CN112782141B - 一种基于荧光方法的塑料快速分类设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于荧光方法的塑料快速分类装备。本发明利用多个不同波长的紫外LED激发塑料样品，在塑料样品表面产生包含塑料种类信息的特征荧光，通过不同中心波长的滤光片与光电探测器组合，实现废弃塑料特征荧光多波长探测，并将荧光信号转化为电信号，经模数转换传输至微处理器进行荧光分析。利用废弃塑料在不同波长LED激发下的荧光发射信息，实现废弃塑料的准确识别，并直接给出塑料分类结果。该发明具有在使用过程中无需试剂，无二次污染，不需要繁琐的样品预处理与检测过程，对塑料样品的检测完全无损，且检测成本极低，通过该发明能够显著提高废弃塑料的分类效率，提高废弃塑料的利用率。
Description
技术领域
本发明属于光谱分析技术领域、环境污染检测领域和机电领域，具体涉及一种基于荧光方法的塑料快速分类设备。
背景技术
随着我国工业化、城市化的推进，聚苯乙烯、聚丙烯、聚乙烯等高分子化合物制成的塑料应用日益广泛，带来了严重的塑料堆积，造成了严重的白色污染。对废旧塑料进行分类识别是废旧塑料回收再利用的前提，能够有效减少塑料污染，提高塑料利用率。目前常用的塑料分类方法有外观鉴别法、燃烧鉴别法、密度鉴别法、熔融鉴别法和溶剂鉴别法，其中外观鉴别法依靠人工鉴别，由于操作人的认知差异性，易造成识别错误，鉴别结果具有一定随机性，而燃烧鉴别、熔融鉴别法和溶剂鉴别法对废弃塑料具有不可逆的破坏性，操作较为复杂，密度鉴别法操作较为繁琐。除外观鉴别法外，其他方法均无法对塑料进行快速、无损识别分类，且这些方法大多依赖操作人的经验和认知，难以准确量化。
本发明基于塑料的荧光特性，提出了一种利用紫外LED和光敏元件对塑料进行快速分类识别的方法，并研制一套用于废弃塑料快速鉴别的便携式设备。
发明内容
对废弃塑料进行快速识别分类是塑料回收再利用，减少对环境的危害，提高资源利用效率的重要前提。目前世界各国均非常重视废弃塑料的分类回收再利用，如亚洲国家新加坡、泰国等通过制定法律和国家塑料计划来加强塑料回收监管力度，我国通过施行强制家庭垃圾分类来培养回收文化，但当前对废弃塑料的识别仍依赖操作人员的经验，具有很强的随机性，缺少准确的定量化分类识别方法和设备。因此本发明提出了基于紫外LED诱导荧光技术的废弃塑料分类识别方法，利用紫外波段的LED激发塑料样品，产生特异性荧光，根据荧光的发射波长快速确定塑料的种类，具有检测速度快、检测成本低、操作简便快速以及对样品无损等特点。该发明对废弃塑料回收再利用具有重要的应用价值。
本发明采用的技术方案为：一种基于荧光方法的塑料快速分类装备，由LED阵列1，探测器阵列2，控制单元3和供电单元4组成，其中LED阵列由4个不同波长的LED组成，用于照射废弃塑料，产生荧光，波长分别为280nm、300nm、320nm和350nm；探测器阵列2由多个光敏元件搭配不同波长的滤光片组成，用于探测废弃塑料的特征荧光，并转化为电信号，滤光片中心波长分别是300nm、350nm、400nm和450nm；控制单元3用于控制紫外LED阵列1的工作时序，控制探测器阵列2的开启与闭合，并接收探测器阵列2传输回的电信号，并对电信号进行存储与分析，完成废弃塑料的分类识别，并给出识别结果；供电单元4用于向控制单元3提供电能，同时通过控制单元3向LED阵列1和探测器阵列2供能。
进一步地，LED阵列1包括波长为280nm的LED 11，波长为300nm的LED 12，波长为320nm的LED 13，波长为350nm的LED 14，4个LED的位置可任意调整。
进一步地，探测器阵列包括探测器21为，可以是光敏电阻，硅光电倍增光或光电倍增管，使用硅光电倍增管。
进一步地，探测器阵列包括22为中心波长为300nm的滤光片，23为中心波长为350nm的滤光片，24为中心波长为400nm的滤光片，25为中心波长为400nm的滤光片，通过中心波长不同的滤光片，使4个探测器21探测到4个波长的光。26为铜制散热底座，用于为LED和探测器降温散热。LED11,12,13和14发出的光直接照射到废弃塑料样品上，激发出特征荧光，经过滤光片22,23,24和25，被探测器21接收。
