使用rf辐射的物体加工状态感测的制作方法
【专利说明】使用RF辐射的物体加工状态感测 本申请是申请日为2012年8月30日，申请号为201280047184.6,发明名称为"使用RF辐 射的物体加工状态感测"的申请的分案申请。
[0001 ]本申请要求于2011年8月31日提交的美国临时专利申请号61/529,361的优先权权 益，并且还要求于2012年3月19日提交的美国临时专利申请号61/612,961的优先权权益，这 两个临时申请全文结合在此。
技术领域
[0002] 本申请涉及一种用于施加电磁能量的装置和方法。更具体地说，但非排他地，所披 露的实施例可以涉及一种用于在射频范围中施加电磁能量来确定或检测正被加工的物体 的加工状态的装置和方法。
【背景技术】
[0003] 电磁(EM)波已经被用于各种应用中以将能量供应给物体。例如在射频(RF)福射的 情况下，RF能量可以使用磁控管来供应，该磁控管典型地被调谐到一个单一频率以便仅在 该频率供应RF能量。用于供应RF能量的常用装置的示例为微波炉。典型的微波炉在或在约 2.45GHz的一个单一频率下供应RF能量。其他设备已经被用于加工物体。例如，常规的烤箱 可以用于烹饪、加热以及干燥物体。其他加工设备可以用于化学生产、产品制造、材料制造 等领域。在这些领域或设备中的每一者中，可能存在监测一个或多个过程的进展的需要。 本披露的几个示例性方面的概述
[0004] 本发明的一些示例性方面可以针对用于施加 RF能量来检测并且感测放置在一个 能量施加区域中待加工(例如，待加热）的一个物体的一种或多种加工状态的方法和设备。 物体可以通过施加多种类型的能量而被加工，例如对流加热、红外（IR)辐射(加热)等。除了 施加对流和/或IR加热之外，也可以施加 RF能量以与IR和/或对流加热同时或替代IR和/或 对流加热加工物体。任选地，RF能量可以在IR和/或对流加热之前和/或之后施加。在加工期 间物体可能发生的变化可以被称为物体的一种加工状态。一个物体的多种加工状态的一些 示例可以包括:该物体的物理特性(例如，温度、压力、流率，相位等）、该物体的化学特性(例 如，PH、化学成分等），并且如果物体为一种食品，那么一个物体的加工状态可以包括:该物 体的烹饪和/或煮熟状态(例如，解冻、发酵、完全烘焙/烹熟等）。在加工期间物体的变化可 以影响介电行为以及该物体对RF能量施加的响应。任选地响应于一次RF能量施加，从能量 施加区域接收的一个或多个RF反馈可能与物体的一种或多种加工状态相关。RF反馈可以在 物体的加工期间被监测以便检测物体的一种或多种加工状态。
[0005] 在一些实施例中，用于施加 RF能量来检测一个物体的一种或多种加工状态的一种 设备可以被提供为一个附加装置，该装置可以被安装在一个加工设备中（例如，它可以被安 装在烹饪烤箱中，例如:常规的微波(MW)炉、通过对流进行操作的一个烹饪烤箱，或用于将 热量施加到一个物体上的任何其他装置;并且可以指示物体的烹饪状态）。该附加装置可以 在加工设备的制造场所进行安装或可以在一个稍后的阶段(例如，在购买之后)进行安装。 在一些实施例中，用于检测一个物体的一种或多种加工状态的一个附加装置可以配备有一 个或多个辐射元件。可替代地或另外地，该装置可以连接到安装在加工设备中的一个或多 个辐射元件或传感器上并且可以使用元件或传感器来接收RF反馈。
[0006] -些另外的实施例可以包括用于施加 RF能量以在一种食品的烹饪期间检测置于 一个能量施加区域中的该食品的一个烹饪状态的一种设备和方法。在烹饪期间，RF能量可 以被施加到该食品上。烹饪该食品可以在一个烹饪设备中执行，该烹饪设备诸如:一个烹饪 烤箱、一个炉子、使用一个IR灯来加热的一个烤箱、一个煎锅、一个RF烤箱(例如，一个微波 炉)或包括其烹饪设备中的两者或更多者的一个设备。RF反馈可以（例如，通过一个控制器） 从能量施加区域被接收。RF反馈可能与食品的一种或多种加工状态相关，例如，温度(例如， 该项目是冷冻还是解冻、烘焙）、煮熟的程度、水分常数、烹饪状态(发酵、烹熟、烘焙等hRF 反馈可以在烹饪过程期间被监测以便任选地基于相关性检测食品的加工状态。在一些实施 例中，一个计算出的RF反馈（下文将进行论述)可以在烹饪过程期间被监测，以便任选地基 于该计算出的RF反馈与食品的加工状态之间的相关性来检测食品的加工状态。在一些实施 例中，控制器可以根据接收到的RF反馈计算计算出的RF反馈。
