CN107505285B - 一种物料在线分选装置及其扫描成像光谱装置 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种物料在线分选装置及其扫描成像光谱装置，该扫描成像光谱装置包括：参考激光器、多面扫描镜、参考探测器、以及光谱采集与处理模块；其中，多面扫描镜在旋转过程中对参考激光器发出的参考激光信号以及物料发出的光信号进行反射；参考探测器采集参考激光器经多面扫描镜反射后的参考激光信号、并根据该参考激光信号生成扫描成像光谱装置的采集触发信号；光谱采集与处理模块根据采集触发信号，采集和处理通过多面扫描镜获取的物料光谱数据。本申请利用多面扫描镜扫描获取物料光谱数据，并采用参考激光器探测提供同步采集触发信号，能够监测多面扫描镜的速度稳定性，提高系统检测的稳定性和可靠性；实现了物料按材质在线分选。

Description

一种物料在线分选装置及其扫描成像光谱装置
技术领域
本申请涉及光学检测技术领域，具体来说，涉及一种物料在线分选装置及其扫描成像光谱装置。
背景技术
目前，全球塑料产品的总产量超过100万吨。由此造成了一个全球性的环境问题即废旧塑料给环境所带来的污染。废旧塑料很难自然降解，同时对自然环境无亲和力，因此各国政府都在积极推动废旧塑料的回收利用。城市生活垃圾中的废旧塑料通常由多品种塑料混杂组成，常见类型包括：聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚苯乙烯(PS)、丙烯腈-苯乙烯-丁二烯共聚物(ABS)、聚酰胺(PA)、聚碳酸酯树脂(PC)、聚氯乙烯(PVC)等。
目前，识别废旧塑料材质的方法包括人工识别、静电分选、重力浮选、X射线谱分析、红外光谱分析等手段，其中红外光谱分析方法是较为先进、运用广泛的技术。红外辐射与物质发生相互作用时，与分子振动频率的倍频或组合频相近的波长位置会存在较强的吸收，由于化学成份及官能基团的不同，不同种类塑料对在近红外范围的吸收特征存在明显差异，通过测量材料在近红外区域的透射或反射光谱，可以对塑料材质类型进行识别。
为了实现在线塑料分选会将成像技术与光谱技术结合，相应采取的装置通常有两类，一类是高光谱成像装置即高光谱相机，如“R.Leitner，Real-time classification ofpolymers with NIR spectral imaging and blob analysis”中描述的采用高光谱相机作为高光谱成像装置，但考虑到高光谱相机中的红外面阵CCD价格昂贵甚至某些国家会对中国禁运，导致应用此光谱成像装置的价格昂贵甚至受限。另一类是扫描成像光谱装置即利用多面镜或振镜扫描成像，并利用线阵CCD采集塑料物料的红外光谱，如美国专利US6914678B1中采用的是基于多面镜的扫描成像光谱装置。
针对相关技术中的问题，目前尚未提出有效的解决方案。
发明内容
针对相关技术中的问题，本申请提出一种物料在线分选装置及其扫描成像光谱装置，能够在物料分选的过程中，监测扫描速度的稳定性，提高系统检测的稳定性和可靠性。
本申请的技术方案是这样实现的：根据本申请的一个方面，提供了一种扫描成像光谱装置。
该扫描成像光谱装置包括：参考激光器、多面扫描镜、参考探测器、以及光谱采集与处理模块；
其中，多面扫描镜在旋转过程中对参考激光器发出的参考激光信号以及物料发出的光信号进行反射；
参考探测器采集参考激光器经多面扫描镜反射后的参考激光信号、并根据该参考激光信号生成扫描成像光谱装置的采集触发信号；
光谱采集与处理模块根据采集触发信号，采集和处理由多面扫描镜扫描的物料光谱数据。