进一步地，塑料快速分类装备的控制单元工作方式为：探测器21探测到荧光信号后，将其转化为电信号，经电流/电压转换电路31，积分放大电路32和模拟-数字转换电路33之后，变成数字信号，并传输至主控制器34，完成荧光信息的分析与计算。
进一步地，每个LED均单独工作，依次闪烁，每次闪烁的时候，4个探测器探测到4个波长的荧光强度，一次测量共探测到16组荧光强度信息，建立一个4*4的矩阵，主控器34通过对荧光强度矩阵进行对比分析，获取废弃塑料的种类。
本发明与现有技术相比的效果为：
本发明能够对废弃塑料进行原位快速分类识别，分析过程快速，无需样品处理和复杂操作。目前常用的塑料分类方法如外观鉴别法、燃烧鉴别法、密度鉴别法、熔融鉴别法和溶剂鉴别法等，均需要操作人员具有一定经验，且检测结果具有很大的随机性，分类效率低，分类结果较差。通过该发明，能显著提高废弃塑料分类的效率和准确度，提高废弃塑料的回收再利用效果。该发明不使用试剂、无二次污染，对废弃塑料完全无损，与传统的燃烧鉴别法、熔融鉴别法相比，对环境更加友好。
附图说明
图1为塑料快速分类装备示意图；
图2为LED阵列和探测器阵列示意图；
图3为控制单元。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。
塑料主要由含碳、氢等元素构成的高分子链结构组成，不同材质的塑料具有不同的分子结构，从而具有差异化的荧光特征，在紫外光的作用下，能够发射具备各自特征的荧光光谱。在不同的激发光照射下，塑料的发射波长也存在很大差异，因此本发明利用多个波长的紫外LED作为激发光源，利用多个光敏元件和特定波长的滤光片组合，检测多个特定波长的荧光，通过不同波长荧光的相对强度，确定塑料的种类。如聚丙烯材质的塑料，在波长为280nm的LED照射下，会发射中心波长在380nm的荧光，其在440nm处的荧光强度不到380nm处荧光强度的10％，而聚氯乙烯材质的塑料在波长为280nm的LED照射下，会发射中心波长在440nm的荧光，其在380nm处的荧光强度仅为440nm处荧光强度的20％，因此，可以通过不同波长光敏元件的检测到的荧光强度，判断塑料的种类。
本发明的一种基于荧光方法的塑料快速分类装备结构示意图如图1所示，装备由LED阵列1，探测器阵列2，控制单元3和供电单元4组成，其中LED阵列由4个不同波长的LED(波长分别为280nm、300nm、320nm和350nm)组成，用于照射废弃塑料，产生荧光；探测器阵列2由多个光敏元件(可以是光敏电阻、硅光电倍增管或者光电倍增管)搭配不同波长的滤光片(分别是300nm、350nm、400nm和450nm)组成，用于探测废弃塑料的特征荧光，并转化为电信号；控制单元3用于控制紫外LED阵列1的工作时序，控制探测器阵列2的开启与闭合，并接收探测器阵列传输回的电信号，并对电信号进行存储与分析，完成废弃塑料的分类识别，并给出识别结果；供电单元4用于向控制单元3提供电能，同时通过控制单元3向LED阵列1和探测器阵列2供能。
LED阵列1和探测器阵列的结构图2所示，11为波长为280nm的LED，12为波长为300nm的LED，13为波长为320nm的LED，14为波长为350nm的LED，4个LED的位置可任意调整。21为探测器，可以是光敏电阻，硅光电倍增光或光电倍增管，为了探测器的灵敏度、功耗和体积，本发明使用了硅光电倍增光，本发明使用4组硅光电倍增管。22为中心波长为300nm的滤光片，23为中心波长为350nm的滤光片，24为中心波长为400nm的滤光片，25为中心波长为400nm的滤光片，通过中心波长不同的滤光片，使4个探测器21探测到4个波长的光。26为铜制散热底座，用于为LED和探测器降温散热。LED11,12,13和14发出的光直接照射到废弃塑料样品上，激发出特征荧光，经过滤光片22,23,24和25，被探测器21接收。