[0007] -些示例性实施例可以包括用于施加 RF能量以在一个物体的加工期间检测置于 一个能量施加区域中的该物体的一种加工状态的一种设备和方法。在加工期间，RF能量可 以在多个激励设置(例如，如下文所论述的频率、相位、振幅)处被施加到物体上。与物体的 一种或多种加工状态相关的RF反馈或一个计算出的RF反馈可以被接收。在物体的加工期 间，RF反馈或计算出的RF反馈可以被监测以便任选地基于相关性检测物体的加工状态。
[0008] 在一些实施例中，RF反馈可以包括一个计算出的RF反馈。计算出的RF反馈可以使 用对从能量施加区域接收的一个原始RF反馈进行的数学运算来计算。用于施加 RF能量来检 测置于一个能量施加区域中的一个物体的一种加工状态的一种方法和设备可以包括在加 工期间将RF能量施加到该物体上。响应于RF能量施加，原始RF反馈可以（例如，通过一个控 制器)任选地从被配置成用于接收RF信号的一个检测器中接收。一个计算出的RF反馈可以 基于与原始RF反馈参数(例如，S参数、在一个或多个频率处的DR值等)相关联的至少两个值 进行计算。计算出的RF反馈可以与物体的一种或多种加工状态相关。计算出的RF反馈可以 在加工期间被监测以便检测物体的一种或多种加工状态。
[0009] 本发明的一些示例性实施例披露了用于确定一个物体的一种加工状态与RF反馈 之间的相关性的一种方法和设备。确定相关性可以在物体的加工期间进行。对物体的一种 或多种加工状态的一个指示可以在物体的加工期间被接收。该指示可以从至少一个传感器 中接收和/或由一个用户检查并且从一个用户界面中接收。RF能量可以被施加到一个能量 施加区域中并且在物体的加工期间RF反馈可以从该能量施加区域中接收（响应于RF能量施 加 hRF反馈与物体的一种或多种加工状态之间的相关性可以(通过一个控制器)被确定。
[0010] -些其他示例性方法和设备可以包括在置于一个能量施加区域中的一个物体的 加工期间施加 RF能量以检测该物体的一种加工状态。在加工期间，任选地使用包括至少一 个福射元件的一个RF能量施加单元，RF能量可以被施加到物体上，该RF能量施加单元被配 置成用于将能量施加到物体上以便产生RF反馈。与物体的一种或多种加工状态相关的一个 计算出的RF反馈可以通过至少一个控制器接收。控制器可以进一步被配置成用于在加工期 间监测计算出的RF反馈以检测物体的一种或多种加工状态。任选地，计算出的RF反馈可以 包括对两个或更多个RF反馈的直接可测量值的数学运算的一个或多个结果。
[0011] 在一些实施例中，该方法(通过控制器执行)可以进一步包括接收计算出的RF反馈 与物体的加工状态之间的相关性。相关性可以被用于检测物体的一种或多种加工状态。计 算出的RF反馈与物体的加工状态之间的相关性可以从与一个控制器相关联的一个存储器 中接收。控制器可以进一步被配置成用于在加工期间使RF能量施加到物体上。另外地或可 替代地，计算出的RF反馈与物体的加工状态之间的相关性可以从与该物体相关联的一个机 器可读元件中接收并且可以进一步被用于确定该物体的一种或多种加工状态。
[0012] 在一些实施例中，加工物体可以包括将热量从一个热源施加到该物体上。控制器 可以引起和/或控制热量施加。施加热量可以包括使用对流热源加热物体。可替代地或另外 地，热量可以通过IR加热进行施加。在一些实施例中，任选地除其他热源(例如，IR、对流等） 之外，RF能量也可以从一个RF源被施加到物体上以便加热该物体。控制器可以被配置成用 于引起RF能量在多个激励设置处的施加。控制器可以控制用以在一个第一功率电平下加热 物体的RF能量的施加并且控制用以在一个第二功率电平下接收计算出的RF反馈的RF能量 的施加，这样该第一功率电平高于该第二功率电平。任选地，施加 RF能量以在每激励设置的 一个第一平均能量量值下加热物体，并且在每激励设置的一个第二平均能量量值下接收计 算出的RF反馈，这样每激励设置的第一平均能量量值高于每激励设置的第二平均能量量 值。
