CN103384820A - 利用电磁信号的高速变质检测 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于检查具有经历变质的物质的包装的盒的系统。电磁信号（例如，太赫频率信号）被导向盒中的每个包装，并且接收衰减信号并对其取样以产生对应于每个包装的一组数据点。检测每组数据点内的峰值，并且相对于时间移动数据点以使检测到的峰值与预定时间对齐。将该多组移动的数据点与数学模型进行比较，以确定包装中的物质是否变质，并且标签系统标记容纳有变质物质的盒。

Description

利用电磁信号的高速变质检测

本申请要求2010年12月30日提交的美国临时申请No. 61/428,647的优先权，该美国申请的全部内容通过引用合并于此。

技术领域

本发明涉及对包装的污染物无损检查。更具体地，本发明涉及通过分析来自包装的电磁信号无损检查包装中的变质情况。

背景技术

被包装的物质，诸如意在被人类消费的液态产品，在封装时会变质（即，有害细菌或其它微生物的生长）。示例性的这类液态产品包括但不限于婴儿、幼童和成人的营养食品，强化剂和膳食补充剂。这类物质可以在包装期间保持无菌（即，无菌包装）或可以在包装之后杀菌（例如，巴氏消毒）。在包装之后杀菌会改变物质的某些性质。例如，巴氏消毒可导致营养食品中需要的蛋白质分解，降低食品的营养值。

测试这类包装中的变质情况的一种方法是在视觉查验包装之前允许相对长的孵化周期。视觉查验可能无法识别一些细菌导致的变质或者不能识别具有生长相对慢的污染物的包装中的变质。因此，消费者可能购买和使用含有变质物质的包装物。此外，工业规模的视觉查验需要在培训和人力上的大量投资，并且经视觉查验的包装必须是透明并且可单独检查的（即从容纳多个包装的盒中取出）。这增加了生产成本且降低了响应于产品需求变化的灵活度。

检查容纳变质物质的包装的另一种方法是通过破坏性测试，其中包装必须被打开或以其他方式不能使用，诸如PH分析和培养。每种破坏性测试方法都具有其自身的缺点，诸如不能检测早期变质或对某些细菌或污染物不敏感。然而，更重要的是，破坏性测试需要打开包装对物质进行取样。打开包装对物质进行取样的动作再次引入污染和变质的可能。因此，对于前进的给定包装可能不会对其物质进行任何测试。因此，测试的任意包装作为产品批次的代表并且被取样的包装本身被剔除。这导致批次测试不完整、过多产品被浪费以及大量时间支出，这降低了响应于产品需求变化的灵活性。

发明内容

在一个实施例中，设备检查容纳经历变质的物质的一盒包装。系统包括检查系统、处理器和标签系统。检查系统包括电磁源、多个电磁扫描系统和取样器。盒中的每个包装具有相应的电磁扫描系统。电磁源产生电磁信号，并且多个电磁扫描系统中的每个将产生的电磁信号导向该盒包装中的相应包装。多个扫描系统中的每个从相应的包装接收衰减的电磁信号，并且取样器对接收的衰减信号中的每个进行取样，以产生表示预定时间段内接收的衰减信号的振幅的一组数据点。处理器通过检测该组数据点内的峰值，基于检测到的峰值相对于时间移动数据点，并且在无需根据该组数据点产生图像的情况下确定被移动的数据点是否对应于容纳未变质物质的包装。标签系统标记具有容纳变质物质的包装的任何盒。可选择地，所述设备包括用于从托盘移除多盒包装以进行检查并且在检查之后送回未变质的盒的机器人。所述设备还可以包括用于从检查系统去除被标签系统标记的包装的剔除系统。检查系统更合适地是质量检查系统，其自身可以大体限定具有检查系统的生产线。在一个实施例中，处理器通过将移动的数据点与至少一个数学模型进行比较来确定包装是否容纳了变质物质。

