CN105107760B - 一种主动激发式光致多光谱成像的分选设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种主动激发式光致多光谱成像的分选设备，包括机架、被检物料输送装置、主动激发光源、多光谱成像装置、分选执行装置和中央处理计算机。本发明主动激发式光致多光谱成像的分选设备利用被检物料在光或外来辐射的照射下会反射或发射具有一定特征的光谱，多光谱成像装置收集来自被检物料的光谱信号和成像信号，从而识别被检物料或产品，完成对被检物料的分选，具有干法识别、干法分选、分辨率高、分选准确、分选高效、分选无三废等的特点，且适用性广，对各种材质、各种状态(固态、液态、气态)的混合物料都可以实施分选。

Description

一种主动激发式光致多光谱成像的分选设备

技术领域

本发明涉及一种主动激发式光致多光谱成像的分选设备，属于混合物料分选领域。

背景技术

在物质生产领域，无论是属于第一产业的采矿业、农业、渔业和畜牧业，还是属于第二产业的制造加工业，还是属于第三产业的流通服务业，都存在着大量的物料或产品需要进行分选归类的情形。如采矿业中的铁矿业，矿山开采出来的矿石，其中必定混杂有高品、低品和杂质成分，在投入钢铁冶炼前，必须要对铁矿石进行选矿作业；农业中的玉米采收和存储产业，玉米存在颗粒的大小、破碎、色泽、霉变等问题，需要进行分级分类作业；在制造加工业中，必须对原材料的品质进行检测和分类，如尺寸、重量、形状、色泽、成份、表面性质等必须达到规定的标准，需要进行批量的检测和分选，合格的接收，不合格的作退货处理；制造加工业中的制成品，必定存在成品率的问题，在打包出厂前，需要进行品管检测和分类，使合格的产品进入流通领域，不合格的产品做报废处理；在服务业领域，也需要对物品进行检测和分类处理，特别是分类仓储方面，具有巨大的需求。因此，急需开发一种高效、高准确性的通用型分选设备。

发明内容

本发明提供一种主动激发式光致多光谱成像的分选设备，具有通用性强、准确性高、效率高、成本低、无污染等特点。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下：

一种主动激发式光致多光谱成像的分选设备，包括机架、被检物料输送装置、主动激发光源、多光谱成像装置、分选执行装置和中央处理计算机；

被检物料输送装置包括变频电机、输送带、主动辊子和从动辊子；变频电机、主动辊子和从动辊子均安装在机架上；输送带一端套接在主动辊子的外围、另一端套接在从动辊子的外围；变频电机与主动辊子电联接；

多光谱成像装置垂直地安装在输送带上方的机架上；

主动激发光源安装在输送带上方、多光谱成像装置一侧或两侧的机架上，对输送带上的被检物料或飞离输送带且在飞行途中的被检物料实现照明；

分选执行装置包括高压储气罐、高速电磁阀和喷嘴，高压储气罐安装在输送带末端的机架上；高速电磁阀有两个以上、且均装设在高压储气罐的侧壁；每个高速电磁阀的出气端均装有一个喷嘴；

变频电机、多光谱成像装置、主动激发光源和高速电磁阀均与中央处理计算机电联接。

被检物料输送装置：为了对输送带起到更好的输送与支撑作用，优选，主动辊子和从动辊子均有一个以上。输送带在辊子的带动下和辊子一起运转，构成被检物料的输送装置，被检物料被放到输送带上，被输送带带动并获得运动动能，随着输送带一起运动。当被检物料运动到输送带的末端，继续运动飞离输送带的表面，在空中形成一条抛物线，直至该被检物料落到地面为止。

主动激发光源：可使用照明光源或激发光源，照明光源优选为卤素灯，其发射光谱覆盖300纳米到30微米的远红外波段；激发光源可以采用深紫外的汞灯和氙灯，也可以是X光光源。激发光源可能会用到各种激光，例如光纤激光器的激光输出，也可以是它的倍频谱线，也可以是半导体激光、固体激光、气体激光、甚至液体激光。激发用的激光可以是波长极短的真空紫外，如193纳米激光和153纳米激光；可以是波长更短的X射线激光；也可以是波长很长的中红外激光或毫米波激光。在特殊需要的情况下，照明光源可以采用γ射线源、中子射线源等特种光源；也可以使用微波和毫米波能量束作为照明光源。这些激发光源将通过扩束或者扫描技术照射到输送带上被检物料或飞行中被检物料的表面，使之能够覆盖整个输送带或被传送中被检物料或落下过程中被检物料的宽度方向。