在一个实施例中，光谱采集与处理模块包括光谱采集设备和光谱分析设备，光谱采集设备通过光纤与光谱分析设备连接。
其中，光谱分析设备为光谱仪，且优选的，光谱仪为正交C-T结构形式的光谱仪；光谱仪中包括红外探测器。
在一个实施例中，参考激光器包括分别设置于物料两侧的第一参考激光器和第二参考激光器，分别发出第一参考激光信号和第二参考激光信号，且第一参考激光信号和第二参考激光信号的功率不同。
在一个实施例中，还包括反射镜，参考探测器的数量为一个；其中，多面扫描镜将第一参考激光信号和第二参考激光信号反射至发射镜，反射镜将第一参考激光信号和第二参考激光信号反射至参考探测器。
在另一个实施例中，参考探测器包括第一参考探测器和第二参考探测器；第一参考探测器和第二参考探测器分别采集经多面扫描镜反射的第一参考激光信号和第二参考激光信号。
根据本申请的另一方面，提供了一种物料在线分选装置。该物料在线分选装置包括上述任一种扫描成像光谱装置；
物料在线分选装置还包括：履带、光源、与扫描成像光谱装置连接的控制设备、以及与控制设备连接的执行设备；
其中，履带用于传输物料，履带使其上的物料经过光源照射的区域以生成物料光谱数据；
扫描成像光谱装置将物料光谱数据发送至控制设备；
控制设备用于处理物料光谱数据，并根据处理结果控制执行设备对物料进行分选。
在一个实施例中，控制设备根据物料光谱数据确定物料的材质，并根据物料的材质控制执行设备对物料进行分选。
在一个实施例中，还包括：可见光相机，与控制设备连接；其中，可见光相机采集物料的图像信号、并将图像信号发送至控制设备；控制设备根据图像信号确定物料的颜色，并进一步根据物料的颜色控制执行设备对物料进行分选。
在一个实施例中，物料为塑料。
在一个实施例中，执行设备包括喷阀，喷阀根据控制设备的控制信号吹出不良物料，实现对物料的分选。
在一个实施例中，光源包括红外光源，为扫描成像光谱装置提供照明；
红外光源包括分别带有反射罩的多个光源模块，反射罩用于使多个光源模块的光束汇聚至履带上。
本申请的扫描成像光谱装置利用多面扫描镜扫描获取物料光谱数据，并采用参考激光器探测提供同步采集触发信号，能够监测多面扫描镜的速度稳定性，提高系统检测的稳定性和可靠性；本申请的物料在线分选装置实现了物料按材质在线分选。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是根据本申请实施例的扫描成像光谱装置的示意图；
图2是根据本申请另一个实施例的扫描成像光谱装置的示意图；
图3是根据本申请实施例的物料在线分选装置的示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
根据本申请的实施例，提供了一种扫描成像光谱装置。
根据本申请实施例的扫描成像光谱装置4包括：参考激光器、多面扫描镜、参考探测器、以及光谱采集与处理模块；其中，多面扫描镜在旋转过程中对参考激光器发出的参考激光信号以及物料发出的光信号进行反射；参考探测器采集参考激光器经多面扫描镜反射后的参考激光信号、并根据该参考激光信号生成扫描成像光谱装置4的采集触发信号；光谱采集与处理模块根据采集触发信号，采集和处理由多面扫描镜扫描的物料光谱数据。
具体地，在图1和图2所示的实施例中，扫描成像光谱装置4包括：多面扫描镜41、参考激光器42、参考探测器43、以及光谱采集与处理模块440。其中，上述参考激光器42包括第一参考激光器421和第二参考激光器422，第一参考激光器421和第二参考激光器422分别位于履带2两边靠近履带边缘A、C并对称放置，待检测的物料位于履带2之上。多面扫描镜41的旋转轨迹所在的平面与履带2所在的平面垂直。履带2以箭头49所示的方向运动从而带动物料经过多面扫描镜41的下方以生成上述物料光谱数据。其中，第一参考激光器421与第二参考激光器422分别发出第一参考激光信号和第二参考激光信号，且第一参考激光信号和第二参考激光信号的功率不同。第一参考激光器421和第二参考激光器422发射的波长为可见光波长，优选的为蓝光(波长420nm-470nm)，优选的第一参考激光器421和第二参考激光器422的出射功率相差二分之一。
