹和底下沥青两者的厚度。"FORCE技术公司此刻便发觉，这件事不简单。他们看到了一项具有巨大潜力的技术，它不仅可以用于丹麦，而且可以用于全世界的行业。

"我们拥有开发原型所需的经验和知识。我们不是像极有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。而且我们可以将研究人员的知识和想法转化为可操作和面向应用的东西”，FORCE公司的人员说。他们工程师对DTU的测量系统进行剖析，并确定可以优化的部件，使其更加紧凑，尤其是令其成本更低。这样，DTU的研究人员在业务发展方面得到帮助，并了解最终产品必须如何才能成为一个正式商业化产品，以及如何获准销售，包括CE标志。此外，FORCE公司有一个广泛的企业网络，可能会使用该技术来创造不同企业内的新应用。虽然一个功能齐全的样机模型可能最早在今年准备好，但在高科技测量仪器要进行大规模生产之前，还有相当长的路要走。但Simon很乐观，此人立下壮志，表示该解决方案最终将成为一个 "芯片上的系统"。"我们希望，从长远来看，我们可以将价格降到1000欧元以下。我们将继续开发该系统，使其非常紧凑，不超过一个指甲盖，所有的技术都集成在一个芯片上。"——小编认为，太赫兹由于光学元件过于昂贵让人望而生畏，有时候光一个太赫兹天线就需要8万，飞秒激光器普遍需要100W以上，要做好太赫兹技术，以及不同方向的THz设备，元件的价格与打破技术的信息孤岛尤其重要。做到1000欧元，恐怕还需要长久的等待呀。

虹科解决方案

My turn

面对日益增加曝光的太赫兹技术，以及上升发展趋势，虹科也不甘落后，联手LYTID推出高性能太赫兹产品：我们提供亚太赫兹源，太赫兹源，探测器与太赫兹成像系统等产品，旨在满足不同客户的科研与检测需要。