多光谱成像装置：主动激发光源的照射覆盖整个输送带的宽度方向，当被检物料经过这个辐照带时，在被检物料的表面或体内会产生各种各样的光效应，包括光光效应、光热效应、光致伸缩效应、光电效应、光致变色效应、非线性光学效应等，这些光效应信号由多光谱相机获取并形成多光谱图像；直接跟光有关的效应包括反射、散射、透射、衍射、干涉、波导效应等，根据使用的激发光源的不同，可以获取被检物料的均匀性、能带结构、晶格结构等信息；涉及到能级变化的光效应包括吸收、发射等，可以获取被检物料的能带结构、分子振动等信息；涉及到被检物料中元激发效应的包括自由电子、激子、声子、极化子有关的光现象，如能级上下转换、激子光发射、拉曼效应等，可以探测被检物料的能带结构、晶格振动、晶格与电场相互作用等信息；涉及到被检物料中的非线性光学效应的包括倍频、自感透明、吸收饱和、自调制等现象，可以作为指纹特征用于材料种类的识别；还有最简单的属于轮廓、尺寸、影像强弱等识别。光激发还会引起其它物理效应，如光致发热、光致变色、光致伸缩等等。根据被检物料的特性，选用上述光激发引起一种或几种光效应，就可以对被检物料在特定的波段上进行成像分析，实现精确分选。主动激发光源对输送带上的被检物料或飞离输送带且在飞行途中的被检物料实现照明，多光谱成像装置对被照明的被检物料进行成像拍摄。

多光谱成像装置的光路设计：来自被检物料的光信息，以设定的视场角和孔径收集后，进入分光系统，把光等值地或者按照设计的方式分成N路光路：第一路光、第二路光……第N-1路光和第N路光，从信息收集的角度看，N路光路是完全等价的。在多光谱成像装置中，每一路光线上都配置一台完全等价的成像相机，包括带通滤光片、光阑、窄带滤光片、焦平面阵列和能够对光线进行变换的透镜组。在各等价光路上，唯一的不同之处是，镜头中的窄带滤光片的中心波长会被设计成不同的数值，对应于被检物料光谱中的某些特征值，形成多光谱图像信息被输送到中央处理计算机，中央处理计算机中的物料识别软件将对来自不同光路的多光谱图像进行分析比较，完成对被检物料种类的辨认，从而用于对被检混合物料的分选；多光谱成像装置可采用现有的多光谱成像仪等。

分选执行装置：被检物料在离开前述的被检物料输送装置后，会飞行下落，形成一条抛物线轨迹。喷嘴的设计使从喷嘴出来的气流形成一定的发散角，从而使得每一个喷嘴可以负责与输送带表面相对应的一定的区域。一排或多排的喷嘴阵列可以严密地覆盖整个输送带的幅面宽度，当被检物料沿着抛物线轨迹飞奔而下，经过喷嘴所处的位置时，高速电磁阀阵列根据中央处理计算机发送来的命令，打开或关闭高速电磁阀，如果来自中央处理计算机的命令要求高速电磁阀关闭，则被检物料将不受任何影响，自由地沿着原飞行抛物线轨迹落下，如果来自中央处理计算机的命令要求高速电磁阀开启，高速气流将从喷嘴喷出，击中被检物料，则被检物料的抛物线飞行轨迹将被破坏，被检物料将被强制偏离原设计的抛物线飞行轨迹，沿着喷嘴喷出的高速气流的方向偏离落下。优选，在原抛物线飞行轨迹和沿高速气流方向落下的轨迹之间，设置一个分离隔板，这样可更好地实现对被检物料的分选分离。

中央处理计算机中安装有物料识别软件，各功能元件和功能组件(包括变频电机、多光谱成像装置、主动激发光源和高速电磁阀，进一步优选，包括分选设备所有的电信号)，无论是否有下位机协同工作，都必须向中央处理计算机上报即时的状态数据，也必须从中央处理计算机接收操作命令，各功能元件和功能组件上报与接收命令等的具体过程，参照现有技术。中央处理计算机根据安装在其中的物料识别软件获得的结果，结合被检物料所处的位置信息，向分选执行系统的高速电磁阀下达分选执行指令，实现物料分选操作，即各功能元件和功能组件在中央处理计算机的指挥下协同工作，完成被检物料的加速、识别、分选等操作。各功能元件和功能组件与中央处理计算机的连接方式：在总的功能元件和功能组件的数目较多的情况下，可以采用图7所示的总线结构连接方式，所有的功能元件和功能组件均通过总线跟中央处理计算机相连接；而在总的功能元件和功能组件的数目较少的情况下，则可采用图8所示的星形结构连接方式，所有的功能元件和功能组件均直接跟中央处理计算机相连接；前述两种连接方式各有优缺点，在具体的工程项目中可以根据情况来选择使用，总线结构连接方式，理论上可以连接数目十分庞大的功能元件和功能组件，但由于所有功能元件和功能组件均共用一条通讯总线，在通讯数据量较大的情况下，可能发生排队等待或总线阻塞的情况，导致处理速度受限于总线通讯速度的情况，使处理速度下降，而星形结构连接方式，由于受限于中央处理计算机的通讯端口数目，理论上可以连接的功能元件和功能组件的数目比较少，但由于所有功能元件和功能组件均直接与中央处理计算机相连，通讯速度较快，使设备的处理速度由中央处理计算机的速度决定，总体而言比较快。

上述物料识别软件通过对多光谱装置获得的图像强度进行分析然后和标准样品进行比对，即可以实现对物料种类的识别，中央处理计算机根据物料识别软件获得的结果，结合被检物料件所处的位置信息，向分选执行装置下达分选执行指令，实现物料分选操作，软件的具体实现和控制过程，参照现有技术。

中央处理计算机在获得目标物料的识别信息后，还不能马上下达分选动作，它必须还要利用物料识别软件获取该目标物料的轮廓信息、计算出该目标塑料件的中心点以及该中心点在输送带上的位置信息，具体的获取方法和计算方法参照现有技术。

