一種雙紅外線上塑膠材質分選裝置

《一種雙紅外線上塑膠材質分選裝置》是合肥美亞光電技術股份有限公司於2013年10月8日申請的發明專利，該專利申請號為2013104650485，公布號為CN103480586A，專利公布日為2014年1月1日，發明人是林茂先、陶俊、常宏、劉寶瑩、李凱、方傑、胡修穩、陳海燕。

《一種雙紅外線上塑膠材質分選裝置》包括寬頻紅外光源、輸送帶、聚光裝置、背景裝置、分光裝置、兩片紅外帶通濾光片、兩個鏡頭，及兩路紅外線陣感測器，寬頻紅外光源照射到經輸送帶傳到背景裝置上的塑膠表面，塑膠表面反射回的光經分光裝置等分為2路，2路光分別經紅外帶通濾光片後，由各自的鏡頭接收，成像在紅外線陣感測器上。其中一片紅外帶通濾光片觀察的波長範圍為1150～1230納米，另一片觀察的波長範圍為1600～1700納米。紅外線陣感測器為標準型InGaAs紅外線陣感測器。該發明的優點在於：能有效線上區分PET和PVC材質的塑膠，分光方式簡單易行，因採用特定觀察波長範圍的紅外帶通濾光片，因此可採用成本較低的標準型InGaAs紅外線陣感測器，具有重要的現實意義和廣泛的套用前景。

2019年5月16日，《一種雙紅外線上塑膠材質分選裝置》獲得安徽省第六屆專利獎優秀獎。

（概述圖為《一種雙紅外線上塑膠材質分選裝置》的摘要附圖）

基本介紹

• 中文名：一種雙紅外線上塑膠材質分選裝置
• 公布號：CN103480586A
• 公布日：2014年1月1日
• 申請號：2013104650485
• 申請日：2013年10月8日
• 申請人：合肥美亞光電技術股份有限公司
• 地址：安徽省合肥市高新區天湖路4號
• 發明人：林茂先、陶俊、常宏、劉寶瑩、李凱、方傑、胡修穩、陳海燕
• 代理機構：安徽匯朴律師事務所
• 代理人：丁瑞瑞
• Int.Cl.：B07C5/342(2006.01)I
• 類別：發明專利

專利背景

在塑膠套用範圍越來越廣泛的現代社會，將廢塑膠回收並按種類分開具有重要的現實意義，尤其是將PVC從PET中分開並去除的需求較為迫切。這兩種材質的塑膠用途廣泛，密度相近，不易為人眼區分，且互為污染物，PVC塑膠的熱穩定性較差，長時間加熱會導致分解，放出HC1氣體。在紡織工業中，廢舊PET回收生產紡織纖維時，PVC成分含量的高低將嚴重影響產品質量。因為PET的熔融溫度較高，在PET處理溫度上PVC會嚴重降解，使得PET表面出現一層黑斑，且PVC拉伸度小，在抽絲過程中極易出現斷頭，嚴重影響紡絲的正常進行。因此，將PVC塑膠從PET廢舊塑膠中分解出來，減少PET瓶片雜質含量是現階段制約PET廢舊塑膠回收利用的關鍵環節。

截至2013年10月，廢塑膠分類的方法有人工、X射線、溶劑、靜電和密度等方法，這些方法在對大量塑膠進行辨別時，有一定的局限性。X射線可以用來檢測重金屬原子和鹵族元素（含氯PVC），但無法檢測其他塑膠。而光學方法則可以實現精度高、速度快、非破壞線上識別。其中，可見光可根據塑膠的顏色進行分類，而近紅外光則可以根據常見塑膠的材質類型進行快速分類。

近紅外光譜技術（780-2526納米）是塑膠材質自動分選廣泛使用的技術之一。近紅外光經聚合物分子振動的倍頻和組合頻吸收後，其吸收譜能夠表征相關官能基團，如O-H、N-H、C-H等。若塑膠中無其它添加成分（如碳黑、染料等），利用近紅外技術可以較容易的區分不同的塑膠。但近紅外光譜技術一般不適用於鑑別黑色或深色的塑膠。

Scott的文獻“Atwo-colornear-infrared sensor for sorting recycled plastic waste”（雙色近紅外感測器分揀回收廢塑膠）和MSS公司的專利US5966217的原理基本一致，通過鹵素燈照射塑膠，測量塑膠的透射或反射光，利用分束片或者光纖將光分為2部分，通過1660納米和1716納米的帶通濾光片後，由單點感測器來觀測這兩個波段的信號，通過這2個波長處的信號比例來區分PET和PVC這兩種塑膠片。NRT公司的專利US6610981主要解決片狀塑膠檢測過程中由於層疊、團聚等造成的誤判問題。該專利將塑膠的反射光通過光纖分為2部分，分別經過1639納米和1716納米的濾光片後進入相應的單點探測器來探測2波長處的信號比例。該專利指出，如使用兩濾波片中心波長為1660納米、1716納米，在層疊或團聚情況下有可能發生誤判。