[0013] 在一些实施例中，物体的加工状态可以与物体的相位相关联以及/或者与物体的 相位和/或物体的物理特性和/或物体的化学特性相关联。在物体为一种食品的情况下，一 种或多种加工状态包括烹饪状态，例如，煮熟的程度。
[0014] 在一些实施例中，控制器可以基于物体的一个或多个检测出的加工状态进一步控 制该物体的加工。当一种或多种加工状态达到一个目标值时，控制器可以进一步终止物体 的加工。
[0015] 在一些实施例中，计算出的RF反馈可以从至少一个检测器中接收，该检测器被配 置成用于检测该计算出的RF反馈。另外地或可替代地，至少一个检测器可以被配置成用于 检测RF反馈，并且计算出的RF反馈可以通过至少一个控制器基于该RF反馈的一个或多个值 进行计算。在一些实施例中，检测器可以与辐射元件相关联。计算出的RF反馈可以包括物体 的EM能量吸收性的一个指示。控制器可以从一个RF反馈的一个或多个值中计算计算出的RF 反馈。任选地，接收到的计算出的RF反馈可以包括对反射能量、耦合能量、入射能量、S参数 或输入阻抗中的至少两者的数学运算。
[0016] 本发明的一些实施例可以包括一个显示器并且其中至少一个控制器被配置成用 于将一种或多种加工状态的表示显示在该显示器上。显示器可以包括被配置成用于显示一 种或多种加工状态的一个视觉表示的一个视觉显示器。另外地或可替代地，显示器可以包 括被配置成用于提供一种或多种加工状态的一个音频表示的一个音频部件。
[0017] 在一些实施例中，该设备可以进一步包括被配置成用于接收信息的一个界面。接 收到的信息可以包括物体的加工状态的一个指示。另外地或可替代地，该信息可以包括至 少一个能量施加协议。在一些实施例中，信息可以被记录在一个机器可读元件上并且界面 可以被配置成用于从该机器可读元件中读取信息。
[0018] 本发明的一些其他方面可以涉及包括一个数据存储部分的一个机器可读元件，该 数据存储部分包括计算出的RF反馈的一个或多个存储值，这些存储值分别指示物体的一种 加工状态。任选地，一个或多个存储值可以包括指示物体的EM能量吸收性指标的多个值。
[0019] 本发明的一些示例性实施例可以包括用于加工置于能量施加区域中的物体的一 种方法。该方法可以包括施加 RF能量以接收计算出的RF反馈;在加工期间监测计算出的RF 反馈，其中计算出的RF反馈与物体的一种或多种加工状态相关；以及当计算出的RF反馈达 到一个目标值时，终止物体的加工。加工物体可以包括施加热量(例如，通过对流加热或IR 加热）以加热该物体。其中施加热量可包括通过对流加热或IR加热来加热该物体。
[0020] 本发明的一些方面可以涉及一种机器可读元件，该机器可读元件包括指示用于至 少一个控制器的指令的数据以在一个能量施加区域控制与该机器可读元件相关联的一个 物体的加工，这些指令可以被配置成用于使至少一个控制器:根据一个第一协议并且在从 能量施加区域接收到的RF反馈满足一个标准之前的一个第一时间段期间将能量施加到该 能量施加区域；以及根据一个第二协议并且在从能量施加区域接收到的RF反馈满足该标准 之后的一个第二时间段期间将能量施加到该能量施加区域。
[0021] 在一些实施例中，施加能量可以包括通过至少一个福射元件施加 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/或施加对流加热。
[0022] 在一些实施例中，从能量施加区域中接收到的RF反馈可以提供物体的EM能量吸收 性的一个指示。
[0023] 在一些实施例中，指示指令的数据可以包括该标准;任选地该标准可以包括RF反 馈的一个阈值。另外地或可替代地，指示指令的数据可以包括第一协议和第二协议中的至 少一者。在一些实施例中，数据可以包括物体的一个身份并且任选地这些指令可以进一步 被配置成用于使至少一个控制器根据该物体的身份选择第一协议。可替代地，这些指令可 以被配置成用于使至少一个控制器根据所接收的RF反馈选择第一协议。
