黃秋香

感測器技術於食品供應鏈應用已蔚為重要產業趨勢，Frost & Sullivan針對流體、壓力、溫度、光電、超音波、生物等感測器研究調查指出，2018年全球感測技術於食品飲料業的應用市場規模將達41.6億美元。近年國際食品廠商陸續採用，例如Finger Food整合機器學習、物聯網和全像圖像運算等技術，其將感測器所收集的啤酒生產數據進行圖像化分析。另，各國調整食品安全及汙染風險相關法規，帶動感測器擴大應用，尤以精確量測、壓力與溫度管控等最為廣泛。  

一、感測器於食品產業之應用範疇

感測器應用於食品業如環境、能源、製程、設備等面向進行監控，包括（1）感測器於食品批量生產和製程進行定點測量，例如溫度、流速、壓力等；（2）監測追蹤天然氣、電力和蒸氣等能源損耗；（3）追蹤反饋產品品質和修正生產參數，例如黏度、pH值、密度等。以對機械設備和加工生產，改進可靠性和管理生命週期，提供具成本效益之方法。目前食品業所運用食品感測器主要有三大類： 

（一）秤重感測器

     食品原物料成分的重量不受溫度、壓力所影響，因此瓶裝或罐頭生產線透過秤重感測器充填產品，且無論產品加工溫度或粘度如何，感測器可防止過度充填及精準充填，秤重感測器特別適用於麵粉和糖等固體原料。例如大型或不規則形狀、但品質佳的胡蘿蔔，可能因不符合標準規格而於秤重時被剔除，造成不必要的丟棄浪費。愛爾蘭蔬菜廠商Leo Dunne以結合秤重感測器、多光譜技術的金屬探測器、簡易操作的遠端遙控裝置的多頭秤重胡蘿蔔送料機；可快速啟動及滿足不同生產操作需求，大幅節省胡蘿蔔從送料、秤重和包裝等時間，提高包裝生產效率，減少停機時間與原料浪費，有能力對市場需求作出快速因應。  

 （二）溫度感測器

      溫度是食品飲料生產之重要參數，其不僅是乾燥或發酵過程關鍵變數，同時為產品殺菌步驟關鍵因子。然溫度感測器於食品應用存在一些挑戰，包括需能暴露於120℃介質、獲得NSF認證、可防水、與食物接觸點非金屬組成等。例如過去Cucina Sano食品廠商為符合國家、客戶與公司規範等要求，以人工監控整個食品工廠關鍵控制點，其導入無線溫度感測器後，自動化且連續性監控食品生產區域的溫度及關鍵控制點，針對溫度異常提供實時警報，感測資料能即時傳送至雲端系統分析，快速發現溫度變化與及時解決問題，降低生產成本及執行品質管制人力資源。

 （三）光學感測器

     食品業使用光學感測器於產品分類、檢測等生產流程，以識別食品原物料和產品的顏色、形狀等，部分特殊設計感測器甚至可捕獲真菌反射光強度，判斷黃麴毒素等污染物，或利用近紅外線感測器，測量肉類脂肪。例如美國FDA報告指出，馬鈴薯等高澱粉食物遇120℃以上高溫，會釋出丙烯醯胺化學物質，人體攝取太多恐有致癌疑慮；然非所有馬鈴薯於油炸過程都會產生大量丙烯酰胺，且未有可實時監測生馬鈴薯的方法。Tomra 公司與比利時Brussels大學合作開發雷射光學感測器，以光譜學監測馬鈴薯中丙烯醯胺的前體，藉前體物質對光學反射的訊號，從馬鈴薯原料剔除；該感測器可在油炸前掃描篩出可能產生大量丙烯醯胺的去皮馬鈴薯，提供非破壞性、不影響品質、挑出單獨有問題原料的篩選方法。 

二、感測器特色價值及功能
（一）擴大自動化檢測  

光學感測器系統朝小型化發展，有助於提升價格的可負擔性、可連接攪拌機和其他設備等；例如Si-Ware Systems、Spectral Engines Oy、Consumer Physics等公司，運用半導體式晶圓、元件蝕刻於芯片的蝕刻技術等，縮小光學感測系統體積，同時產生可分析的原始數據，未來感測器芯片將朝奈米大小發展。

