CN103480586A - 一种双红外在线塑料材质分选装置 - Google Patents

Abstract

一种双红外在线塑料材质分选装置，包括宽带红外光源、输送带、聚光装置、背景装置、分光装置、两片红外带通滤光片、两个镜头，及两路红外线阵传感器，宽带红外光源照射到经输送带传到背景装置上的塑料表面，塑料表面反射回的光经分光装置等分为2路，2路光分别经红外带通滤光片后，由各自的镜头接收，成像在红外线阵传感器上。其中一片红外带通滤光片观察的波长范围为1150～1230nm，另一片观察的波长范围为1600～1700nm。红外线阵传感器为标准型InGaAs红外线阵传感器。本发明的优点在于：能有效在线区分PET和PVC材质的塑料，分光方式简单易行，因采用特定观察波长范围的红外带通滤光片，因此可采用成本较低的标准型InGaAs红外线阵传感器，具有重要的现实意义和广泛的应用前景。

Description

一种双红外在线塑料材质分选装置

技术领域

本发明涉及光电分选技术领域，尤其涉及一种双红外在线塑料材质分选装置。

背景技术

在塑料应用范围越来越广泛的现代社会，将废塑料回收并按种类分开具有重要的现实意义，尤其是将PVC从PET中分开并去除的需求较为迫切。这两种材质的塑料用途广泛，密度相近，不易为人眼区分，且互为污染物，PVC塑料的热稳定性较差，长时间加热会导致分解，放出HC1气体。在纺织工业中，废旧PET回收生产纺织纤维时，PVC成分含量的高低将严重影响产品质量。因为PET的熔融温度较高，在PET处理温度上PVC会严重降解，使得PET表面出现一层黑斑，且PVC拉伸度小，在抽丝过程中极易出现断头，严重影响纺丝的正常进行。因此，将PVC塑料从PET废旧塑料中分解出来，减少PET瓶片杂质含量是现阶段制约PET废旧塑料回收利用的关键环节。

目前废塑料分类的方法有人工、X射线、溶剂、静电和密度等方法，这些方法在对大量塑料进行辨别时，有一定的局限性。X射线可以用来检测重金属原子和卤族元素(含氯PVC)，但无法检测其他塑料。而光学方法则可以实现精度高、速度快、非破坏在线识别。其中，可见光可根据塑料的颜色进行分类，而近红外光则可以根据常见塑料的材质类型进行快速分类。

近红外光谱技术（780-2526nm）是塑料材质自动分选广泛使用的技术之一。近红外光经聚合物分子振动的倍频和组合频吸收后，其吸收谱能够表征相关官能基团，如O-H、N-H、C-H等。若塑料中无其它添加成分（如碳黑、染料等），利用近红外技术可以较容易的区分不同的塑料。但近红外光谱技术一般不适用于鉴别黑色或深色的塑料。

Scott的文献“A two-color near-infrared sensor for sorting recycledplastic waste”（双色近红外传感器分拣回收废塑料）和MSS公司的专利US5966217的原理基本一致，通过卤素灯照射塑料，测量塑料的透射或反射光，利用分束片或者光纤将光分为2部分，通过1660nm和1716nm的带通滤光片后，由单点传感器来观测这两个波段的信号，通过这2个波长处的信号比例来区分PET和PVC这两种塑料片。

NRT公司的专利US6610981主要解决片状塑料检测过程中由于层叠、团聚等造成的误判问题。该专利将塑料的反射光通过光纤分为2部分，分别经过1639nm和1716nm的滤光片后进入相应的单点探测器来探测2波长处的信号比例。该专利指出，如使用两滤波片中心波长为1660nm、1716nm，在层叠或团聚情况下有可能发生误判。