在另一实施例中，建立数学模型以确定包装中的物质是否变质。物质被无菌包装在多个包装中，并且在第一批多个包装中注入第一污染物。保持第二批多个包装处于无菌状态。在可选择的孵化周期之后（例如21天），检查多个包装中的每个。在检查期间，将电磁信号导向到包装，接收衰减的电磁信号并对其取样以产生一组数据点，检测该组数据点内的峰值，并且相对于时间移动数据点以使检测到的峰值与预定时间对齐。分析该组被移动的数据点以确定使对应于第一批包装的多组移动数据点与对应于第二批包装的多组移动数据点之间的区别最大化的数学模型。可选择地，在检查之后，可以对第二批包装中的每个包装进行破坏性测试以确认包装中物质的未变质或无菌状态。在一个实施例中，通过将组中的每个数据点作为独立变量来处理并且执行正交偏最小二乘计算（orthogonal partial least squares calculation）来确定使两批包装的多组数据点之间的区别最大化的数学模型。可选择地，在确定数学模型之前，可以在每组数据点中加入额外的变量。额外的变量来自于该组数据点（例如，该组数据点中的第一峰值的振幅和该组数据点中的第二峰值的振幅之比）。

本发明的实施例还提供用于确定寻找容纳变质物质的包装和容纳未变质物质的包装之间的区别的数学模型的系统和方法以及利用改数学模型检查变质的物质包装盒的检查系统。

附图说明

通过阅读结合附图的以下描述，本发明的前述目的、特征和优点将变得更加显而易见，在附图中：

图1是从容纳经历变质的物质的包装接收到的衰减电磁信号的大小随时间变化的示例性曲线图。

图2是从多个包装接收的多个衰减电磁信号的大小随时间变化的示例性曲线图。

图3是图2的曲线图的放大部分。

图4是在基于每个衰减电磁信号的峰值相对于时间对齐衰减电磁信号之后如图3所示的图2的曲线图的放大部分。

图5是示出根据本发明的产生数学模型的方法的流程图。

图6是选定变量的图表，该变量使对应于容纳无菌物质的包装和容纳变质物质的包装的矢量之间的区别最大化。

图7是检查系统的立体图，该检查系统用于检查容纳经历变质的物质的包装的情况。

图8是图7的检查系统的俯视图。

图9是图7和8的检查系统的侧视图。

图10是检查系统的立体图，该检查系统用于处理容纳经历变质的物质的各个袋。

具体实施方式

为了促进对本发明原理的理解，现在将参照实施例并且将用特定语言描述实施例。然而，应该理解，实施例并非意在限制权利要求的范围，对于本发明所属领域的技术人员来说，通常可以容易地构想出本文所示的本发明的这些改变和进一步改型。

本文使用的冠词“一”是指一个或多于一个（即至少一个）该冠词的语法宾语。通过举例，“元件”表示至少一个元件并且可以包括多于一个的元件。

除非另有限定，本文使用的所有技术术语具有与本发明所属利用的普通技术人员通常理解的含义相同的含义。

本发明提供用于快速区别容纳变质物质的包装和容纳未变质物质的包装的系统和方法。如在此使用的，术语“物质”是指液态产品，更适当地说是用于人类消费的液体。术语“液态产品”表示可流动的非固态产品，包括例如但不限于，水溶液、具有可确定粘度的溶液、乳剂、胶体、糊剂、凝胶、分散剂和其它可流动非固态产品，因此不包括诸如条的固态产品和诸如粉末的微粒产品。

总体而言，当来自电磁源的电磁信号经由电磁扫描系统被导向包装时，包含这种物质的包装被扫描，然后电磁扫描系统接收到衰减的电磁信号并取样产生一组数据点。在一个实施例中，电磁扫描系统包括发射电磁信号并接收电磁信号的反射（其是衰减信号）的扫描头。在另一实施例中，电磁扫描系统包括发射器和相应的接收器，其中发射器位于包装的第一侧上，而相应的接收器位于包装的与第一侧相对的第二侧上，从而使得衰减信号是已经穿过包装和物质之后的电磁信号。基于在一组数据点中检测的峰值和预定时间相对于时间对齐通过扫描获得的数据点，并且基于该组对齐的数据点而不必利用该组数据点产生图像，来确定包装是否容纳了变质物质。在一个实施例中，电磁信号的频率在约0.02太赫至约3.5太赫的范围内并且波长在约0.3mm和约3mm之间，并且该组数据点包括在320皮秒的预定时间段内取样的4096个数据点。