小型化光學感測器可整合於食品生產線檢測系統，使用電磁波光譜任何波長，其中近紅外線（Near-Infrared，NIR）具備可更深層穿透產品、足夠精確度等優點。隨相關技術產品成本下降，Nestle、McCormick、Kraft、Cargill等跨國大廠已經佈署NIR感測器系統，應用於檢測咖啡豆水分含量、果汁糖度、肉品脂肪和水分含量、水果內部腐爛或中空等。目前食品工廠已證明NIR感測器成本趨於合理，因短時間內感測系統所產生數據，會反饋到產線效能與生產排程等自動調整，進一步提高食品產量。

近年零售業者對生鮮食品品質採取零容忍政策，為滿足下游客戶不同產品規格要求，以往產品需多次通過分揀機檢測分級，但會增加產品品質劣化可能性，透過光學感測系統的360°圖像，可有效剔除汙染物和缺陷產品。未來光學感測系統數據將朝線上即時分析、預測品質趨勢和其他生產指標等功能發展。  

 （二）協助客製化生產  

電子商務快速發展，加上季節性變化大，意味食品生產線必須能夠製造多樣化產品，但會增加食品飲料生產彈性的困難度，生產線路與組件設計、軟體和感測器應用等皆是解決方法。 

部分食品廠商使用伺服電機和感測器，識別輸送帶上產品的位置、方向、速度等，並與生產線或包裝線的充填機、檢重器等設備串聯同步，可針對不同糖果組合、披薩包裝尺寸大小等，實現大量客製化。例如Krones裝瓶系統的輸送帶感測技術，可同時進行不同容量飲料充填，或不同瓶蓋密封、不同標籤貼附。 

提升生產線靈活性和機械可靠性是食品廠商的挑戰，因速度、精準性和穩定度對不同產品產線轉換相當重要，有助於減少生產時間損失和不合格產品。例如Kraft公司穀物產線結合感測器、控制器和軟體等，精準量測機器位置的最佳設置，監控高速產線轉換後組件穩定性。    

（三）有利於預測性維護  

食品設備停機屬隨機事件，這解釋為什麼故障預測是食品業難以實現的目標，其他產業已驗證預測性維護具有可能性，而食品業實施的最大障礙是成本和時間，因預測性維護需產線歷史數據累積。紅外線、超音波、振動等感測器工具成本逐年下降，然價格可能高於小型食品飲料廠商的資金預算。若欲達預測性維護目的，所運用感測器不單只是產生數據，尚需能提供產線資訊反饋功能。 

預測特定機器的故障，應用正確感測器是一項挑戰，另需廣泛樣本數據來進行可靠預測。例如近年來West Liberty Foods熟食肉品加工商積累切片機的設備性能故障和修復等大量數據，經分析可進行預測性維護。另Tetra Pak公司為提供設備遠端監控服務，強化每台伺服電機感測器感知能力，感測器數據上傳到雲端運算分析，Tetra Pak技術專家會提供遠端維護服務；例如停機時，善用感測器分析數據外，美國液態乳加工廠佐以智能擴增實境眼鏡，實時查看工廠設備，加速設備故障原因識別，提高整體工廠運轉可靠性和生產率。  

三、結語

無線感測器是未來食品生產關鍵：部分食品工廠環境或設備為高溫、高壓、潮濕等特性，不適宜佈署有線感測器，且有線食品感測器需連接到可程式邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）或其他控制器，要花費較長時間規劃電線佈線、PLC編程、電工配置等。無線感測器無需線路基礎設施，另可以較短時間與低技術人員進行配置、具自動形成和修復等功能，因應不同生產環境變化，可快速重新修正調整頻率和通訊路徑。  

國內食品業者需以感測器為智慧製造築底：國內食品業者自動化程度較低者，亟需評估加工製程與產品品質危害因子風險，以建立製程監控點與設立感測器，例如食品化學感測器、食品線上物理感測器、自動化設備感測器等，協助建置工廠生產製造感知層，以利於生產線不同製程階段間人機介面資訊整合，尤以舊產線設備要升級，上述措施相當重要，可大幅協助業者快速進入生產製造自動化與智慧化階段。

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