[0024] 在一些实施例中，指令可以进一步被配置成用于使至少一个控制器根据物体的一 个初始加工状态选择第一协议。任选地，这些指令可以被配置成用于使至少一个控制器基 于从能量施加区域中接收到的RF反馈来确定物体的初始加工状态。
[0025] 在一些实施例中，第二协议包括终止EM能量施加。任选地，第一协议和第二协议中 的至少一者可以包括从多个激励设置中选择一个或多个激励设置，并且在选定的一个或多 个激励设置和/或用于施加 RF能量的参数下施加 RF能量。在一些实施例中，第一协议和第二 协议中的至少一者为一个默认协议并且其中指示指令的数据可以包括用以使用该默认协 议的一个指令。
[0026]在一些实施例中，RF反馈与在EM能量施加期间变化的物体的一种加工状态相关。 任选地，在EM能量施加期间变化的物体的加工状态由以下几者中的一者或多者来指示:温 度、水分、湿度、压力、化学成分、体积、重量、颜色、煮熟程度、密度、味道或松脆性。
[0027]本发明的一些另外的方面可以涉及用于对用于加工位于一个能量施加区域中的 一个物体的能量施加进行控制的一种方法和一种设备。一个控制器可以引起在从能量施加 区域接收到的一个RF反馈可以满足一个标准之前的一个第一时间段期间，根据一个第一协 议对能量施加区域的能量施加，并且随后引起在从存在物体的能量施加区域接收到的一个 RF反馈满足该标准之后的一个第二时间段期间，根据一个第二协议的能量施加。任选地，该 标准可以包括RF反馈的一个阈值。
[0028] 在一些实施例中，指示用于加工物体的指令的数据可以从与该物体相关联的一个 机器可读元件中读取，并且控制器可以根据这些指令进一步控制能量施加。在一些实施例 中，指令可以包括第一协议和第二协议中的至少一者。第一协议和第二协议中的至少一者 可以包括从多个激励设置中选择至少一个激励设置，并且在所选定的至少一个激励设置处 施加 RF能量。另外地或可替代地，第一协议和第二协议中的至少一者可以包括用于在多个 激励设置处施加 RF能量的多个参数。在一些实施例中，第一协议和第二协议中的至少一者 可以为一个默认协议并且其中指示指令的数据可以包括用以使用该默认协议的一个指令。
[0029] 在一些实施例中，标准可以从机器可读元件中读取。
[0030] -些实施例可以进一步包括使从机器可读元件中读取的数据与存储在一个存储 器中的信息相关联。任选地，存储器通过一个通信网络是可访问的。
[0031 ]在一些实施例中，RF反馈包括指示由物体可吸收的EM能量的一个值。
[0032]在一些实施例中，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 以包括以下项中的至少一者:施加 IR能量或施加对流加热。
[0033]在一些实施例中，物体的一个初始加工状态可以基于从能量施加区域中接收的RF 反馈来确定。另外地，第一协议可以基于物体的确定初始加工状态来选定。可替代地，物体 的初始加工状态可以基于从机器可读元件中读取的数据来确定。
[0034] 在一些实施例中，第二协议可以包括终止能量施加。
[0035] -些实施例可以包括识别物体。任选地，第一协议可以根据物体的身份来选定。
[0036] 在一些实施例中，在EM能量施加期间变化的物体的一种加工状态可以与RF反馈相 关。在EM能量施加期间变化的物体的加工状态可以由以下项中的一者或多者来指示:温度、 水分、湿度、压力、化学成分、体积、重量、颜色、煮熟程度、密度、味道或松脆性。
[0037] 本发明的一些其他实施例可以涉及一种机器可读元件，该机器可读元件将与在一 个能量施加区域中待加工的一个物体相关联，其中该机器可读元件可以包括指示一个标准 的数据，该标准用于通过至少一个辐射元件将RF能量施加从一个第一协议改变到一个第二 协议。任选地，当与从能量施加区域中接收的RF反馈相关联的一个值超过一个阈值时，标准 可以被满足。