利用上述分选设备对混合物料进行分选时，被检物料在输送带上顺着输送带的运动方向前进，先经过多光谱成像装置的识别区，然后当其到达输送带的末端时，离开输送带的表面，沿着预先设计好的飞行轨迹，形成工作抛物线，当高速电磁阀执行分选指令时，会从喷嘴中喷出高速气体，将目标物料吹离原工作抛物线，从而实现物料的分离。

主动辊子和从动辊子可将输送带张紧，并带动其传动，输送带的传动速度可以通过调节变频电机的转速来调节；主动激发光源安装在多光谱成像装置一侧或两侧是为了使主动激发光源的工作光路和多光谱成像装置的工作光路成一定的夹角，从而提高分选的准确性，主动激发光源可以为一个以上，具体根据需要设计；高速电磁阀可设计成各种阵列，喷嘴阵列与高速电磁阀阵列对应(喷嘴设置在每个高速电磁阀的出口端，喷嘴可与出口端直接连接也可通过管道与出口端连接)，喷嘴阵列被安装在经设计的被检物料的飞行轨迹抛物线的上缘，也可安装在下缘，将目标物料从上或下吹离原飞行轨迹，高速电磁阀阵列根据来自中央处理计算机的指令执行分选操作。

上述多光谱成像装置，主动激发光源对输送带上的物料或飞离输送带的物料实现照明，被检物料在光激发下产生的光物理效应和光化学效应信息被多光谱成像装置俘获成像，以光谱成像的形式进行识别。本发明具有广泛的适用性，可应用到各行各业。

被检物料因材料不同，而采用不同的光源而引起上述的不同的光物理效应和光化学效应，从而实现对被检物料的识别分选，具体，光源与所引发效应之间的对应关系参照现有技术。例如，在零售仓储业中，水果极易发生腐烂变质，由于腐烂后的水果，其构成成份和新鲜水果构成成份的不同，它们会在红外光谱中显示出不同的吸收峰，多光谱成像装置只要把成像谱段设定在这些不同的吸收峰，便可实现对腐烂水果的识别分选；塑料回收领域，相同的塑料原料在应用时可能会添加不同的填充物，比如在有些塑料制品中添加有黏土微粉，而有些则没有，此时的主动激发光源可采用绿色激光，当被检物料通过多光谱成像装置的识别区时，那些填充有黏土微粉的塑料，将会被激发出具有黏土特征的拉曼光谱，多光谱成像装置可选用合适的窄带滤光片，只允许具有黏土特征的拉曼谱线通过窄带滤光片进入到多光谱成像装置的传感器阵列形成图像，而无黏土特征拉曼谱线的塑料将无法在多光谱成像装置中形成图像，从而实现分选作业。

本申请提供了一种具有普遍适用性的主动激发式的光致多光谱成像的分选设备，即使被检测物料和产品于被关注的波长范围内在被动探测条件下没有任何特征，可利用本发明所提供的主动式光照或辐射激发的手段，人为地创造出一些光谱特征，使被检物料得到识别和分选，极大地加强了技术的主动性和灵活性；特别地，主动式光照或射线辐照，可以采用激光照射或X光、γ射线、中子辐照等手段，使被检测物料发出特殊波段的光，或者通过衍射效应使被检测物料显现出结构特征信号，也或者通过拉曼效应获得被检测物料组份元素的振动特征，根据对这些光谱特征的分析，本申请采用成本低廉的多光谱成像技术，只在几个有特殊意义的波长位置采集图像信息，而无需采用昂贵的高光谱成像设备对谱段范围内不加区分地成像，大大降低了数据处理量，极大地简化了物料或产品检测的算法，提高了设备生产效率。

本申请分选设备利用被检物料在光或外来辐射的照射下会反射或发射具有一定特征的光谱，多光谱成像装置收集来自被检物料的光谱信号和成像信号，从而识别被检物料或产品，完成对被检物料的分选，具有干法识别、干法分选、分辨率高、分选准确、分选高效、分选无三废等的特点，且适用性广，对固态、液态、气态物料都可以实施分选。

为了便于分检，优选，被检物料输送装置的最低点离地面的高度为1-2米。

优选地，喷嘴的设计要求：一是使气体能够实现射流喷出，不会产生乱流；二是喷出来的气流具有一定的发散角度要求，优选为10～45度，即喷嘴所喷出气流的发散角优选为10～45度。

上述多光谱成像装置包括分光装置；多光谱成像装置的光路设计：来自被检物料的光信息，进入分光装置后，被等价地分成两条以上的等价光路，在每一条等价光路上，均配置一个完全等价的成像相机。

为了能进一步提高分选的准确性，每个成像相机从外到内依次包括：带通滤光片、透镜组、窄带滤光片和焦平面阵列，透镜组间设有光阑。

上述从外到内，指从镜头外到镜头内的方向。

上述窄带滤光片的中心波长根据被检物料的光谱吸收峰特征设定在不同的波长位置，优选，窄带滤光片的中心波长设定在被检物料料光谱的特征吸收峰位置。

采用上述分选设备，对来自被检物料的光信息，以设定的视场角和孔径收集后，进入一个分光装置，把光等值地或者按照设计的方式分成N路光路(N大于或等于1)。从信息收集的角度看，这N路光路是完全等价的。在多光谱成像装置中，每一路光路上都配置一台完全等价的成像相机，包括带通滤光片、光阑、窄带滤光片、焦平面阵列和能够对光线进行变换的透镜组。在各等价光路上，唯一的不同之处是，镜头中的窄带滤光片的中心波长会被设计成不同的数值，对应于被检物料光谱中的某些特征值，用于对物料进行分选。

