CN107703094B - 一种近红外多光谱分选设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种近红外多光谱分选设备，涉及分选设备技术领域。包括复数个光源；物料输送机构；以及位于物料双侧或单侧的光信号接收装置；用于光信号接收装置接收的信号处理的图像处理显示装置；光源对称分布在光信号接收装置两侧位置。本发明通过能够在线的获取物料的近红外多光谱图像，利用多个波段的近红外特征光谱信息，结合近红外光谱分析常用的化学计量学方法，可同时识别多种塑料材质，且多光谱的结合也能提高特征相近塑料材质的识别率。可广泛应用于废旧塑料回收、食品成分、霉变等分选领域，具有重要的实际应用意义。

Description

一种近红外多光谱分选设备
技术领域
本发明属于用于食品加工、工业品回收利用的分选技术领域，特别是涉及一种近红外多光谱分选设备。
背景技术
随着塑料制品消费量的不断增加，废旧塑料产生量也逐年增多。据了解，2011年，我国废旧塑料产生量达到2800万吨，2012年为3413万吨。这些废塑料的加工，存储如果处理不当，势必会破坏环境，危害健康；另一方面，塑料作为石油的衍生物之一，是一种不可再生资源，因此价格也是逐渐升高，因此废旧塑料的再生利用也被各国所重视。
目前塑料制品使用的材料分布广泛，有PET，PVC，PS，ABS，PE等，这些不同材质的塑料在回收利用时，由于熔点等的不同，很难将他们放在一起加工利用，最典型的是PET和PVC，他们外观很接近，密度相差也很小，很容易混合在一起，如果PET中PVC含量过高，在纺丝等二次加工过程中将无法使用，因此，一般要求将PET中PVC的含量控制在千分之一到万分之五的水平。
目前用于不同材质塑料的分选方法主要有光电分选、电选、风选、密度分选，浮选等，其中电选主要是利用摩擦带电的方法使塑料带电，依据带电电性和电量的不同进行分选，但由于塑料带电的差异不是很明显，特别是实际的塑料废物，其带电性质与纯净塑料有差别，且受到附着水分和湿度的影响较大，因此在实际分选过程中会有很大的局限性；风选是利用塑料颗粒在空气流中因粒径、形状、密度等差异予以分离，适合密度差异比较大的物料之间的分选，但很多待分离的塑料密度差异较小，因此这种方法分离效率不高；密度分选属于湿法分选，即选择一种合适密度的介质，使得两种塑料中的一种漂浮而另一种下沉，可以实现二者之间的分离，但这种方法准确度差且效率低；浮选能够实现密度相近，带电电荷差异较小的塑料分选，但需要额外添加不同的浮选剂，回收的附加成本高，浮选剂还要额外处理，可能会导致环境污染。
光电分选作为一种新的塑料分选技术，具有识别率高，产量大，无污染等优点，依据使用的光源波段的不同可将目前常用的塑料分选设备分为可见光分选和近红外分选，其中可见光分选主要是用于分选颜色、大小、形状有差异的塑料，无法区分不同的材质；而近红外材质分选是利用近红外光被聚合物分子的倍频和组合频率吸收后，表征出特定的官能团吸收谱而进行区分的，可有效区分不同材质的塑料，与颜色形状无关。
CN103480586A“一种双红外在线塑料材质分选装置”中采用前分光两个镜头两个传感器分别获取两个波段的近红外塑料图像，将两幅图像对应像素合成，并采用一定的算法可有效识别PET塑料中的PVC杂质，但由于只采用了两个波段的光谱技术，这种方法仅对于个别品种的塑料有较好的区分，如文中描述的PET和PVC，其余绝大多数的塑料不好区分。
US6610981“Method and apparatus for near-infrared sorting of recycledplastic waste”中采用光纤进行分光，将塑料的反射光通过光纤分为两个部分，经过两个不同的窄带滤光片(1639nm和1716nm)后被相应的单点探测器进行探测，同样，文中描述的结构也只采用了两种波长探测，不利于多种塑料的区分。
文献“用红外光谱鉴定塑料成分”中采用红外光谱仪测试了PE，PP，PS，PVC，PTFE，POM，PMMA，PA，PC，PF十种塑料材质的近红外吸收光谱，结果表明，采用近红外光谱可准确区分这十类塑料。