[0038] 接下来的附图和详细说明包含与本发明一致的许多替代的示例。所披露的每一个 特征的概述超出了此概述部分的目的。为了本发明的示例性方面的更加详细的描述，应该 参考通过引用结合到此概述中的附图、详细说明，以及权利要求书。 附图简要说明
[0039]图1A和1B包括根据本发明的一些示例性实施例的用于将RF能量施加到一个物体 上的示例性设备的图解表示；
[0040]图2A到2B包括根据本发明的一些示例性实施例的谐振腔的图解表示；
[0041]图3A和3B包括根据本发明的一些实施例的用于基于RF反馈对向一个能量施加区 域的能量施加进行控制的两种方法的流程图；
[0042]图3C包括根据本发明的一些实施例的用于使一个物体的一种加工状态与RF反馈 相关并且用RF反馈记录该物体的该加工状态的一种方法的流程图；
[0043]图4包括根据本发明的一些实施例的用于基于一个标准控制用以加工一个物体的 能量施加的一种方法的流程图；
[0044] 图5包括根据本发明的一些实施例的在用于使RF反馈(平均DR)与一个香草蛋糕的 烹饪状态相关的一个烹饪实验中所获得的结果的图形表示；
[0045] 图6A呈现了根据本发明的一些实施例的来自比萨饼解冻和烘焙实验的结果；
[0046] 图6B表示根据本发明的一些实施例的用于一个解冻实验中的一个解冻协议；
[0001] 图6C表示根据本发明的一些实施例的用于一个烘焙实验中的一个烘焙协议；
[0002] 图7呈现了根据本发明的一些实施例的来自比萨饼烘焙实验的结果；以及 [0003]图8A和8B是根据本发明的一些实施例的可记录元件的表示。 详细说明
[0047] 现将详细参考本发明的示例性实施例，其示例被图示在附图中。当适当时，在整个 附图中相同的参考标号被用来指代相同或相似的零件。
[0048] 在一个方面，所披露的实施例可以涉及用于施加 EM能量的设备和方法。本文中所 使用的术语"EM能量"包括在所有或部分EM频谱中通过EM福射可传递的能量，该EM频谱包括 但不限于，射频(RF)、红外线（IR)、近红外线、可见光、紫外线等。在一个特定示例中，所施加 的EM能量可以包括具有在100km到1mm的自由空间中的一个波长的RF能量，该波长分别对应 于一个3KHz到300GHz的频率。在一些其他示例中，所施加的EM能量可以落在500MHz到 1500MHz之间或700MHz到1200MHz之间或800MHz到1GHz之间的频带内。将能量施加在EM频谱 的RF部分中在此被称为施加 RF能量。例如，微波和超高频(UHF)能量都在RF范围内。在一些 其他示例中，所施加的EM能量可以仅落在一个或多个工业、科学和医用（ISM)频带内，例如 在433.05MHz与434.79MHz之间、在902MHz与928MHz之间、在2400MHz与2500MHz之间，和/或 在5725MHz与5875MHz之间。尽管在此结合RF能量的施加描述示例，但这些描述仅提供用以 说明本发明的几个示例性原理，且并不意欲将本发明限制到EM频谱的任何特定部分。
[0049] 本发明的一些实施例可以涉及用于任选地通过将热量从一个热源施加到物体上 来加工物体的设备和方法。可以施加热量以解冻一个冷冻物体、以烹饪或烘焙一种食品、以 加速一个化学反应、以干燥物体(例如，衣服）、以烧结零件(例如，粉末零件），以固化聚合物 等。热量可以通过一个对流热源来施加，该对流热源包括(例如)一个加热元件，诸如一个灯 丝。另外地或可替代地，热量可以从一个IR源施加，例如，一个IR灯。任选地，热量可以从被 配置成用于供应RF能量的一个RF源施加，例如，一个磁控管或一个固态功率放大器。在一些 实施例中，两种或更多种类型的热源可以用于加工物体。两种或更多种类型的热源可以同 时或按顺序或以这两种方式施加。例如，RF能量和对流加热可以在部分或所有的时间内同 时施加，在该时间内，施加能量以加工物体。在一些实施例中，不同的能量源可以交替或连 续地施加。该施加不限于任何特定的热源。
[0050] 在一些实施例中，在一个物体的加工之前、期间和/或之后，可以施加 RF能量以感 测（也即，检测、监测等)该物体的一种或多种加工状态