作为本申请的另一种改进，也可根据需要，用反射镜组或者晶体光栅替代透镜组。

作为本申请的其中一种方案，多光谱成像装置的光路设计：来自被检物料的光信息，进入分光装置后，被等价地分成两条等价光路，其中，一等价光路上的窄带滤光片的中心波长被选择在1656纳米的波长位置、另一等价光路上的窄带滤光片的中心波长被选择在1724纳米的波长位置。这样可用于对混合塑料的分选，中心波长的设置参照了塑料的特征吸收峰位置，适于检测塑料混合物中常见的PET、HDPE、LDPE、PVC、PP、PS、PC、POM、PMMA等绝大部分的塑料品种。

采用上述方案，可以根据两个相机获得的图像完成对被检物料的分选工作，而无需对工作波段范围进行不加甄别的连续的超光谱成像。

为了进一步提高分选的准确性，主动激发光源的安装为：使从主动激发光源沿着其工作光路出射的光照射到多光谱成像装置的识别区及其上的被检物料，而从多光谱成像装置的识别区及其上的被检物料发射的光不可直接进入到多光谱成像装置中。即多光谱成像装置只接收来自其识别区及其上的被检物料表面的漫射光并形成图像。优选，主动激发光源的工作光路和多光谱成像装置的工作光路所成夹角的范围优选为30～60度。

多光谱成像装置的工作光路与输送带的交集便是多光谱成像装置在输送带上的识别区。

所述的主动激发光源根据实际应用的需要可以有各种各样的具体形式，优选，主动激发光源为卤素灯、紫外光源、射线光源、太赫兹光源、毫米波辐射源、微波源和激光光源。

卤素灯突出的优点是简单、经济，可以提供从300纳米直到30微米的超宽连续光谱照明，可以通过调节输入卤素灯的工作电流来调节卤素灯灯丝的温度，从而达到调节卤素灯工作光谱的目的。

为了保证分选的准确性，同时降低成本，紫外光源为汞灯、氙灯；射线光源为X光源、γ射线源或中子辐照源；激光光源为X光激光光源、真空紫外激光光源、紫外激光光源、可见激光源、红外激光源或中红外激光源。

主动激发光源根据实际应用的需要，也可以选用汞灯、氙灯等短波长的紫外光源和更短波长的X光光源、γ射线源和中子辐照源；也可以选用太赫兹光源、毫米波辐射源和微波源；也可以选用各种激光光源，包括X光激光光源、真空紫外激光光源、紫外激光光源、可见激光源、红外激光源、中红外激光源等，具体地，可以选用半导体激光、固体激光、气体激光、液体激光、塑料激光、陶瓷激光、玻璃激光、自由电子激光、准分子激光等激光光源。

为了进一步提高分选效率，分选设备所有的电信号都直接或通过下位机间接地跟中央处理计算机相连接，连接方式为通过总线结构连接或采用星形结构连接。

被检物料输送装置就是要让被检物料达到设计速度，使当这些被检物料离开被检物料输送装置时，获得足够的速度从而建立起一条设计中所需要的抛物线飞行轨迹，当被检物料沿着抛物线飞行轨迹下落时必须具有相对稳定的落点，当高速电磁阀开启，被检物料被从喷嘴中喷出的高速气流吹离原来的抛物线轨迹，沿着新的飞行轨迹下落时，也必须具有相对稳定的落点，并且与原抛物线轨迹的落点有明显的区分。将被检物料离开被检物料输送装置自由落下所形成的轨迹定义为原飞行抛物线轨迹，将被检物料被从喷嘴中喷出的高速气流吹离原来的抛物线轨迹落下所形成的轨迹定义为新的飞行轨迹，在原飞行抛物线轨迹的落点和新的飞行轨迹的落点之间，设置有分离隔板。这样能更好地实现不同物料的区分，完成分选作业。

为了进一步降低系统的噪声，更进一步提高自动分选机的准确性，优选，输送带的表面为深黑色的毛面。这样能最大可能地减少来自输送带发射光的干扰。

主动激发光源可以选择对输送带上的被检物料实现照明或也可以选择对飞离输送带且在飞行途中的被检物料实现照明，为了更好的抑制背景噪声，优选，主动激发光源对飞离输送带、且在飞行途中的被检物料实现照明(即在物料的飞行途中，多光谱成像装置对物料进行成像拍摄)，具体实现方式可以是：主动激发光源、多光谱成像装置和分选执行装置集中安装在输送带的末端之外，其中，光谱成像装置和分选执行装置安装在原飞行抛物线轨迹的上方，主动激发光源安装在原飞行抛物线轨迹的上方或下方，且主动激发光源和多光谱成像装置安装在分选执行装置的前面，原飞行抛物线轨迹指被检物料离开被检物料输送装置自由落下所形成的轨迹。这样就可以对飞行途中的物料进行成像，镜头中不再有输送带的信号了，所以抑制了背景噪声。本申请将输送带的输送方向定义为从前到后的方向。