为提高近红外光谱分析的速度，国外研制出了近红外多光谱(或高光谱)相机可用于塑料材质的快速识别。SPECIM的高光谱相机采用PGP的分光结构，多用于面阵相机的成像，成像速度多为几十帧/秒，用于分选速度还是受到限制。高速的高光谱相机主要代表是Brimose的AOTF近红外相机，其波长范围可选，有900～1700nm，900～2500nm，波长扫描频率是16000波长/秒，波长分辨率可达10nm，具有极高的波长切换速度，可用于线阵或面阵相机拍摄图像，但缺点是目前现有的近红外线阵传感器扫描行频均比较低，不能完全能匹配该装置，因此实现在线分选难以实现。
从以上分析可知，近红外光谱可用于各种聚合物塑料的识别，但目前没有能实现大产量在线分选的高速近红外装置能够满足实际分选的需求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种近红外多光谱分选设备，通过，解决了现有的问题。
为解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明为一种近红外多光谱分选设备，包括
复数个光源，复数个近红外光源，物料滑槽或履带以及位于物料双侧或单侧的光信号接收装置，所述的近红外光源分布在光信号接收装置的两侧，近红外光源照射到物料表面，被物料的特征官能团所吸收，物料同一点的反射或透射光信号被光信号接收装置的多个波段，中心波段为λ1、λ2、λ3、λ4、λ5…的探测器所接收，并转换成电信号，将不同点采集的多个波段光信号合成，可得到多光谱图像；
物料输送机构；以及
位于物料双侧或单侧的光信号接收装置；
用于光信号接收装置接收的信号处理的图像处理显示装置；
所述的光源对称分布在光信号接收装置两侧位置；
采用复数个近红外光源照射到一定宽度范围的物料区域，所述光源位于光信号接收装置的外部，和光信号接收装置位于物料的同侧，所述光源为固定照明位置、照明强度的连续光源，当被测物料从滑道(或履带)上以一定的速度经过光信号接收装置的探测区域时，光信号接收装置内部的扫描装置将在垂直于物料运动方向进行扫描，结合两个方向的移动可以获得物料的二维图像，每一时刻只能获取物料上某一点的反射光信号，该点的反射光信号被镜头聚焦并分光，采用多个半透半反镜可将接收的单点反射光分成多路光信号，分开后的每一路光信号在空间上均间隔一定的距离，在每一路光信号的聚焦点位置放置一个单点近红外探测器，每个单点探测器光信号接收面前端均设置中心波长为λ1、λ2、λ3、λ4、λ5…的带通滤光片用于特征波长的提取，单点探测器将光信号转换成电信号存入存储单元中，按照一定的顺序进行编码，可得到一幅近红外多光谱图像；
复数个光源位于光信号接收装置的外部，特别的，位于光信号接收装置的另一侧，近红外光源照射到半透明或透明的物料上以后，经过物料内部的吸收、散射，最终透射光被位于光源另一侧的光信号接收装置所接收；
在物料的两侧均设置有复数个近红外线光源，同时在物料的两侧均有光信号接收装置，被测物料经过滑槽或履带传送至观察区域时，被测物料一方面被同侧光源照明得到近红外反射光，同时，另一侧的光源透过物料得到透射近红外光，反射光和透射光将同时被光信号接收装置所接收。
进一步地，所述物料输送机构采用滑槽或履带；所述物料输送机构一端与一振动器配合；所述物料输送机构另一端为被测物料的物料区域。
进一步地，所述被测物料的物料区域一侧还设有背景板，所述背景板一侧设有一光源；所述被测物料的物料区域另一侧还设有喷阀装置。
进一步地，所述光源包括近红外光源，所述近红外光源还包括多个波长LED或线状近红外激光器的组合；所述光源还设置有聚光装置。
进一步地，所述光信号接收装置内部还设有一路激光光源，所述激光光源发出的光线对准一多面反射镜的某一面；当多面反射镜旋转时，激光光源发出的光线会被多面反射镜反射，反射的光线会反射到物料区域上的设置的一位置保持不变的标记物。