容纳被检查物质的包装通常可以是用于容纳经历变质的物质的任何合适包装，包括但不限于，玻璃或塑料瓶、塑料容器、由薄膜或其它塑料制成的包或袋以及其它合适的包装。在一个更合适的实施例中，包装对于至少一个频率或波长的电磁信号基本透明。作为一个非限定性例子，一个这种包装可包括由包括纺织材料、无纺材料、薄膜、层压制件或其结合的任何合适材料形成的袋。更具体地，合适的袋可以包括具有内层和外层的双层层压制件，内层由共挤成型的线性低密度聚乙烯（LLDPE）和乙烯乙烯醇（EVOH）形成，并且外层由涂覆阻挡层的聚对苯二甲酸乙二酯（PET）形成。在另一实施例中，袋可以包括具有内层、外层和中间层的三层层压制件，内层50由共挤成型的线性低密度聚乙烯（LLDPE）和乙烯乙烯醇（EVOH）形成，外层由作为阻挡层涂覆的聚对苯二甲酸乙二酯（PET）形成，并且中间层由涂覆氧化铝的PET或乙烯乙烯醇形成。可以构成这种袋的其它合适材料，诸如二氧化硅和高密度聚乙烯，也包括在本发明的范围内。还可以构想到，在一些实施例中，多个包装（每个都容纳经历变质的物质）被共同包装在外包装或盒（例如，纸盒、塑料膜或其它合适的盒）中。

参照图1，该图示出由于容纳物质的包装而衰减的电磁信号的一个例子。在该例子中衰减的电磁信号从容纳物质的包装反射回来。在图1的曲线图中，y轴（即竖轴）是大小、振幅或强度，而x轴（即水平轴）是样品数量或时间。第一峰值102、第二峰值104和第三峰值106表示包装和容纳在包装中的物质之间的第一边界。第四峰值108表示物质和包装之间的第二边界。第二边界与第一边界相对。例如，第一边界处于包装的底部，而第二边界处于包装的顶部，或者第一边界是包装的第一侧，而第二边界是与第一侧相对的包装的第二侧。

参照图2，在公共轴线上绘制了通过扫描多个包装而产生的多组数据点。如图1所示，y轴是大小、振幅或强度，而x轴是样品数量或时间。即使注意保持扫描头和每个袋之间的预定间隔和对齐，空间误差仍会产生并且在曲线图中作为时间误差表现出来。在图3中放大示出了图2中的多组数据点的第四峰值108。处理器使用数学算法来识别每组数据点中的峰值（例如，第一峰值102和第四峰值108），并且移动数据组中的每个数据点的时间位置，使得峰值与预定时间或样品数量对齐。当对比多组数据点时，未与时间对齐的衰减电磁信号作为变量被删除。图4示出在对齐数据点之后图3的多组数据点的第四峰值108。在一个实施例中，通过确定多组数据点中具有最大大小或强度的数据点来检测用于对齐或移动该组数据点的峰值。在另一实施例中，通过确定预定数量的相邻数据点的平均值以及确定峰值处于具有最大平均值的一组相邻数据点的中心的数据点处来检测峰值。其它数学峰值寻找算法被认为包括在本发明的范围内。在一个实施例中，使用MATLAB检测一组数据点内的峰值并移动数据点。MATLAB可从MathWorks公司获得，并且是MathWorks公司的注册商标。

参照图5，用于确定包装中的物质是否变质的数学模型的建立方法开始于步骤502。在502，经历变质的物质被无菌地包装在多个包装中。可以通过除无菌包装之外的方式对包装进行杀菌，诸如通过巴氏消毒或其它合适的杀菌技术。在504，第一批多个包装被注入第一污染物（即故意使容纳在其中的物质经历变质）。在一个实施例中，第一污染物为B. Subtilis、S. Epidermidis、L. Casei、E. Cloacae、酿酒酵母和/或C. Sporogenes中的至少一个。第二批多个包装保持处于无菌和杀菌（即未被注入细菌）状态。在一个实施例中，在504，第三批多个包装被注入以第二污染物。可选择地，504之后是孵化周期（例如21天）。在506，检查或扫描多个包装中的每个包装（即，从每个包装收集一组数据点）。检查每个包装包括在电磁源处产生电磁信号，将电磁信号导向包装处，接收衰减的电磁信号，对衰减的电磁信号取样以产生一组数据点，检测该组数据点中的峰值以及基于检测到的峰值移动数据点。数据点被移动为使得检测到的峰值与预定时间对齐。随后在506进行以下检查，可以通过包括破坏性测试的任意方式测试第二批多个包装，以便确保容纳在其中的物质尚未变质。