但有时候由于空间和信息处理时间的限制，把主动激发光源、多光谱成像装置和分选执行装置全部安装在一个地方可能是有困难的，因此，实现主动激发光源对飞离输送带、且在飞行途中的被检物料实现照明，具体实现方式也可以是：主动激发光源和多光谱成像装置安装在两个具有高度差的输送带之间，其中，光谱成像装置安装在原飞行抛物线轨迹的上方，主动激发光源安装在原飞行抛物线轨迹的上方或下方，分选执行装置安装在两个具有高度差的输送带之间的原飞行抛物线轨迹的上方或分选执行装置安装在被检物料输送装置的末端，即此时，分选选装置可以跟多光谱相机一起，安装在两个输送带之间，也可以安装在整个物料输送系统的末端，跟多光谱相机分开安装。当被分选的混合物料中所包含的种类繁多时，可将输送带进行多级设置，相邻两输送带之间形成一定的高度差，物料从前一个输送带飞出，在降落到第二个输送带之前，行成一段飞行抛物线轨迹。将主动激发光源和多光谱成像装置安装在两个具有高度差的输送带之间，也可以实现对飞行途中的物料进行成像，镜头中不再有输送带的信号了，所以抑制了背景噪声。为了提高分选的准确性，优选，上述两个输送带之间的高度差为20～50厘米。

无论在两个输送带之间，还是整个物料输送系统的末端，物料在沿着工作抛物线飞行的途中是没有输送带遮挡的，因此主动激发光源既可安装在原飞行抛物线轨迹的下方对被检物料实施透射式照明，也可安装在原飞行抛物线轨迹的上方对被检物料实施照明。优选地，主动激发光源和多光谱成像装置安装在这段飞行抛物线轨迹的上方，这样可以避免下落的灰尘落到主动激发光源和多光谱相机上。

上述主动激发光源的工作光路和多光谱成像装置的工作光路之间的夹角，优选，为30～60度，但不限于此。这样可以避免来自主动激发光源的光直接进入多光谱相机的镜头，从而提高分选的准确性。

当主动激发光源对飞离输送带且在飞行途中的物料实现照明时，且来自主动激发光源的光以上述优选的角度(主动激发光源的工作光路和多光谱成像装置的工作光路之间的夹角为30～60度)入射到被检物料时，主动激发光源照射的光如果能够穿透被检物料，则透过被检物料的光将毫无阻挡地继续前行并离开多光谱成像装置的视场，即在多光谱相机的视场范围内该光线除了被检物料外将不再照射到任何物体，从而保证多光谱相机采集到的图像信号完全来自被检物料，从而极大地抑制了背景噪声，也即在飞行途中对物料成像，那么在镜头中不会有输送带了，只有被检物料了，所以在多光谱相机的视场范围内，只有被检物料。由于被检物料的前后无任何物体，无遮无挡，光线除了照射到被检物料，在多光谱相机的视场范围内，也就不可能照射到别的物体了。主动激发光源对飞离输送带、且在飞行途中的被检物料实现照明，还有一个额外的好处是，可以将主动激发光源安装在原飞行抛物线轨迹的下方，实施透射式照明,但要确保来自主动激发光源的光不能直接进入多光谱相机的镜头，优选，主动激发光源的工作光路和多光谱成像装置的工作光路之间的夹角为30～60度，但不限于此。在物料的飞行途中，对物料进行成像拍摄，可以同时拥有反射式照明和透射式照明的灵活性，在项目的实施过程中，可以根据需要灵活使用，极大地提高本发明的通用性。相对于图9的配置，图10的配置特别适合数据采集量巨大，需要较长的时间进行数据处理和数据分析的场合。

本申请，采用主动激发光源，覆盖到极端波长的γ射线和X射线，也覆盖到微波波段，几乎适用于所有混合物料的分选；可只在特别关心的几个特征波段进行多光谱成像，而无需对工作波段范围进行不加甄别的连续的超光谱成像，成本低廉，使用性广；数据处理量少，极大地提高了识别速度，提高了设备的生产效率。

本发明未提及的技术均参照现有技术。

本发明主动激发式光致多光谱成像的分选设备利用被检物料在光或外来辐射的照射下会反射或发射具有一定特征的光谱，多光谱成像装置收集来自被检物料的光谱信号和成像信号，从而识别被检物料或产品，完成对被检物料的分选，具有干法识别、干法分选、分辨率高、分选准确、分选高效、分选无三废等的特点，且适用性广，对各种材质、各种状态(固态、液态、气态)的混合物料都可以实施分选。