上述这些方法在识别PET和PVC时，主要采用1660nm和1716nm的吸收峰作为特征波长，目前在主流的应用中，近红外探测多采用InGaAs材质的传感器，而标准型的InGaAs传感器(波长响应范围：900-1700nm)无法满足长波长探测要求，需要采用扩展型的InGaAs传感器才可以探测到1716nm这个特征波长，而这类扩展型传感器价格昂贵，目前单点扩展型InGaAs传感器的成本为比相应标准型产品价格高2倍左右，线阵扩展型InGaAs传感器的成本比对应标准型产品价格高3倍以上，在很大程度上增加了设备的成本。

此外，上述专利或方法所采用的信号探测方式，往往只能采用单点传感器，给出原理性分选方案，而难以采用线阵传感器进行多通道同时观测。在实际大产量的在线应用中，这些方法还需解决通道扩展问题，比如需要采用旋转光学扫描多面镜或高速扫描振镜来实现横向方向的扫描，而光学扫描多面镜等部件为精密光学元器件，对机械装置的精度及长期稳定性要求很高，维护起来也较为困难。

发明内容

本发明的所要解决的技术问题在于在于提供一种成本低、装置简单、易于实现和实用化，并且识别率与已有设备基本相同的双红外在线塑料材质分选装置。

本发明采用以下技术方案解决上述问题：

一种双红外在线塑料材质分选装置，包括宽带红外光源、输送带、聚光装置、分光装置、控制系统、剔除装置、两片红外带通滤光片、两个镜头，以及两路红外线阵传感器，宽带红外光源照射到塑料的表面，塑料表面反射回的光经分光装置等分为2路，2路光分别经过能够透过塑料特征波长的红外带通滤光片后，由各自的镜头接收，成像在红外线阵传感器上，所述控制系统对成像在红外线阵传感器上的2组图像信号的灰度值进行比例分析后判断出异物并驱动所述剔除装置将异物剔除。本发明所采用的滤光片，其中一片观察的波长范围为1150～1230nm，优选在1190nm左右，另一片观察的波长范围为1600～1700nm，优选在1660nm左右。采用这2个特征波长的滤光片，主要是要将PET中的PVC识别出来，也可将PET中的其他塑料(如PP、HDPE等)等识别出来，通过改变滤光片，也可将其它类型的塑料识别出来。

因为本发明所选用的上述红外带通滤光片，所以本发明采用价格相对较低的标准型InGaAs红外线阵传感器。

所述双红外在线塑料材质分选装置还包括背景装置，红外光源照射到经过输送带传送到背景装置上表面的塑料表面。

优化的，所述宽带红外光源的汇聚方向与分光装置的观测方向对称分布。

优化的，分光装置的观测方向与竖直方向倾斜一定角度。

作为本发明分光装置的第一种技术方案，所述分光装置采用分束镜，塑料表面反射回的光，一部分透过分束镜经过红外带通滤光片后，经镜头成像在红外线阵传感器上，另一部分被反射经过红外带通滤光片后，经镜头成像在红外线阵传感器上。

作为本发明分光装置的第二种技术方案，所述分光装置采用红外二向色镜代替分束镜，高于特定波长的塑料表面反射回的光经红外二向色镜透过(反射)，低于特定波长的塑料表面反射回的光经红外二向色镜反射(透过)，两路信号再经红外带通滤光片后，由各自的镜头接收，成像在红外线阵传感器上。

通过在输送带宽度方向并行布置若干组上述双红外分选装置，就可以方便地进行通道扩展，以满足不同的分选产量需求。

本发明的优点在于：通过观察塑料在2个特征波段的红外光反射信号，合成双红外图像，能够有效在线区分常见的生活废品塑料，特别适用于透明塑料的识别，如PET和PVC材质的塑料，且塑料整瓶和瓶片都可以识别。光源采用价格低廉的大功率卤素灯，通过椭圆形的反光罩聚光后，有效地提高了光源的利用率；分光方式简单易行，采用分束片或者二向色镜作为分光元件，通过红外带通滤光片观察特征波段的信号，相对于棱镜、光栅等分光方式，降低了难度和复杂度；传感器采用灵敏度较高、成本相对较低的标准型InGaAs红外线阵传感器；可根据产量要求方便地在输送带宽度方向上并行扩展通道数目，而无需采用机械结构相对复杂、稳定性要求较高的旋转光学扫描多面镜或高速扫描振镜。该装置可广泛应用于塑料材质分选领域，具有重要的现实意义和广泛的应用前景。