在508，分析通过检查多个包装而产生的多组数据点，以确定使第二批多个包装和任意其它批多个包装（即被注入以污染物从而使包装容纳的物质变质的任意批多个包装）之间的区别最大化的数学模型。在一个实施例中，通过将一组数据点中的每个数据点作为独立变量来处理并且基于所有变量执行矩阵或多维（例如20维）矢量分析，来获得数学模型。在一个实施例中，分析包括正交偏最小二乘分析以确定提供对应于变质物质的多组数据和对应于未变质物质的多组数据之间的最大区别的数学模型。SIMCA P⁺是Umetrics/MKS系统研制并可从其获得的软件包，其可以用于确定将区别最大化的变量之间的关系。在一个实施例中，独立变量被加入多组数据点中，包括第一峰值102的振幅、第二峰值104的振幅、第三峰值106的振幅、第一峰值102的振幅和第二峰值104的振幅之比、第三峰值106的振幅和第二峰值104的振幅之比、第一峰值102的振幅和第三峰值106的振幅之比、第二峰值104的位置、第二峰值104和第一峰值102之间的距离、第三峰值106和第二峰值104之间的距离以及峰值的宽度。

现在参照图6，在图5的方法中代表收集的多组数据点的多维矢量的2维图示示出了容纳变质物质的包装和容纳未变质物质的包装之间的聚类和区别。由于被分析的矢量或矩阵的多维（例如20维）特性，因此所示的四个轴是任意的。在图6中，BS对应于被注入以B. Subtilis的包装，SE对应于被注入以S. Epidermidis的包装，LC对应于被注入以L. Casei的包装，CS对应于被注入以C. Sporogenes的包装，而CONTROL对应于保持处于无菌或未变质状态的包装（即，测试控制）。

现在参照图7-9，根据本发明的一个实施例示出了检查系统的各种视图，该系统用于检查具有多个包装且每个包装容纳经历变质的物质的包装盒。贯穿图7-9，相应的附图标记表示相应的部件。在一个实施例中，可以在制造之后至少21天检查盒，以确保通过设备检测到任何污染物和由此导致的变质。第一机器人702从第一托盘704移除包装盒并将盒放置在传送带706上。传送带706将每个盒按顺序输送到用于倒转每个盒的第一倒转系统708。具有多个扫描头的检查系统机器人710扫描每个盒，并且检查系统机器人710上的标签系统标记确定具有容纳变质物质的包装的任何盒。

在一个实施例中，每个扫描头从一个共用电磁源接收电磁信号并且连续扫描包装，而在另一实施例中，每个扫描头具有产生电磁信号的相应电磁源。未示出处理器，该处理器用于分析检查系统机器人710获得的多组数据点，以在无需利用多组数据点产生图像的情况下确定盒中包装是否容纳变质物质以及哪个包装中容纳变质物质。在一个实施例中，标签系统通过识别数据库中的盒来标记盒，而在另一实施例中，标签系统通过在盒上设置紫外活性印花来标记盒。剔除系统712包括备用系统，该备用系统用于通过查询数据库或通过将盒暴露于紫外线并检测盒上的紫外活性印花来识别被标记的盒。剔除系统712从检查系统去除被自己识别为经标记的盒。第二倒转系统714扶正未被剔除系统712从检查系统中去除的盒，并且第二机器人716将扶正了的盒放置在第二托盘718上。在本发明的范围内，可以构想一个机器人可执行第一机器人702和第二机器人716两者的功能。