上述這些方法在識別PET和PVC時，主要採用1660納米和1716納米的吸收峰作為特徵波長，2013年10月之前在主流的套用中，近紅外探測多採用InGaAs材質的感測器，而標準型的InGaAs感測器（波長回響範圍：900-1700納米）無法滿足長波長探測要求，需要採用擴展型的InGaAs感測器才可以探測到1716納米這個特徵波長，而這類擴展型感測器價格昂貴，2013年10月之前單點擴展型InGaAs感測器的成本為比相應標準型產品價格高2倍左右，線陣擴展型InGaAs感測器的成本比對應標準型產品價格高3倍以上，在很大程度上增加了設備的成本。

此外，上述專利或方法所採用的信號探測方式，往往只能採用單點感測器，給出原理性分選方案，而難以採用線陣感測器進行多通道同時觀測。在實際大產量的線上套用中，這些方法還需解決通道擴展問題，比如需要採用旋轉光學掃描多面鏡或高速掃描振鏡來實現橫向方向的掃描，而光學掃描多面鏡等部件為精密光學元器件，對機械裝置的精度及長期穩定性要求很高，維護起來也較為困難。

發明內容

專利目的

《一種雙紅外線上塑膠材質分選裝置》的所要解決的技術問題在於在於提供一種成本低、裝置簡單、易於實現和實用化，並且識別率與已有設備基本相同的雙紅外線上塑膠材質分選裝置。

技術方案

《一種雙紅外線上塑膠材質分選裝置》包括寬頻紅外光源、輸送帶、聚光裝置、分光裝置、控制系統、剔除裝置、兩片紅外帶通濾光片、兩個鏡頭，以及兩路紅外線陣感測器，寬頻紅外光源照射到塑膠的表面，塑膠表面反射回的光經分光裝置等分為2路，2路光分別經過能夠透過塑膠特徵波長的紅外帶通濾光片後，由各自的鏡頭接收，成像在紅外線陣感測器上，所述控制系統對成像在紅外線陣感測器上的2組圖像信號的灰度值進行比例分析後判斷出異物並驅動所述剔除裝置將異物剔除。該發明所採用的濾光片，其中一片觀察的波長範圍為1150～1230納米，優選在1190納米左右，另一片觀察的波長範圍為1600～1700納米，優選在1660納米左右。採用這2個特徵波長的濾光片，主要是要將PET中的PVC識別出來，也可將PET中的其他塑膠（如PP、HDPE等）等識別出來，通過改變濾光片，也可將其它類型的塑膠識別出來。

因為該發明所選用的上述紅外帶通濾光片，所以該發明採用價格相對較低的標準型InGaAs紅外線陣感測器。所述雙紅外線上塑膠材質分選裝置還包括背景裝置，紅外光源照射到經過輸送帶傳送到背景裝置上表面的塑膠表面。最佳化的，所述寬頻紅外光源的匯聚方向與分光裝置的觀測方向對稱分布。最佳化的，分光裝置的觀測方向與豎直方向傾斜一定角度。作為該發明分光裝置的第一種技術方案，所述分光裝置採用分束鏡，塑膠表面反射回的光，一部分透過分束鏡經過紅外帶通濾光片後，經鏡頭成像在紅外線陣感測器上，另一部分被反射經過紅外帶通濾光片後，經鏡頭成像在紅外線陣感測器上。

作為該發明分光裝置的第二種技術方案，所述分光裝置採用紅外二向色鏡代替分束鏡，高於特定波長的塑膠表面反射回的光經紅外二向色鏡透過（反射），低於特定波長的塑膠表面反射回的光經紅外二向色鏡反射（透過），兩路信號再經紅外帶通濾光片後，由各自的鏡頭接收，成像在紅外線陣感測器上。通過在輸送頻寬度方向並行布置若干組上述雙紅外分選裝置，就可以方便地進行通道擴展，以滿足不同的分選產量需求。

