塑料垃圾近紅外光譜檢測實驗系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

湛騰西，劉志鵬，歐先鋒，申巧巧，彭鄧華，彭 鑫，石云鎖

塑料垃圾近紅外光譜檢測實驗系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

湛騰西1,2，劉志鵬1,2，歐先鋒1,2*，申巧巧1,2，彭鄧華1,2，彭 鑫1,2，石云鎖3

(1.湖南理工學院 信息與通信工程學院，湖南 岳陽 414006；2.復雜工業(yè)物流系統(tǒng)智能控制與優(yōu)化湖南省重點實驗室，湖南 岳陽 414006；3.廣州杰賽科技股份有限公司，廣州 510300)

以PET，PVC 2種塑料為例，提出并構建了一種塑料垃圾近紅外光譜分選實驗系統(tǒng)。分析了近紅外光譜分選的基本原理，介紹了濾波片分時旋轉切換裝置，并對光電檢測單元的小信號放大電路進行設計驗證。實驗表明：該系統(tǒng)具有良好的塑料垃圾分撿性能與接口擴展性，達到預期設計目標。

近紅外光譜；塑料分選；濾光片分時；小信號放大

近紅外光(NIR)是介于可見光(VIS)和中紅外光(MIR)之間的電磁波，其波長在780～2 526 nm范圍內(nèi)。塑料紅外光譜吸收峰的位置、強度取決于塑料分子中各基團的振動形式和所處的化學環(huán)境，根據(jù)朗伯-比耳吸收定律，隨著被選塑料其成分的變化，其光譜特征也將發(fā)生變化從而實現(xiàn)定性和定量區(qū)分[1]。廢棄塑料的種類很多，有些甚至在可見光范圍內(nèi)無法加以區(qū)分，這給生產(chǎn)、回收與循環(huán)使用帶來困難，而近紅外光譜分析則可以解決這些問題。在光波長為1 100～1 600 nm的波段區(qū)，幾種常見廢舊塑料的近紅外光譜的特征很弱，且光譜基線漂移厲害[2]；而在1 600 ～2 500 nm的波段區(qū)，幾種常見廢舊塑料有著明顯不同的吸收峰，位置與強度特征明顯，可以據(jù)此區(qū)別不同成分的塑料。本文以氯乙烯(PVC)和聚對苯二甲酸類塑料(PET)2大類塑料為分選對像來建立分選實驗系統(tǒng)。在波長1 600～1 800 nm范圍之間，PVC和PET各有一個位置與強度均不相同特征峰[3]。當波長為1 660 nm時，PET塑料的近紅外光透過率為最低，而PVC塑料的透過率最低點為1 716 nm，采用光電檢測系統(tǒng)檢測到這2個不同的特征峰，并進行比較就可以分辨出這2種不同塑料。

1 塑料垃圾近紅外光譜檢測方式的選擇

近紅外光譜檢測有反射和透射2種方式[4]。當光源發(fā)出的光進入到塑料內(nèi)部后，經(jīng)過反射、折射、散射與吸收返回塑料表面等光程。光線與塑料發(fā)生作用后會攜帶塑料的結構及組織信息返回塑料表面，但由于塑料會對近紅外光有一定的吸收程度，被反射出來的光信號會大幅度減少，同時反射方向的不確定性會降低光的強度，不利于近紅外光電探測。而透射方式是將近紅外光直接照射在被檢塑料上，通過檢測塑料吸收(或透過)光的光譜信息來判斷有機物的分子結構。由于不同的塑料具有不同的內(nèi)部分子結構，吸收不同的光能而產(chǎn)生相應的近紅外吸收光譜，因此用光電單元測出近紅外吸收光譜，然后根據(jù)各種塑料的近紅外光特征吸收峰的位置、數(shù)目、相對強度和形狀等特征參數(shù)，進行判定與分選。同一物質(zhì)不同濃度時，在同一吸收峰位置具有不同的吸收峰強度，在一定條件下物質(zhì)濃度與特征吸收峰強度成正比關系[7]，這就是紅外光譜的定量分析依據(jù)。