检查系统机器人710具有既包括多个扫描头也包括标签系统的头部。在一个实施例中，扫描头的数量与盒中袋的数量相匹配。在另一实施例中，检查系统机器人710具有8个扫描头，而每个盒可容纳6或8个袋，并且检查系统机器人710具有72盒每分钟的吞吐量。在一个实施例中，在检查之前，每个盒可以在被第一倒转系统708倒转之后静置至少20秒，并且检查系统机器人710和传送带706的区域（盒在该处被检查）被隔离而不会振动。

参照图10，用于检查容纳经历变质的物质的袋的检查系统的一个实施例包括摄像机1002和操作臂1004。当摄像机1002在传送带1030上检测到袋1040时，经由摄像机1002将操作臂1004导引到袋1040，并且操作臂1004将袋1040放置在真空传送带1006上。袋1004在真空传送带1006和安装在旋转组件上的扫描头1050之间穿过。旋转组件按压袋1040以使袋1040变平并且控制扫描头1050和袋之间的距离以便提高测量精确度。如果确定袋1040未变质，则空气喷嘴1008将袋吹到第一箱1010中，并且如果确定袋1040变质了，则袋1040掉入第二箱1020。

如在此使用的，处理器是指能够执行计算机可执行指令以实现本文描述的处理器功能的任何计算装置。处理器的例子有个人计算机、服务器、分布式计算环境、计算装置和专用集成电路。

通过以上描述，显然已经提供了改进的变质检测系统和方法。本领域技术人员无疑可以想到对本文描述的系统、设备、方法和其它应用进行的改变和改型。因此，以上描述应该被认为是说明性的而不具有限制意义。

在本说明书中引用的任何专利或公开文献都指示本发明所属技术领域的技术人员的水平。这些专利和公开文献通过引用合并于此，其引用程度等同于具体和单独地表示通过引用合并每个公开文献。

Claims (15)

1. 一种用于检查具有多个包装的盒并且确定每个包装中的物质是否变质的设备，所述设备包括：

检查系统，其包括：

     电磁源，其用于产生电磁信号；

     多个电磁扫描系统，每个电磁扫描系统对应于多个包装中的一个包装，所述电磁扫描系统用于接收产生的电磁信号、将所接收的信号导向到相应的包装并且从该相应的包装接收衰减的电磁信号；以及

     处理器，其用于根据从包装接收的衰减电磁信号确定每个包装是否容纳有变质物质。

2. 根据权利要求1所述的设备，进一步包括用于标记具有容纳变质物质的至少一个包装的盒的标签系统，其中：

所述检查系统进一步包括取样器，该取样器用于对接收的衰减信号进行取样并且产生表示预定时间段内接收的衰减信号的振幅的一组数据点；并且

所述处理器分析每组数据点，其中所述处理器：

     检测该组数据点内的峰值，

     基于所检测的峰值相对于时间移动数据点，并且

     将该组移动的数据点与至少一个数学模型进行比较以确定包装是否容纳有变质物质。

3. 根据权利要求2所述的设备，其中，所述处理器在无需根据数据点产生图像的情况下分析每组数据点，并且其中，处理器相对于时间移动该组数据点以便使检测到的峰值与预定时间对齐。

4. 根据权利要求2所述的设备，进一步包括用于从生产线去除被标签系统标记的盒的剔除系统，所述生产线包括所述检查系统，其中，对盒进行标记包括识别数据库中的盒，并且其中，剔除系统访问数据库以识别将从生产线去除的盒。

5. 根据权利要求2所述的设备，进一步包括用于从生产线去除被标签系统标记的盒的剔除系统，所述生产线包括检查系统，其中，标签系统通过在盒上标记紫外线活性印花来标记盒，并且其中，剔除系统包括紫外线源和用于检测盒上的标记的扫描器。