进一步地，参考激光器和参考探测器一方面可为扫描成像光谱装置4提供采集触发信号，具体来说，就是根据扫描成像光谱装置4中的参考探测器43探测到第一参考激光器421发射的光信号后，开始采集履带2中的左边缘A处信号，再依次采集履带2中间B处，直至采集履带右边缘C处，最终探测到第二参考激光器422的信号停止这次扫描成像光谱采集，并重新扫描第一参考激光器421发射信号进入下一轮扫描成像光谱采集。另一方面，参考激光器和参考探测器可用于监测多面扫描镜41的速度稳定性，提高系统的可靠性。
其中，多面扫描镜41为六面扫描镜、八面扫描镜和十面扫描镜之中的任意一种。图1和图2中示出了多面扫描镜41为八面扫描镜的情况，该八面扫描镜处于履带2正上方竖直放置，旋转方式为逆时针或顺时针旋转且速度可调。
在一个实施例中，参考图1和图2所示，上述光谱采集与处理模块440包括光谱采集设备44和光谱分析设备46，光谱采集设备44通过光纤45与光谱分析设备46连接。优选的，光谱采集设备44为耦合透镜，光谱分析设备46为光谱仪，且优选的，该光谱仪为正交C-T结构形式的光谱仪；光谱仪中包括红外探测器，且该红外探测器是快速探测器，最大行频可达到18.9kHz，其结构紧凑、探测信号信噪比高，可满足在线物料光谱采集。
具体地，耦合透镜可用于将旋转多面扫描镜41扫描的信号经耦合透镜耦合进入光纤45传输至光谱仪进行处理与分析。耦合透镜的封装机械结构一端采用SMA905接口便于光纤连接，耦合透镜可为球面、非球面、胶合等形式，例如本实施例中选用的是双胶合透镜。光纤45可采用多模光纤，且光纤两端接口都是SMA905接口以便于连接光谱仪和耦合透镜，采用光纤连接光谱仪和耦合透镜，这样可使得光谱仪的摆放位置较为自由，降低对准装调的复杂性。
在一个实施例中，如图1所示，上述参考探测器43包括第一参考探测器431和第二参考探测器432；第一参考激光器421和第二参考激光器422分别发出第一参考激光信号和第二参考激光信号，第一参考探测器431和第二参考探测器432分别采集经多面扫描镜41反射的第一参考激光信号和第二参考激光信号。具体地，第一参考光探测器431和第二参考光探测器432位于光谱采集设备44两侧对称分布，第一参考光探测器431和第二参考光探测器432分别接收由第一参考光激光器421和第二参考光激光器422发射、并经过多面扫描镜41反射面反射的光信号。
在另一个实施例中，如图2所示，其中，第一参考激光器421和第二参考激光器422分别发出第一参考激光信号和第二参考激光信号，参考探测器43采集经多面扫描镜41反射的第一参考激光信号和第二参考激光信号。与图1所示的实施例不同的是，在光路上增加一块中间带孔的反射镜47，该中间带孔的反射镜47分成两个部分：中间的孔和边缘的反射镜47，中间的孔用于给光谱采集与处理模块440提供一个收集物料光信号的通道，边缘的反射镜用于反射参考激光器421和422经多面扫描镜41反射的参考激光信号至参考探测器43中，参考探测器43的数量为一个。
本申请的扫描成像光谱装置利用多面扫描镜扫描获取物料光谱数据，并采用参考激光器探测提供同步采集触发信号，能够监测多面扫描镜的速度稳定性，提高系统检测的稳定性和可靠性；另外通过光谱分析设备采用正交C-T微型结构的快速红外光谱仪，不仅能够提高探测信号的信噪比和装置结构紧凑性，还能够满足快速、高分辨率的物料分选。