附图说明

图1为双红外塑料材质分选装置整体结构图。

图2为双红外分光装置原理图。

图3为光源的2种布置方式。

图4为镜头视场范围。

图5为背景装置结构图。

图6为PET和PVC的双红外图像示意图。

图中所有箭头方向均为输送带(即物料)运动方向。

图中部件名称：1：红外分光装置；2：聚光装置；3：宽带红外光源(卤素灯)；4：背景装置；5：输送带；6分光装置的观测方向；101：红外分束片或二向色镜；102、103：红外带通滤光片；104、105：镜头；106、107：红外线阵传感器(光敏面的长度方向与输送带宽度方向平行)；401：红外玻璃；402：背景板

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

以分选PET和PVC材质的塑料瓶片或整瓶为例，图1和图2示出了本发明提供的双红外在线塑料材质分选装置的一个实施例示意图。该装置包括宽带红外光源(卤素灯)3、输送带5、聚光装置2、分光装置1、背景装置4、控制系统和剔除装置（图未示）、红外分束片或二向色镜101、红外带通滤光片102和103、镜头104和105，红外线阵传感器106和107。

针对不同的应用需求，光源3采用300-500W的卤素灯，经聚光装置2聚光后汇聚于背景装置4上方约10mm处，形成宽度在20-40mm宽的聚光区域。待分选塑料经速度约为2m/s的输送带5传输，物料在输送带末端抛出，经过背景装置4上方的聚光区域时，反射光被分光装置1所接收。在分光装置1中，塑料的反射光被分束镜101等分为2部分，一部分透过分束镜，经过红外带通滤光片102后，经镜头104后成像在红外线阵传感器106上，另一部分被反射，经过红外带通滤光片103后，经镜头105后成像在红外线阵传感器107上。所述控制系统对成像在红外线阵传感器106和107上的2组图像信号的灰度值进行比例分析后判断出异物并驱动所述剔除装置将异物剔除。经过仔细调节，2路线阵传感器互相平行，且对应像元可分别观测来自塑料同一部位的光信号。

上述红外带通滤光片102和103的中心波长分别为1190nm和1660nm，分别对应PVC和PET塑料的特征吸收峰，与现有技术中分选这两种材质时经常采用的1660nm和1716nm滤光片不同，本发明所选用的滤光片，仅配合采用价格相对较低的标准型InGaAs红外线阵传感器即可，这样可大幅度降低装置的成本。

图2中的分光装置可采用2个相同的标准型InGaAs红外线阵传感器106和107(如Hamamatsu，G9494)，该传感器的光谱响应范围为900-1700nm，完全包含本发明所观测的塑料特征波长。通过2路信号合成的塑料双红外图像，通过对图像上的2组信号灰度值进行比例分析，能有效识别出PVC。图6示意地给出PET和PVC的双红外图像，在实际拍摄图片时，白平衡校正后，以1660nm处的图像为R分量，以1190nm处的图像为G分量合成伪彩图像来进行直观地识别，由于PET在1660处有明显吸收，因而PET的合成图像呈现绿色，PVC在1190nm处有一小的吸收峰，PVC的合成图像呈现暗黄色，从而可通过常规的色选方法将两种塑料分选开来。

在本实施例的照明方式中，2盏卤素灯的汇聚方向与分光装置的观测方向6对称分布，其夹角约为20°，在上视图方向，光源的布置方式既可采用图3a的方式，使分光装置1与卤素灯错开一定的距离，也可使对称的2盏光源与分光装置1分布在一条直线上，如图3b所示。