进一步地，所述标记物反射回的光线同样沿着激光光源反射的光线返回到多面反射镜，所述多面反射镜反射到半透半反镜，经过一聚焦镜头聚焦光线到一单点探测器，所述单点探测器与聚焦镜头之间在贴近单点探测器收光孔的位置放置激光光源所发出波长光对应的窄带滤光片，所述窄带滤光片的带宽为小于5nm。
进一步地，所述单点探测器接收到激光光源照射到标记物上的反射光后，将光信号转换为电信号，得到一个脉冲信号，当单点探测器出现一次脉冲信号时，标志多面反射镜切换一个反射面，依据脉冲信号出现的位置对数据进行编码，得到物料的图像。
进一步地，所述物料区域上某个物料点或者背景反射的光信号会到达多面反射镜，经过多面反射镜的光信号被反射到聚焦镜头，将光斑聚焦成小点，被聚焦的光斑会经过二向色镜进行分光，分光后的五束光线会到达五个单点探测器。
进一步地，所述单点探测器以及二向色镜之间再加上窄带通的近红外滤光片，所述近红外滤光片的带宽通常小于10nm。
进一步地，所述单点探测器分别将来自同一个物料点或背景点不同波段的光信号转换成电信号，同时获得物料点的多个光谱数据，随着多面反射镜的转动，多面反射镜将依次将物料区域上的各点反射到单点探测器，同时被测物料是随着物料输送机构以一定的速度滑动的，将会获得按时间顺序排列的物料区域上的数据，数据通过线缆传送给图像处理显示装置，按照编码规则，将扫描得到的二维多光谱数据拼接成多光谱图像，根据待测试物料的不同，发现物料为坏料时，启动喷阀装置将坏料剔除。
本发明具有以下有益效果：
本发明能够在线的获取物料的近红外多光谱图像，利用多个波段的近红外特征光谱信息，结合近红外光谱分析常用的化学计量学方法，可同时识别多种塑料材质，且多光谱的结合也能提高特征相近塑料材质的识别率。可广泛应用于废旧塑料回收、食品成分、霉变等分选领域，具有重要的实际应用意义。
当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述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发明的一些实施例，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为本发明的一种近红外多光谱分选设备的实施例一的示意图；
图2为本发明的一种近红外多光谱分选设备采用的光信号接收装置示意图；
图3为本发明的一种近红外多光谱分选设备的实施例二的原理图；
图4为本发明的一种近红外多光谱分选设备的实施例三的原理图；
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1－振动器；2－滑槽；3－被测物料；41～44－聚光灯罩；51～56－近红外光源；60～62－光信号接收装置；70－线缆；80－图像处理显示装置；90－喷阀装置；101－背景装置；110－物料区域；120－扫描多面镜；130－物料反射或透射的光线；131－激光光源被反射的光线；140，141－聚焦镜头；150－激光光源；201～206－单点红外探测器；301～306－窄带通滤光片；501～504－二向色反射镜；505－半透半反镜；600－标记物。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅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作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“开孔”、“上”、“下”、“厚度”、“顶”、“中”、“长度”、“内”、“四周”等指示方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的组件或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
实施例一
图1示出了本专利提供的一种近红外多光谱分选设备的示意图。该近红外多光谱分选设备主要包括光源51～52，聚光装置41～42，振动器1，物料滑槽2，光信号接收装置60，背景光源53、背景板101，喷阀装置90以及图像处理显示装置80。通过振动器1将物料沿着物料滑槽2进行导料，通过近红外光源51～52对被测物料3进行照射，通过光信号接收装置60接收被测物料3反射的光波信号。光源51～52采用近红外光源。聚光装置41～42采用聚光灯罩。