根据本申请的实施例，还提供了一种物料在线分选装置。
参考图3所示，根据本申请实施例的物料在线分选装置300，包括：上述任意一种扫描成像光谱装置4；还包括：喂料器1、履带2、光源(31，32，51，52)、与扫描成像光谱装置4连接的控制设备9、与控制设备9连接的执行设备7、以及出料斗8；其中，喂料器1用于将物料平稳且均匀地输送至履带2上，履带2用于传输物料(未示出)，履带2使其上的物料经过光源照射的区域以生成物料光谱数据；扫描成像光谱装置4将物料光谱数据发送至控制设备9；控制设备9用于处理物料光谱数据，并根据处理结果控制执行设备7对物料进行分选。出料斗8包括合格品出料斗和不良品出料斗，分别用于接收合格物料和不良物料。执行设备7用于将不良物料剔除，使其落入不良品出料斗中。而对合格物料不操作，使其顺着原来的运动轨迹落入合格品出料斗中。
在一些实施例中，执行设备包括喷阀7，喷阀7可以根据控制设备的控制信号吹出不良物料，实现对物料的分选。喷阀的气吹方式可以斜向下或斜向上。出料斗8位于喷阀7的下方，出料斗8是用于接收喷阀7喷出的和自然抛出的物料的接料装置。应当理解，图3非限定性的示出了物料的传送及收集方式的一个示例，也可采用任何其它可实施的物料传送及收集方式。
在一些实施例中，上述物料为塑料。
其中，控制设备9根据物料光谱数据确定物料的材质，并根据物料的材质控制执行设备对物料进行分选。可选地，控制设备9为控制计算机。
其中，物料在线分选装置300还可以包括可见光相机6，可见光相机6与控制设备9连接；其中，可见光相机6采集物料的图像信号、并将图像信号发送至控制设备9；控制设备9根据图像信号确定物料的颜色，并进一步根据物料的颜色进行控制执行设备对物料进行分选。
在一些实施例中，上述光源包括红外光源31、32，为扫描成像光谱装置4提供照明；红外光源31、32包括分别带有反射罩的多个光源模块，反射罩用于使多个光源模块的光束汇聚至履带2上。上述光源还可包括可见光光源51、52。具体地，履带2的颜色为黑色，其材质为PC、硅胶等，红外光源31、32和可见光光源51、52，分别为扫描成像光谱装置4和可见光相机6提供塑料物料的照明，其中红外光源31、32为带反射罩的卤素灯光源模块，对称分布于扫描成像光谱装置4的两侧，模块中反射罩的作用是将卤素灯发散的光束汇聚到履带上一条均匀的带状光斑，提高了照明效率。可见光光源51、52采用的是两组线性LED阵列照明模块对称分布于可见光相机6两侧。
下面结合图3对物料在线分选装置300进行塑料物料分选的过程进行说明。扫描成像光谱装置4将塑料在线扫描的物料光谱数据实时传输给控制设备9来进行处理、分析、判断、并控制喷阀7实现塑料按材质气吹，喷阀7的气吹方式可以斜向下或斜向上，本实施例采用斜向下的气吹方式。可见光相机6对准离开履带2的被抛出的空中物料，没有物料时对准的是背景板，可见光相机6通常为彩色相机。可见光相机6将采集到的物料的图像信号输送至控制设备9进行处理、分析、判断、并控制喷阀7实现塑料按颜色气吹，喷阀7的气吹方式可以斜向下或斜向上。本实施例采用斜向下的气吹方式。
进一步地，控制设备9不仅可以独立分析物料光谱数据和可见光相机6的图像数据来实现塑料物料按材质和颜色分选，而且更重要的是可以将采集到的物料光谱数据和可见光相机6的图像数据进行图像融合，提高对塑料按材质分选的定位精度。
本申请的物料在线分选装置通过将扫描成像光谱装置应用于常见塑料物料的分选，实现了例如整瓶、瓶片或垃圾污染物塑料的按材质在线分选；还通过设置可见光相机，实现了不仅可按照不同颜色对塑料进行色选，同时还能够为物料的材质分选提供参考定位，提高了塑料按材质分选的精度。