塑料快速分类装备的控制单元如图3所示。探测器21探测到荧光信号后，将其转化为电信号，经电流/电压转换电路31，积分放大电路32和模拟-数字转换电路33之后，变成数字信号，并传输至主控制器34，完成荧光信息的分析与计算。主控制器34可以是FPGA和ARM核心板，本专利使用的是ARM核心板。主控制器34的功能包括①对探测器2检测到的荧光信号进行分析，传输至存储器37，并输出到显示器38，实时展示塑料分类结果；②发出控制信号到LED阵列驱动电路35，控制不同波长LED的工作时序，使其交替闪烁；③发出控制信号到探测器阵列驱动电路36，控制探测器阵列2的开启与关闭。控制单元由供电单元4供电，并经主控制器34为LED阵列1和探测器阵列2供电。
每个LED均单独工作，依次闪烁，每次闪烁的时候，4个探测器探测到4个波长的荧光强度，一次测量共探测到16组荧光强度信息，建立一个4*4的矩阵，主控器34通过对荧光强度矩阵进行对比分析，获取废弃塑料的种类。
本发明的特点简述如下：
(1)能够对各种废弃塑料进行快速分类识别；
(2)使用的LED成本低，寿命长，检测成本极低；
(3)使用的荧光方法对废弃塑料无破坏性，检测过程不会产生污染和资源浪费；
(4)本发明所使用的LED、光敏元件均为低功耗产品，体积小，重量轻，由锂电池供电，系统结构小巧。
Claims (1)
1.一种基于荧光方法的塑料快速分类装置，其特征在于：由LED阵列（1），探测器阵列（2），控制单元（3）和供电单元（4）组成，其中LED阵列（1）由4个不同波长的LED组成，用于照射废弃塑料，产生荧光，波长分别为280nm、300nm、320nm和350nm；探测器阵列（2）由多个光敏元件搭配不同波长的滤光片组成，用于探测废弃塑料的特征荧光，并转化为电信号，滤光片中心波长分别是300nm、350nm、400nm和450nm；控制单元（3）用于控制紫外LED阵列（1）的工作时序，控制探测器阵列（2）的开启与闭合，并接收探测器阵列（2）传输回的电信号，并对电信号进行存储与分析，完成废弃塑料的分类识别，并给出识别结果；供电单元（4）用于向控制单元（3）提供电能，同时通过控制单元（3）向LED阵列（1）和探测器阵列（2）供能；
LED阵列（1） 包括波长为280nm的LED（11），波长为300nm的LED（12），波长为320nm的LED（13），波长为350nm的LED（14），4个LED的位置可任意调整；
探测器阵列包括探测器（21），探测器（21）使用硅光电倍增管；
探测器阵列（2）包括中心波长为300nm的滤光片（22），中心波长为350nm的滤光片（23），中心波长为400nm的滤光片（24），中心波长为450nm的滤光片（25），通过中心波长不同的滤光片，使4个探测器（21）探测到4个波长的光，铜制散热底座（26），用于为LED和探测器降温散热，波长为280nm的LED（11），波长为300nm的LED（12），波长为320nm的LED（13），波长为350nm的LED（14）发出的光直接照射到废弃塑料样品上，激发出特征荧光，经过中心波长为300nm的滤光片（22），中心波长为350nm的滤光片（23），中心波长为400nm的滤光片（24），中心波长为450nm的滤光片（25），被探测器（21）接收；
塑料快速分类装置的控制单元工作方式为：探测器（21）探测到荧光信号后，将其转化为电信号，经电流/电压转换电路（31），积分放大电路（32）和模拟-数字转换电路（33）之后，变成数字信号，并传输至主控制器（34），完成荧光信息的分析与计算；
每个LED均单独工作，依次闪烁，每次闪烁的时候，4个探测器探测到4个波长的荧光强度，一次测量共探测到16组荧光强度信息，建立一个44的矩阵，主控制器（34）通过对荧光强度矩阵进行对比分析，获取废弃塑料的种类。
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