改善效果

《一種雙紅外線上塑膠材質分選裝置》的優點在於：通過觀察塑膠在2個特徵波段的紅外光反射信號，合成雙紅外圖像，能夠有效線上區分常見的生活廢品塑膠，特別適用於透明塑膠的識別，如PET和PVC材質的塑膠，且塑膠整瓶和瓶片都可以識別。光源採用價格低廉的大功率鹵素燈，通過橢圓形的反光罩聚光後，有效地提高了光源的利用率；分光方式簡單易行，採用分束片或者二向色鏡作為分光元件，通過紅外帶通濾光片觀察特徵波段的信號，相對於稜鏡、光柵等分光方式，降低了難度和複雜度；感測器採用靈敏度較高、成本相對較低的標準型InGaAs紅外線陣感測器；可根據產量要求方便地在輸送頻寬度方向上並行擴展通道數目，而無需採用機械結構相對複雜、穩定性要求較高的旋轉光學掃描多面鏡或高速掃描振鏡。該裝置可廣泛套用於塑膠材質分選領域，具有重要的現實意義和廣泛的套用前景。

附圖說明

圖1為雙紅外塑膠材質分選裝置整體結構圖。

圖2為雙紅外分光裝置原理圖。

圖3為光源的2種布置方式。

圖4為鏡頭視場範圍。

圖5為背景裝置結構圖。

圖6為PET和PVC的雙紅外圖像示意圖。

圖中所有箭頭方向均為輸送帶（即物料）運動方向。

圖中部件名稱：1：紅外分光裝置；2：聚光裝置；3：寬頻紅外光源（鹵素燈）；4：背景裝置；5：輸送帶；6分光裝置的觀測方向；101：紅外分束片或二向色鏡；102、103：紅外帶通濾光片；104、105：鏡頭；106、107：紅外線陣感測器（光敏面的長度方向與輸送頻寬度方向平行）；401：紅外玻璃；402：背景板。

技術領域

《一種雙紅外線上塑膠材質分選裝置》涉及光電分選技術領域，尤其涉及一種雙紅外線上塑膠材質分選裝置。

權利要求

1.《一種雙紅外線上塑膠材質分選裝置》包括寬頻紅外光源、輸送帶、聚光裝置、控制系統和剔除裝置，其特徵在於：還包括分光裝置、兩片紅外帶通濾光片、兩個鏡頭，以及兩路紅外線陣感測器，紅外光源照射到塑膠表面，塑膠表面反射回的光經分光裝置分為2路，2路光分別透過紅外帶通濾光片後，由各自的鏡頭接收，成像在紅外線陣感測器上，所述控制系統對成像在紅外線陣感測器上的2組圖像信號的灰度值進行比例分析後判斷出異物並驅動所述剔除裝置將異物剔除，其中一片紅外帶通濾光片的透過波長範圍為1150～1230納米，另一片紅外帶通濾光片的透過波長範圍為1600～1700納米，所述紅外線陣感測器為標準型InGaAs紅外線陣感測器，所述雙紅外線上塑膠材質分選裝置還包括背景裝置，紅外光源照射到經過輸送帶傳送到背景裝置上表面的塑膠表面。

2.如權利要求1所述的雙紅外線上塑膠材質分選裝置，其特徵在於：所述兩片紅外帶通濾光片的透過波長分別為1190納米、1660納米。

3.如權利要求1所述的雙紅外線上塑膠材質分選裝置，其特徵在於：所述寬頻紅外光源的匯聚方向與分光裝置的觀測方向對稱分布。

4.如權利要求1所述的雙紅外線上塑膠材質分選裝置，其特徵在於：分光裝置的觀測方向與豎直方向傾斜一定角度。

5.如權利要求1所述的雙紅外線上塑膠材質分選裝置，其特徵在於：所述分光裝置採用分束鏡，塑膠表面反射回的光，一部分透過分束鏡經過紅外帶通濾光片後，經鏡頭成像在紅外線陣感測器上，另一部分被反射經過紅外帶通濾光片後，經鏡頭成像在紅外線陣感測器上。

6.如權利要求1所述的雙紅外線上塑膠材質分選裝置，其特徵在於：所述分光裝置採用紅外二向色鏡代替分束鏡，高於特定波長的塑膠表面反射回的光經紅外二向色鏡透過或反射，低於特定波長的塑膠表面反射回的光經紅外二向色鏡反射或透過，兩路信號再經紅外帶通濾光片後，由各自的鏡頭接收，成像在紅外線陣感測器上。