针对不同的结构要求，可以选用不同的近红外光源，如图1中所采用的光源51～53可以是小卤素灯泡，长条形卤素灯，其发光光谱范围为400～3000nm，完全能满足近红外波段的照明要求。
上述的光源51～53还可以是多个波长LED或线状近红外激光器的组合。
光源51～52照明附近还有聚光灯罩41～42，当采用上述卤素灯照明时，卤素灯光源或LED光源为加聚光罩或聚光棒的聚光光源，用于提高光信号的强度，聚光灯罩41～42通常为椭圆形，通常将光源51～52放置在聚光灯罩41～42的前焦点位置，聚光灯罩41～42的形状依据观察视点到光源位置决定，通常将聚光灯罩41～42的后焦点放置在观察视点位置或附近。
当采用线状近红外激光器作为照明光源时，由于其能量集中，方向性极佳，不需要聚光灯罩41～42。
近红外光源51～52，聚光灯罩41～42位于光信号收集装置60的两侧，通常为对称分布，与光信号收集装置的夹角大于20度。
物料由振动器1振匀，沿滑槽2下滑获得加速度，通常到达视点位置时，物料下滑速度可达4m/s，位于光信号收集装置上下两侧的近红外光源51～52发射出近红外波段的光谱，照射到被测物料3上，被测物料3会反射、吸收、透射近红外光，由于不同的物料其分子近红外吸收特性有差异，则反射的光信号130就会携带有物料的特征信息，被光信号接收装置60接收，在没有物料3出现的区域，光信号接收装置60会接收到背景板101上反射背景光源53上的信号，为一均匀信号。
光信号接收装置60如图2所示：某一时刻，物料区域110上某个物料点或者背景反射的光信号130会到达多面反射镜120，经过多面反射镜120的光信号被反射到聚焦镜头140，将光斑聚焦成小点，为了实现多光谱检测，被聚焦的光斑会经过501～504二向色镜进行分光，图2所示的分光后的5束光线会到达5个单点探测器201～205；
优化的，为了提高检测的精度，通常在单点探测器201～205以及二向色镜501～504之间再加上窄带通的近红外滤光片，滤光片的带宽通常小于10nm。单点探测器201～205分别将来自同一个物料点或背景点不同波段的光信号转换成电信号，从而可以同时获得物料点的多个光谱数据，随着多面反射镜120的转动，多面反射镜120将依次将物料区域110上的各点反射到单点探测器201～205，同时物料3是随着滑槽2以一定的速度滑动的，将会获得按时间顺序排列的物料区域110上的数据，数据通过线缆70传送给图像处理显示装置80，按照一定的编码规则，可以将扫描得到的二维多光谱数据拼接成多光谱图像，根据待测试物料的不同，可以研究不同的算法对数据进行处理，如化学计量学算法，神经网络算法等，运算后发现物料为坏料时，启动喷阀装置90将坏料剔除。
在光信号接收装置60内部还有一路激光光源150，激光光源150发出的光线对准多面反射镜120的某个面，对准的多面反射镜镜120的反射面可以和收光反射面相同，也可以是其他面；当多面反射镜120旋转时，激光光源150发出的光线会被多面反射镜120反射，某一时刻，反射的光线会到达131的状态，在物料区域110上会设置位置保持不变的标记物600。
优化的，标记物的颜色或强度通常与背景101的信号强度以及物料3的信号强度有明显区别，可以为有色的颜料或特定的结构。
标记物反射回的光线同样沿着光线131返回到多面反射镜120，被多面反射镜120反射到半透半反镜505，经过聚焦镜头141聚焦光线到单点探测器206，在单点探测器206和聚焦镜头141之间，贴近单点探测器206收光孔的位置放置激光光源150所发出波长光对应的窄带滤光片306，通常窄带滤光片的带宽为小于5nm。
单点探测器206接收到激光光源150照射到标记物600上的反射光后，将光信号转换为电信号，会得到一个脉冲信号，每当单点探测器206出现一次脉冲信号时，标志多面反射镜120切换一个反射面，依据脉冲信号出现的位置对数据进行编码，可得到物料的图像。