6. 根据权利要求1所述的设备，进一步包括用于从托盘移除盒以便通过检查系统进行检查的第一机器人和用于将经检查的盒放置在托盘上的第二机器人。

7. 根据权利要求2所述的设备，其中，标签系统标记盒以识别盒中的哪个包装容纳有变质物质。

8. 根据权利要求1所述的设备，其中，所述电磁信号在约0.02太赫至约3.5太赫的范围内。

9. 根据权利要求3所述的设备，其中：

所述物质被无菌包装到所述包装中；

所述物质是生物流体；并且

至少一个数学模型对应于容纳未变质物质的包装。

10. 根据权利要求1所述的设备，其中，所述包装包括线性低密度聚乙烯（LLDPE）、涂覆阻挡层的聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、涂覆氧化铝的PET、乙烯乙烯醇（EVOH）、硅氧化物（SiOx）以及高密度聚乙烯（HDPE）中至少一种。

11. 根据权利要求1所述的设备，其中，所述处理器通过确定包装中的物质包括B. Subtilis、S. Epidermidis、L. Casei、E. Cloacae、酿酒酵母或C. Sporogenes中至少一种来确定包装中的物质是否变质。

12. 一种用于检查具有多个包装的盒并且确定每个包装中的物质是否变质的方法，所述方法包括：

产生电磁信号；

扫描盒，所述扫描包括：

     在多个电磁扫描系统之一处接收产生的电磁信号，每个电磁扫描系统对应于盒中的多个包装中的一个，

     将所接收的信号导向到相应的包装，并且

     在相应的电磁扫描系统处从相应的包装接收衰减的电磁信号；

分析接收的衰减电磁信号；以及

基于所述分析确定包装是否容纳有变质物质。

13. 一种用于检查具有多个包装的盒并且确定每个包装中的物质是否变质的设备，所述设备包括：

检查系统，其包括：

     电磁源，其用于产生电磁信号；

     多个电磁扫描系统，每个电磁扫描系统对应于多个包装中的一个包装，所述电磁扫描系统用于接收产生的电磁信号、将所接收的信号导向到相应的包装并且从该相应的包装接收衰减的电磁信号；

     取样器，其用于对接收的衰减信号进行取样并且产生表示预定时间段内接收的衰减信号的振幅的一组数据点；以及

处理器，其用于分析每组数据点，其中，所述处理器：

     检测该组数据点内的峰值，

     基于所检测的峰值相对于时间移动数据点，并且

     将该组移动的数据点与至少一个数学模型进行比较以确定包装是否容纳有变质物质；以及

标签系统，其用于标记具有容纳变质物质的至少一个包装的盒。

14. 一种用于检查具有多个包装的盒并且确定每个包装中的物质是否变质的方法，所述方法包括：

产生电磁信号；

扫描盒，所述扫描包括：

     在多个电磁扫描系统之一处接收产生的电磁信号，每个电磁扫描系统对应于盒中的多个包装中的一个，

     将所接收的信号导向到相应的包装，并且

     在相应的电磁扫描系统处从相应的包装接收衰减的电磁信号；

对每个接收的衰减信号进行取样；

产生多组数据点，每组数据点表示预定时间段内接收的相应衰减信号的振幅；

分析每组数据点，所述分析包括：

     检测产生的该组数据点内的峰值，

     基于所检测的峰值相对于时间移动数据点，

     将该组移动的数据点与至少一个数学模型进行比较，以及

     基于所述比较确定包装是否容纳有变质物质；以及

标记具有容纳变质物质的至少一个包装的盒。

15. 一种用于检查具有多个包装的盒并且确定每个包装中的物质是否变质的设备，所述设备包括：

检查系统，其包括：

     电磁源，其用于产生电磁信号；

     多个电磁扫描系统，每个电磁扫描系统对应于多个包装中的一个包装，所述电磁扫描系统用于接收产生的电磁信号、将所接收的信号导向到相应的包装并且从该相应的包装接收衰减的电磁信号；

     取样器，其用于对接收的衰减信号进行取样并且产生表示预定时间段内接收的衰减信号的振幅的一组数据点；以及

处理器，其用于分析每组数据点，其中，所述处理器：

     检测该组数据点内的峰值，

     基于产生的数据点的检测峰值相对于时间移动数据点，并且

     在无需根据该组数据点产生图像的情况下确定该组移动的数据点是否对应于容纳变质物质的包装；以及

标签系统，其用于标记具有容纳变质物质的至少一个包装的盒。

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