7.如權利要求1所述的雙紅外線上塑膠材質分選裝置，其特徵在於：所述兩路線陣感測器互相平行，且對應像元分別觀測來自塑膠同一部位的光信號。

實施方式

以分選PET和PVC材質的塑膠瓶片或整瓶為例，圖1和圖2示出了該發明提供的雙紅外線上塑膠材質分選裝置的一個實施例示意圖。該裝置包括寬頻紅外光源（鹵素燈）3、輸送帶5、聚光裝置2、分光裝置1、背景裝置4、控制系統和剔除裝置（圖未示）、紅外分束片或二向色鏡101、紅外帶通濾光片102和103、鏡頭104和105，紅外線陣感測器106和107。 針對不同的套用需求，光源3採用300-500W的鹵素燈，經聚光裝置2聚光後匯聚於背景裝置4上方約10毫米處，形成寬度在20-40毫米寬的聚光區域。待分選塑膠經速度約為2m/s的輸送帶5傳輸，物料在輸送帶末端拋出，經過背景裝置4上方的聚光區域時，反射光被分光裝置1所接收。在分光裝置1中，塑膠的反射光被分束鏡101等分為2部分，一部分透過分束鏡，經過紅外帶通濾光片102後，經鏡頭104後成像在紅外線陣感測器106上，另一部分被反射，經過紅外帶通濾光片103後，經鏡頭105後成像在紅外線陣感測器107上。

所述控制系統對成像在紅外線陣感測器106和107上的2組圖像信號的灰度值進行比例分析後判斷出異物並驅動所述剔除裝置將異物剔除。經過仔細調節，2路線陣感測器互相平行，且對應像元可分別觀測來自塑膠同一部位的光信號。上述紅外帶通濾光片102和103的中心波長分別為1190納米和1660納米，分別對應PVC和PET塑膠的特徵吸收峰，與2013年10月之前的技術中分選這兩種材質時經常採用的1660納米和1716納米濾光片不同，該發明所選用的濾光片，僅配合採用價格相對較低的標準型InGaAs紅外線陣感測器即可，這樣可大幅度降低裝置的成本。

圖2中的分光裝置可採用2個相同的標準型InGaAs紅外線陣感測器106和107（如Hamamatsu，G9494），該感測器的光譜回響範圍為900-1700納米，完全包含該發明所觀測的塑膠特徵波長。通過2路信號合成的塑膠雙紅外圖像，通過對圖像上的2組信號灰度值進行比例分析，能有效識別出PVC。圖6示意地給出PET和PVC的雙紅外圖像，在實際拍攝圖片時，白平衡校正後，以1660納米處的圖像為R分量，以1190納米處的圖像為G分量合成偽彩圖像來進行直觀地識別，由於PET在1660處有明顯吸收，因而PET的合成圖像呈現綠色，PVC在1190納米處有一小的吸收峰，PVC的合成圖像呈現暗黃色，從而可通過常規的色選方法將兩種塑膠分選開來。

在該實施例的照明方式中，2盞鹵素燈的匯聚方向與分光裝置的觀測方向6對稱分布，其夾角約為20°，在上視圖方向，光源的布置方式既可採用圖3a的方式，使分光裝置1與鹵素燈錯開一定的距離，也可使對稱的2盞光源與分光裝置1分布在一條直線上，如圖3b所示。該實施例中，在探測塑膠的反射光時，為了減少塑膠的鏡面反射，將分光裝置1的觀測方向6與豎直方向傾斜一定角度，如圖1所示。這樣在該發明的照明方式下，物料的鏡面反射幾率大為降低。圖4給出了該實施例單個通道所能觀察的範圍，選擇合適的鏡頭104、105，鏡頭104、105至物料觀察面的距離h約為800毫米時，所能觀察的物料面寬度d約為300毫米，在以512像元的線陣感測器為例，單個像元的理論解析度低於1毫米。

需要說明的是，該實施例採用白色材料作為背景板402，為了防止背景板被灰塵等雜質污染，或者被物料經過時劃傷，在其上表面覆蓋一層透明玻璃401，厚度為2-3毫米，這樣形成背景裝置如圖5所示。該專利申請也可按第二種技術方案來實施，以紅外二向色鏡代替分束鏡101，高於特定波長（如1500納米）的紅外光經紅外二向色鏡透過（或反射），低於特定波長（如1500納米）的紅外光經紅外二向色鏡反射（或透過），兩路信號再經由能夠透過塑膠特徵波長的上述紅外帶通濾光片後，由各自的鏡頭接收，成像在紅外線陣感測器上，最後2路信號合成一幅圖像，通過該圖像來實現不同材質塑膠的識別，該方案在同等條件下光強信號是第一種技術方案的2倍，在一定程度上有利於信噪比的提升。

榮譽表彰

2019年5月16日，《一種雙紅外線上塑膠材質分選裝置》獲得安徽省第六屆專利獎優秀獎。