附图说明

图1为本发明主动激发式光致多光谱成像的分选设备分选原理示意图；

图2为本发明多光谱成像装置的光路设计示意图；

图3为卤素灯照明的发射光谱图；

图4为被分选物料在飞离输送带后形成的抛物线轨迹；

图5为用于照明激光的激光谱线示意图；

图6为分选执行装置的分选示意图；

图7为总线结构的信息连接方式；

图8星形结构的信息连接方式；

图9主动激发式光致多光谱成像的分选设备的一种配置方式，把主动激发光源、多光谱相机、分选执行机构全部安装在输送带末端外的原飞行抛物线轨迹上方。

图10主动激发式光致多光谱成像的分选设备的另一种配置方式，把主动激发光源、多光谱相机安装在两个有一定高度差的输送带之间的物料飞越区。

图中，101.主动辊子；102.从动辊子；103.输送带；104.被检物料；105.多光谱成像装置的识别区；106.主动激发光源；107.多光谱成像装置；108.主动激发光源的工作光路；109.多光谱成像装置的工作光路；202.分光装置；203.从分光装置出来的第一路光路；204.从分光装置出来的第二路光路；205.从分光装置出来的第N-1路光路；206.从分光装置出来的第N路光路；207.带通滤光片；208.光阑；209.窄带滤光片；210.焦平面阵列；211.透镜组；301.卤素灯的发射光谱；401.被分选物料在2米/秒时的飞行轨迹；402.被分选物料在1.5米/秒时的飞行轨迹；403.被分选物料在1米/秒时的飞行轨迹；404.箭头为喷嘴的安装位置；501.光纤激光的输出光谱；502.光纤激光的倍频输出；503.光纤激光的三倍频输出；601.被选物料在飞离输送带后形成的轨迹(原飞行抛物线轨迹)；602.被选物料；603.高压储气罐；604.高速电磁阀；605.喷嘴；606.被选物料在高压气体作用下的飞行轨迹(新的飞行轨迹)；607.分离隔板；700.中央处理计算机；701.第一个分系统；702.第二个分系统；703.第N-1个分系统；704.第N个分系统；705.信号总线。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。

本发明主动激发式光致多光谱成像的分选设备，根据被选物料种类所显示的理化特性的不同，可以选择采用各种各样的激发光源或激发射线，从而在被检物料104中展现出各种不同的物理特性，以光、热或者其他物理形式展现出来，并被多光谱成像装置107俘获信号。图2例举了一种多光谱成像装置107的设计概念，而其中的分光装置202实际上可以有各种不同具体设计结构，因而可以发展出许多貌似不同实质相同的设计方案。透镜组211也可以被反射镜组或者晶体光栅等取代，特别是当使用短波长紫外光或X射线、γ射线时。用于激发的卤素灯也可以被其他如汞灯、氙灯所取代；用于激发的光纤激光也可以被半导体激光、固体激光、气体激光、甚至液体激光所取代。图6中用于被检物料104分选的喷嘴也可以从下面往上吹。各功能元件和功能组件第一个分系统701、第二个分系统702、第N-1个分系统703、第N个分系统704与中央处理计算机700的连接方式也可以采用不同的组合方式，如可以是总线结构连接，也可以是星形结构连接。所有上述这些不同的选择组合在一起，将产生难于计数的具体的设备形式，都属于本发明的范畴。

实施例1

混合塑料的分选：

一种主动激发式光致多光谱成像的分选设备，包括机架、被检物料输送装置、主动激发光源、多光谱成像装置、分选执行装置和中央处理计算机；

被检物料输送装置包括变频电机、输送带、主动辊子和从动辊子；变频电机、主动辊子和从动辊子均安装在机架上；输送带一端套接在主动辊子的外围、另一端套接在从动辊子的外围；变频电机与主动辊子电联接；被检物料输送装置的最低点离地面的高度为1.2米；

多光谱成像装置垂直地安装在输送带上方的机架上；

主动激发光源安装在输送带上方、多光谱成像装置一侧的机架上，主动激发光源为卤素灯；

分选执行装置包括高压储气罐、高速电磁阀和喷嘴，高压储气罐安装在输送带末端的机架上；高速电磁阀有两个以上、且均装设在高压储气罐的侧壁；每个高速电磁阀的出气端均装有一个喷嘴；喷嘴所喷出气流的发散角为20度；

分选设备所有的电信号都直接或通过下位机间接地跟中央处理计算机相连接，连接方式为通过采用星形结构连接；

多光谱成像装置包括分光装置；来自被检物料的光信息，进入分光装置后，被等价地分成两条以上的等价光路，在每一条等价光路上，均配置一个完全等价的成像相机；每个成像相机从外到内依次包括：带通滤光片、透镜组、窄带滤光片和焦平面阵列，透镜组间设有光阑；

主动激发光源的安装为：使从主动激发光源沿着其工作光路出射的光照射到多光谱成像装置的识别区上的被检物料，而从多光谱成像装置的识别区上的被检物料发射的光不可直接进入到多光谱成像装置中，为实现前述目的，具体设计为：主动激发光源的工作光路和多光谱成像装置的工作光路所成夹角为40度；

将被检物料离开被检物料输送装置自由落下所形成的轨迹定义为原飞行抛物线轨迹，将被检物料被从喷嘴中喷出的高速气流吹离原来的抛物线轨迹落下所形成的轨迹定义为新的飞行轨迹，在原飞行抛物线轨迹的落点和新的飞行轨迹的落点之间，设置有分离隔板；

如图9所示，主动激发光源对飞离输送带且在飞行途中的被检物料实现照明：主动激发光源、多光谱成像装置和分选执行装置集中安装在输送带的末端之外、原飞行抛物线轨迹的上方，且主动激发光源和多光谱成像装置安装在分选执行装置的前面，原飞行抛物线轨迹指被检物料离开被检物料输送装置自由落下所形成的轨迹；