當近紅外光透過塑料測品時，被塑料的不同成分吸收，測得其吸光程度與光程及樣品的濃度之間遵守比爾-朗伯定律：A=log(1/T)=Kbc,其中：A為吸光度;T為透射率;K為單位摩爾樣品的吸收系數(shù);b為近紅外光穿過樣品的光程。經(jīng)過對比分析，利用近紅外透射的檢測方法明顯要比反射方法檢測效果好，故本設計選定透射式近紅外光譜探測方案來，同時先針對PET、PVC 2種材料構建基本的測量實驗系統(tǒng)。

2 塑料垃圾近紅外光譜檢測系統(tǒng)的組成

2.1 分選系統(tǒng)整體結構

如圖1所示，從塑料垃圾傳送帶輸送過來的待選塑料，經(jīng)過近紅外光譜透射，由光電檢測單元與控制平臺聯(lián)動后實現(xiàn)光譜識別，然后由基于現(xiàn)場總線的控制平臺系統(tǒng)向氣動單元發(fā)出控制信號，產(chǎn)生氣動分選動作。未產(chǎn)生氣動動作時，分選塑料被確認為PVC，自動落入PVC分選傳送帶。當分選塑料被確認為PET時，產(chǎn)生氣動動作，將其拋入PET分選傳送帶。

圖1 分選系統(tǒng)整體結構示意圖

2.2 系統(tǒng)中的濾波片分時旋轉切換裝置

如圖2所示，濾光片分時旋轉切換裝置的設計可使一個光電單元能同時檢測多種光譜。

圖2 濾波片分時旋轉切換裝置

實驗系統(tǒng)先檢PET、PVC這2種光譜，系統(tǒng)經(jīng)過驗證后則可以擴展至檢測多種光譜；每個濾光片位置有一個同步脈沖輸出，作為光譜捕捉的快門信號、系統(tǒng)同步處理信號。如檢測到該濾光片對應的塑料垃圾出現(xiàn)了相應的吸收峰，就能以此來判斷是檢測到該塑料成分，并通過氣動動作實現(xiàn)分選。

2.3 光源的選取

系統(tǒng)所需光源應有足夠寬的光譜帶、足夠強的光照強度和較高的穩(wěn)定性，單一紅外發(fā)射管功率比較低，頻譜帶寬過窄，不在被選之列。近紅外光譜的波長介于780～2 526 nm之間，鎢燈的輻射波長介于320～3 200 nm之間，可覆蓋近紅外波長范圍。故選溴鎢燈作為系統(tǒng)光源中的發(fā)光器件。

2.4 濾光片的選取

本實驗系統(tǒng)根據(jù)不同成分的塑料對近紅外光的吸收峰的不同，選取中心頻率不同的濾光片，用于檢測中心頻率為1 719 nm的PVC塑料以及中心頻率為1 660 nm PET塑料。同時表1特別說明4種濾光片透光的中心波長，作為本實驗系統(tǒng)擴展參考依據(jù)。

表1 濾光片的中心波長

2.5 切光器的設計

切光器的主要作用是將光源發(fā)出的連續(xù)光信號實現(xiàn)通斷控制轉變成均勻非連續(xù)光信號。由于近紅外光電探測時，光電探測管的輸出電信號十分微弱，容易被噪聲所淹沒，而將連續(xù)的電流信號轉換成交流信號就可以更好地放大小信號和抑制噪聲以提高信噪比[5]。為此，切光器的調(diào)制頻率和光電探測管的響應頻率特性應匹配好，同時，切光器必須有足夠高的加工精度。切光器是由直流電機和切光片2部分組成。切光器切光尺寸大小、與光源的距離、齒的寬度，頻率精度等因素都會影響到信號的調(diào)制效果。為了提高信噪比，減小帶寬，要求調(diào)制后的信號應為正弦信號。

根據(jù)調(diào)制波形為正弦信號的設計要求及斬波頻率與相關信噪比特性，切光器需要確定以下技術參數(shù)：切光片直徑D、齒數(shù)N、齒寬M、切光片齒高H。當調(diào)制信號的設計頻率f1=500 Hz時，響應率最高，輸出占空比50%的方波；使用頻率為f2=50 Hz的直流電機，N=f1/f2，因此N=10。

為了使調(diào)制波可以近似看成方波，就要讓光源在切光片處的像點的寬度與2倍切光片齒寬的比值應≤0.08，取M=11 mm。切光片的直徑D應該滿足：

(1)