本实施例中，在探测塑料的反射光时，为了减少塑料的镜面反射，将分光装置1的观测方向6与竖直方向倾斜一定角度，如图1所示。这样在本发明的照明方式下，物料的镜面反射几率大为降低。

图4给出了该实施例单个通道所能观察的范围，选择合适的镜头104、105，镜头104、105至物料观察面的距离h约为800mm时，所能观察的物料面宽度d约为300mm，在以512像元的线阵传感器为例，单个像元的理论分辨率低于1mm。

需要说明的是，本实施例采用白色材料作为背景板402，为了防止背景板被灰尘等杂质污染，或者被物料经过时划伤，在其上表面覆盖一层透明玻璃401，厚度为2-3mm，这样形成背景装置如图5所示。

本专利申请也可按第二种技术方案来实施，以红外二向色镜代替分束镜101，高于特定波长(如1500nm)的红外光经红外二向色镜透过(或反射)，低于特定波长(如1500nm)的红外光经红外二向色镜反射(或透过)，两路信号再经由能够透过塑料特征波长的上述红外带通滤光片后，由各自的镜头接收，成像在红外线阵传感器上，最后2路信号合成一幅图像，通过该图像来实现不同材质塑料的识别，该方案在同等条件下光强信号是第一种技术方案的2倍，在一定程度上有利于信噪比的提升。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种双红外在线塑料材质分选装置，包括宽带红外光源、输送带、聚光装置、控制系统和剔除装置，其特征在于：还包括分光装置、两片红外带通滤光片、两个镜头，以及两路红外线阵传感器，红外光源照射到塑料表面，塑料表面反射回的光经分光装置分为2路，2路光分别透过红外带通滤光片后，由各自的镜头接收，成像在红外线阵传感器上，所述控制系统对成像在红外线阵传感器上的2组图像信号的灰度值进行比例分析后判断出异物并驱动所述剔除装置将异物剔除。

2.如权利要求1所述的双红外在线塑料材质分选装置，其特征在于：其中一片红外带通滤光片的透过波长范围为1150～1230nm，另一片红外带通滤光片的透过波长范围为1600～1700nm。

3.如权利要求2所述的双红外在线塑料材质分选装置，其特征在于：所述两片红外带通滤光片的透过波长分别为1190nm、1660nm。

4.如权利要求2或3所述的双红外在线塑料材质分选装置，其特征在于：所述红外线阵传感器为标准型InGaAs红外线阵传感器。

5.如权利要求1所述的双红外在线塑料材质分选装置，其特征在于：所述双红外在线塑料材质分选装置还包括背景装置，红外光源照射到经过输送带传送到背景装置上表面的塑料表面。

6.如权利要求1所述的双红外在线塑料材质分选装置，其特征在于：所述宽带红外光源的汇聚方向与分光装置的观测方向对称分布。

7.如权利要求1所述的双红外在线塑料材质分选装置，其特征在于：分光装置的观测方向与竖直方向倾斜一定角度。

8.如权利要求1所述的双红外在线塑料材质分选装置，其特征在于：所述分光装置采用分束镜，塑料表面反射回的光，一部分透过分束镜经过红外带通滤光片后，经镜头成像在红外线阵传感器上，另一部分被反射经过红外带通滤光片后，经镜头成像在红外线阵传感器上。

9.如权利要求1所述的双红外在线塑料材质分选装置，其特征在于：所述分光装置采用红外二向色镜代替分束镜，高于特定波长的塑料表面反射回的光经红外二向色镜透过或反射，低于特定波长的塑料表面反射回的光经红外二向色镜反射或透过，两路信号再经红外带通滤光片后，由各自的镜头接收，成像在红外线阵传感器上。

10.如权利要求1所述的双红外在线塑料材质分选装置，其特征在于：所述两路线阵传感器互相平行，且对应像元分别观测来自塑料同一部位的光信号。

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