分选时，被选塑料件在输送带上，随着输送带一起往前运动，在运动到多光谱成像装置的工作区域105时，受到宽谱带的来自卤素灯的发射光谱301的照明。被卤素灯照明的被选塑料件上散射出来的光，被多光谱成像装置107俘获成像。例如在图2所示的多光谱成像光路系统中，以最简化的形式，仅仅选取第一条光路203和第二条光路204构成双光路形式，形成双光谱成像模式。特别地，当两个光路中的窄带滤光片的中心波长被分别设计成1656纳米和1724纳米时，该光路根据特征吸收峰能够识别出通常出现在城市生活垃圾中的常见塑料，如PET、HDPE、LDPE、PVC、PP、PS、PC、POM、PMMA等，尤其能够识别出附加值最高的PET塑料。当被识别出来的PET塑料通过多光谱成像装置的识别区105以后，继续前行到输送带103的末端，将飞离输送带103并沿着抛物线轨迹(原飞行抛物线轨迹)601落下，当被识别出来的PET塑料飞过设置在抛物线轨迹601附近的喷嘴605时，高速电磁阀604将根据来自中央处理计算机700的指令开启，从而使被识别出来的PET塑料偏离抛物线轨迹601，沿着从喷嘴605出来的高速气流方向(新的飞行轨迹)606落下，实现对PET塑料的分选作业。具体地，以识别和分选常用的PET塑料为例，当来第一光路的信号(1656纳米的滤光片)除以来自第二光路的信号(1724纳米的滤光片)所得到的数值小于0.8，则被探测的塑料就是PET；相反，当来自第一光路的信号(1656纳米的滤光片)除以来自第二光路的信号(1724纳米的滤光片)所得到的数值大于0.8，则被探测的塑料就不是PET，就需要剔除。据此可以实现对PET塑料的分选。

上述输送带的宽度可以提高到5米以上，加上输送带本身的高速运转，每小时可以分选10吨以上的废旧塑料，准确率为99.99％。

实施例2

对花生中破损花生的分选：

一种主动激发式光致多光谱成像的分选设备，包括机架、被检物料输送装置、主动激发光源、多光谱成像装置、分选执行装置和中央处理计算机；

被检物料输送装置包括变频电机、输送带、主动辊子和从动辊子；变频电机、主动辊子和从动辊子均安装在机架上；输送带一端套接在主动辊子的外围、另一端套接在从动辊子的外围；变频电机与主动辊子电联接；被检物料输送装置的最低点离地面的高度为1.8米；

多光谱成像装置垂直地安装在输送带上方的机架上；

主动激发光源安装在输送带上方、多光谱成像装置一侧的机架上，主动激发光源为卤素灯；

分选执行装置包括高压储气罐、高速电磁阀和喷嘴，高压储气罐安装在输送带末端的机架上；高速电磁阀有两个以上、且均装设在高压储气罐的侧壁；每个高速电磁阀的出气端均装有一个喷嘴；喷嘴所喷出气流的发散角为40度；

分选设备所有的电信号都直接或通过下位机间接地跟中央处理计算机相连接，连接方式为通过采用总线结构连接；

多光谱成像装置包括分光装置；来自被检物料的光信息，进入分光装置后，被等价地分成两条以上的等价光路，在每一条等价光路上，均配置一个完全等价的成像相机；每个成像相机从外到内依次包括：带通滤光片、透镜组、窄带滤光片和焦平面阵列，透镜组间设有光阑；

主动激发光源的安装为：使从主动激发光源沿着其工作光路出射的光照射到多光谱成像装置的识别区上的被检物料，而从多光谱成像装置的识别区上的被检物料发射的光不可直接进入到多光谱成像装置中，为实现前述目的，具体设计为：主动激发光源的工作光路和多光谱成像装置的工作光路所成夹角为40度。

将被检物料离开被检物料输送装置自由落下所形成的轨迹定义为原飞行抛物线轨迹，将被检物料被从喷嘴中喷出的高速气流吹离原来的抛物线轨迹落下所形成的轨迹定义为新的飞行轨迹，在原飞行抛物线轨迹的落点和新的飞行轨迹的落点之间，设置有分离隔板。

如图10所示，主动激发光源飞离输送带且在飞行途中的被检物料实现照明：主动激发光源和多光谱成像装置安装在两个具有高度差的输送带之间，其中，光谱成像装置和主动激发光源安装在原飞行抛物线轨迹的上方，分选执行装置安装在两个具有高度差的输送带之间的原飞行抛物线轨迹的上方或分选执行装置安装在被检物料输送装置的末端。

分选时，被选花生在输送带103上，随着输送带103一起往前运动，在运动到多光谱成像装置的识别区105时，受到宽谱带的来自卤素灯的光束的照明，被卤素灯照明的被选花生上散射出来的光，被多光谱成像装置107俘获成像。例如在图2所示的多光谱成像光路系统中，以最简化的形式，仅仅选取第一条光路203、第二条光路204和第三条光路，构成三光路形式的三光谱成像模式。特别地，三个光路中的窄带滤光片的中心波长被分别设计成红色、绿色和蓝色时，该多光谱成像系统根据色差就能识别出在花生产品中出现的破损花生。品质完好的花生，色泽为红色；破损的花生，表皮脱落，果肉外露，色泽为白色。明显的颜色差异是实现对花生品质分选的基础。当被识别出来的破损花生通过多光谱成像装置的识别区105以后，继续前行到输送带103的末端，将飞离输送带103并沿着抛物线轨迹601落下。当被识别出来的破损花生飞过设置在抛物线轨迹601附近的喷嘴605时，高速电磁阀604将根据来自中央处理计算机700的指令开启，从而使破损花生偏离抛物线601轨迹，沿着从喷嘴605出来的高速气流方向606落下，实现对破损花生的分选作业。