以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种扫描成像光谱装置，其特征在于，包括：参考激光器、多面扫描镜、参考探测器、以及光谱采集与处理模块；
其中，所述多面扫描镜在旋转过程中对所述参考激光器发出的参考激光信号以及物料发出的光信号进行反射，其中，所述参考激光器包括分别设置于物料两侧的对称放置的第一参考激光器和第二参考激光器，所述第一参考激光器和所述第二参考激光器分别发出第一参考激光信号和第二参考激光信号，且所述第一参考激光信号和所述第二参考激光信号的功率不同；
所述参考探测器采集所述参考激光器经所述多面扫描镜反射后的所述参考激光信号、并根据所述参考激光信号生成所述扫描成像光谱装置的采集触发信号；
所述光谱采集与处理模块根据所述采集触发信号，采集和处理通过所述多面扫描镜获取的物料光谱数据。
2.根据权利要求1所述的扫描成像光谱装置，其特征在于，
所述光谱采集与处理模块包括光谱采集设备和光谱分析设备，所述光谱采集设备通过光纤与所述光谱分析设备连接。
3.根据权利要求2所述的扫描成像光谱装置，其特征在于，
所述光谱分析设备为光谱仪，且所述光谱仪为正交C-T结构形式的光谱仪；所述光谱仪中包括红外探测器。
4.根据权利要求1所述的扫描成像光谱装置，其特征在于，还包括反射镜；
其中所述参考探测器的数量为一个；
其中，所述多面扫描镜将所述第一参考激光信号和所述第二参考激光信号反射至所述反射镜，所述反射镜将所述第一参考激光信号和所述第二参考激光信号反射至所述参考探测器。
5.根据权利要求1所述的扫描成像光谱装置，其特征在于，
所述参考探测器包括第一参考探测器和第二参考探测器；
所述第一参考探测器和所述第二参考探测器分别采集经所述多面扫描镜反射的所述第一参考激光信号和所述第二参考激光信号。
6.一种物料在线分选装置，其特征在于，包括：上述权利要求1-5任一项所述的扫描成像光谱装置；
所述物料在线分选装置还包括：履带、光源、与所述扫描成像光谱装置连接的控制设备、以及与所述控制设备连接的执行设备；
其中，所述履带用于传输物料，所述履带使其上的物料经过所述光源照射的区域以生成所述物料光谱数据；
所述扫描成像光谱装置将所述物料光谱数据发送至所述控制设备；
所述控制设备用于处理所述物料光谱数据，并根据处理结果控制所述执行设备对所述物料进行分选。
7.根据权利要求6所述的物料在线分选装置，其特征在于，
所述物料为塑料。
8.根据权利要求7所述的物料在线分选装置，其特征在于，
所述控制设备根据所述物料光谱数据确定所述物料的材质，并根据所述物料的材质控制所述执行设备对所述物料进行分选。
9.根据权利要求8所述的物料在线分选装置，其特征在于，还包括：
可见光相机，与所述控制设备连接；
其中，所述可见光相机采集物料的图像信号、并将所述图像信号发送至所述控制设备；
所述控制设备根据所述图像信号确定物料的颜色，并进一步根据所述物料的颜色控制所述执行设备对所述物料进行分选。
10.根据权利要求6所述的物料在线分选装置，其特征在于，
所述执行设备包括喷阀，所述喷阀根据所述控制设备的控制信号吹出不良物料，以实现对所述物料的分选。
11.根据权利要求6所述的物料在线分选装置，其特征在于，
所述光源包括红外光源，为所述扫描成像光谱装置提供照明；
所述红外光源包括分别带有反射罩的多个光源模块，所述反射罩用于使所述多个光源模块的光束汇聚至所述履带上。
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