实施例二
本专利申请也可以按另一种实施方式的结构原理图，如图3所示设计出另一种结构的近红外多光谱分选设备。其与上述实施例一的区别是光信号接收装置60与光源51～52相对于物料所在的方向不同，背景光源53和背景板101与光源51～52同侧，本实施例中，光源51～52发出的近红外光线照射到物料3上后，被物料3反射，吸收，透射，透射的光线会被光信号接收装置60所接收，按照第一实施例所述的方式将光信号转换成多光谱波段的电信号。
实施例三
本专利申请也可以按第三种实施方式的结构原理图，如图4所示设计出另一种结构的近红外多光谱分选设备。其与上述第一实施例的区别是在物料的两侧均设置有光源51～54以及光信号接收装置61、62，在物料的两侧均设置有背景光源55、56以及背景板101、102，本实施例中，光源51～54发出的近红外光线照射到物料3上后，被物料3反射，吸收，透射，由51～52透射的光线以及53～54反射的光线会被光信号接收装置62所接收，按照第一实施例所述的方式将光信号转换成多光谱波段的电信号，类似的，由53～54透射的光线以及51～52反射的光线会被光信号接收装置61所接收，按照第一实施例所述的方式将光信号转换成多光谱波段的电信号。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (3)

1.一种近红外多光谱分选设备，其特征在于，包括：
复数个光源；
物料输送机构；以及位于物料双侧或单侧的光信号接收装置；
用于光信号接收装置接收的信号处理的图像处理显示装置；
所述的光源对称分布在光信号接收装置两侧位置；
所述物料输送机构采用滑槽或履带；所述物料输送机构一端与一振动器配合；所述物料输送机构另一端为被测物料的物料区域；
所述物料区域上某个物料点或者背景反射的光信号会到达多面反射镜，经过多面反射镜的光信号被反射到聚焦镜头，将光斑聚焦成小点，被聚焦的光斑会经过二向色镜进行分光，分光后的五束光线会到达五个物料单点探测器；所述物料单点探测器以及二向色镜之间再加上窄带通的近红外滤光片，所述近红外滤光片的带宽通常小于10nm；
所述物料单点探测器分别将来自同一个物料点或背景点不同波段的光信号转换成电信号，同时获得物料点的多个光谱数据，随着多面反射镜的转动，多面反射镜将依次将物料区域上的各点反射到物料单点探测器，同时被测物料是随着物料输送机构以一定的速度滑动的，将会获得按时间顺序排列的物料区域上的数据，数据通过线缆传送给图像处理显示装置，按照编码规则，将扫描得到的二维多光谱数据拼接成多光谱图像，根据待测试物料的不同，发现物料为坏料时，启动喷阀装置将坏料剔除；
所述光信号接收装置内部还设有一路激光光源，所述激光光源发出的光线对准一多面反射镜的某一面；当多面反射镜旋转时，激光光源发出的光线会被多面反射镜反射，反射的光线会反射到物料区域上的设置的一位置保持不变的标记物；
所述标记物反射回的光线同样沿着激光光源反射的光线返回到多面反射镜，所述多面反射镜将反射回的光线反射到半透半反镜，经过一聚焦镜头聚焦光线到一个标记物单点探测器，所述标记物单点探测器与聚焦镜头之间在贴近标记物单点探测器收光孔的位置放置激光光源所发出波长光对应的窄带滤光片，所述窄带滤光片的带宽为小于5nm；
所述标记物单点探测器接收到激光光源照射到标记物上的反射光后，将光信号转换为电信号，得到一个脉冲信号，当标记物单点探测器出现一次脉冲信号时，标志多面反射镜切换一个反射面，依据脉冲信号出现的位置对数据进行编码，得到物料的图像。
2.根据权利要求1所述的一种近红外多光谱分选设备，其特征在于，所述被测物料的物料区域一侧还设有背景板，所述背景板一侧设有一光源；所述被测物料的物料区域另一侧还设有喷阀装置。
3.根据权利要求1所述的一种近红外多光谱分选设备，其特征在于，所述光源包括近红外光源，所述近红外光源还包括多个波长LED或线状近红外激光器的组合；所述光源还设置有聚光装置。
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