上述输送带的宽度可以提高到5米以上，加上输送带本身的高速运转，每小时可以分选10吨以上的花生，准确率为99.99％。

Claims (7)

1.一种主动激发式光致多光谱成像的分选设备，其特征在于：包括机架、被检物料输送装置、主动激发光源、多光谱成像装置、分选执行装置和中央处理计算机；

被检物料输送装置包括变频电机、输送带、主动辊子和从动辊子；变频电机、主动辊子和从动辊子均安装在机架上；输送带一端套接在主动辊子的外围、另一端套接在从动辊子的外围；变频电机与主动辊子电联接；

多光谱成像装置垂直地安装在输送带上方的机架上；

主动激发光源安装在输送带上方、多光谱成像装置一侧或两侧的机架上，对输送带上的被检物料或飞离输送带且在飞行途中的被检物料实现照明；

分选执行装置包括高压储气罐、高速电磁阀和喷嘴，高压储气罐安装在输送带末端的机架上；高速电磁阀有两个以上、且均装设在高压储气罐的侧壁；每个高速电磁阀的出气端均装有一个喷嘴；

变频电机、多光谱成像装置、主动激发光源和高速电磁阀均与中央处理计算机电联接；

主动激发光源的安装为：使从主动激发光源沿着其工作光路出射的光照射到多光谱成像装置的识别区上的被检物料，而从多光谱成像装置的识别区上的被检物料发射的光不可直接进入到多光谱成像装置中；

主动激发光源的工作光路和多光谱成像装置的工作光路所成的夹角为30～60度；

将被检物料离开被检物料输送装置自由落下所形成的轨迹定义为原飞行抛物线轨迹，将被检物料被从喷嘴中喷出的高速气流吹离原飞行抛物线轨迹落下所形成的轨迹定义为新的飞行轨迹，在原飞行抛物线轨迹的落点和新的飞行轨迹的落点之间，设置有分离隔板；被检物料输送装置的最低点离地面的高度为1-2米；喷嘴所喷出气流的发散角为10～45度。

2.如权利要求1所述的主动激发式光致多光谱成像的分选设备，其特征在于：多光谱成像装置包括分光装置；来自被检物料的光信息，进入分光装置后，被等价地分成两条以上的等价光路，在每一条等价光路上，均配置一个完全等价的成像相机。

3.如权利要求2所述的主动激发式光致多光谱成像的分选设备，其特征在于：每个成像相机从外到内依次包括：带通滤光片、透镜组、窄带滤光片和焦平面阵列，透镜组间设有光阑；窄带滤光片的中心波长设定在被检物料料光谱的特征吸收峰位置。

4.如权利要求3所述的主动激发式光致多光谱成像的分选设备，其特征在于：用反射镜组或者晶体光栅替代透镜组；来自被检物料的光信息，进入分光装置后，被等价地分成两条等价光路，其中，一等价光路上的窄带滤光片的中心波长被选择在1656纳米的波长位置、另一等价光路上的窄带滤光片的中心波长被选择在1724纳米的波长位置。

5.如权利要求1-4任意一项所述的主动激发式光致多光谱成像的分选设备，其特征在于：主动激发光源对飞离输送带且在飞行途中的被检物料实现照明：主动激发光源、多光谱成像装置和分选执行装置集中安装在输送带的末端之外，其中，光谱成像装置和分选执行装置安装在原飞行抛物线轨迹的上方，主动激发光源安装在原飞行抛物线轨迹的上方或下方，且主动激发光源和多光谱成像装置安装在分选执行装置的前面，原飞行抛物线轨迹指被检物料离开被检物料输送装置自由落下所形成的轨迹；

或者：主动激发光源和多光谱成像装置安装在两个具有高度差的输送带之间，其中，光谱成像装置安装在原飞行抛物线轨迹的上方，主动激发光源安装在原飞行抛物线轨迹的上方或下方，分选执行装置安装在两个具有高度差的输送带之间的原飞行抛物线轨迹的上方或安装在被检物料输送装置的末端。

6.如权利要求5所述的主动激发式光致多光谱成像的分选设备，其特征在于：两个输送带之间的高度差为20～50厘米；主动激发光源安装在原飞行抛物线轨迹的上方。

7.如权利要求1-4任意一项所述的主动激发式光致多光谱成像的分选设备，其特征在于：主动激发光源为卤素灯、紫外光源、射线光源、太赫兹光源、毫米波辐射源、微波源和激光光源；其中，紫外光源为汞灯、氙灯；射线光源为X光源、γ射线源或中子辐照源；激光光源为X光激光光源、真空紫外激光光源、紫外激光光源、可见激光源、红外激光源或中红外激光源；分选设备所有的电信号都直接或通过下位机间接地跟中央处理计算机相连接，连接方式为通过总线结构连接或采用星形结构连接。