空气耦合超声技术在食品内部异物无损检测中的应用研究：以牛肉汉堡肉饼和果冻板为例

为解决食品工业中内部异物(FB)检测难题，研究人员采用空气耦合超声技术(0.28 MHz)，通过构建SNORM和INT能量参数图像，成功实现牛肉汉堡肉饼(异质固体)和果冻板(均质半固体)中金属(5-10 mm)和塑料(5×5-10×10 mm)异物的非侵入式检测，平均信号衰减达41.0-94.4%。该研究为食品质量安全监测提供了新型工业化解决方案。

　　

食品工业面临严峻的内部异物检测挑战，传统X射线对低密度塑料、木材等"软污染物"灵敏度不足，而接触式超声存在污染风险且效率低下。更棘手的是，现有空气耦合超声技术因传感器信噪比(SNR)低、环境稳定性差等问题难以工业化应用。针对这些技术瓶颈，西班牙瓦伦西亚理工大学(Universitat Politècnica de València)食品工程研究所的研究团队创新性地采用调谐多层压电传感器，在牛肉汉堡肉饼和果冻板模型中系统评估了空气耦合超声的检测效能，相关成果发表在《Journal of Food Engineering》。

研究团队构建了自动化二维扫描系统，采用0.28 MHz非聚焦空气耦合超声传感器对样品进行透射扫描。通过计算时域信号的平方范数(SNORM)和积分(INT)创建超声图像，结合直方图分析建立检测阈值。样本队列包括商业汉堡肉饼(88%牛肉)和实验室制备的5%明胶果冻，嵌入了不同尺寸的金属垫片(5/10 mm)和热塑性聚氨酯塑料片(5×5/10×10 mm)。

3.1 异物对超声信号的影响

研究发现金属异物导致信号幅度最大降低94.9%(SNORM)和78.3%(INT)，塑料异物则为89.4%和71.5%。声阻抗失配分析显示金属(22.61 MRayl)与食品基质的阻抗差是塑料(1.05 MRayl)的20倍，时域信号出现明显左移(金属)或右移(塑料)，对应超声波速差异(金属3155.25 m/s vs 塑料917.55 m/s)。

3.2 超声图像检测

C扫描图像显示异物区域呈现特征性暗红色图案，果冻中的异物轮廓更清晰(均质性优于汉堡肉饼)。直方图分析表明含异物样本的偏度(SKW)显著增加(金属3.38 vs 对照0.98)，曲线下面积(AUC)差异达51.65-2582.56 V²·mm，实现100%分类准确率。

3.3 工业应用探索

模拟三传感器阵列的在线检测系统显示，中心扫描(CSC)能有效识别10 mm异物，SNORM阈值在汉堡肉饼(1546.12 V²·mm)和果冻(2582.56 V²·mm)间存在显著差异。边缘"死区"效应可通过信号门控技术缓解。

该研究证实调谐阻抗匹配的压电传感器可获得25.30-56.61的高SNR，远超文献报道值(1.63-33.7)。创新性提出非聚焦传感器阵列方案，在保证检测灵敏度(最小5 mm异物)的同时降低系统复杂度。研究为食品工业提供了首个兼具非破坏性、非接触式和高通量特性的异物检测解决方案，特别适用于现有技术难以识别的低密度污染物。未来需进一步优化边缘检测算法并扩展更多异物类型的检测数据库。