由式(1)可知D≥70.86 mm，因此取D=75 mm。

2.6 光電探測器的選取

本設計選用光敏三極管FDPS3X3來進行近紅外光電檢測。光敏三極管的響應特性曲線如圖3所示。光敏三極管和普通三極管結構很類似，不同之處在于光敏三極管有一個對光敏感的PN結作為感光面，采用半導體制作工藝。但為適應光電信號轉換的要求，與普通三極管的區(qū)別是它的基區(qū)面積較大，發(fā)射區(qū)面積較小，入射光主要被基區(qū)吸收，因此能有較大的靈敏度[6]。光電探測管的芯片被裝在帶有玻璃透鏡的金屬管殼內(nèi)，近紅外光線通過透鏡聚焦讓光斑照射在芯片上。當具有光敏特性的PN結受到光輻射時，形成光電流，由此產(chǎn)生的光生電流由基極進入發(fā)射極，從而在集電極回路中得到一個放大了β倍的信號電流。

圖3 光譜響應特性曲線

2.7 近紅外光電小信號的信號調(diào)理電路設計

該單元主要完成光電小信號的采集功能，從光電管開始能夠把光信號轉換成相應的電信號，在保證信號質(zhì)量的同時必須抑制噪聲。光電檢測電路通常都是從強噪聲環(huán)境中提取有用信號，要求抗干擾能力強，靈敏度高，同時電路結構簡單，線性度好。為使上述光電測量更加精準，本設計將采取一些硬件和軟件相結合的措施，如低噪聲前置光電小信號采集電路、低通濾波電路等。其中，光電小信號數(shù)據(jù)采集單元電路主要包括光電傳感器、放大器、信號調(diào)理電路。為提高光電小信號轉換性能，在設計上要滿足3個要求:一是輸出信噪比高，電路噪聲?。欢潜粶y信號，無明顯頻率失真，即檢測電路的通頻帶要足夠的寬；三是輸出信號功率大，保證信號在傳輸過程中不失真。具體的光電小信號轉換電路如圖4所示。

圖4 光電小信號采集電路

電路在放大器的輸出和檢測電路的輸出之間加一個RC濾波電路，這樣就限制了放大器輸出信號的帶寬，濾除掉經(jīng)過放大的噪聲和放大器本身的噪聲。電容C2用來補償RC濾波環(huán)節(jié)引起的相角滯后。電容C1用來補償放大器輸人端的復合電容Cd引起的相位滯后，控制噪聲增益峰值。

為了提高光電小信號檢測電路的靈敏度，要求檢測電路能夠響應100 nA的光電流。由于不存在理想狀態(tài)下的運放，所有的運放都存在輸入失調(diào)電壓或者輸入偏置電流的問題，都會導致輸出電壓信號的失真。甚至會將信號淹沒在噪聲中，無法檢測出來，因此選用專門的低噪聲高精度運放，本設計將選用高精度，低噪聲運放OPA2228。其性能指標為：低噪聲，3 nV/Hz；寬帶寬，33 MHz，10 V/μs；高共模抑制比，138 dB；高開環(huán)增益，160 dB；低輸入偏置電流，10 nA max；低失調(diào)電壓，75 μV max；寬電源范圍，±2.5V～±18V。

2.8 中間放大電路設計

在小信號采樣放大電路后配置常規(guī)前置放大，電路要求低噪聲，高增益，低輸出阻抗[7]。電路如圖5所示。

圖5 前置放大電路

同相放大電路輸出信號：V2=(1+R3/R2)·V1；截止頻率：fH=1/(2πRC)=442 Hz。

2.9 信號調(diào)理輸出電路設計

信號調(diào)理輸出電路由一個低通濾波器和一個高通濾波器串聯(lián)而成。其中高通濾波器的下限頻率為442 Hz，低通濾波器的上限頻率為530 Hz，選用有源帶通濾波器。有源帶通濾波器由集成運放等器件組合而成。集成運放輸入阻抗高、輸出阻抗低并具有較高的開環(huán)增益和良好的穩(wěn)定性，且結構簡單，性能好，同時具有低的輸入失調(diào)電壓和失調(diào)電流以及低輸入偏置電流等一些優(yōu)點。本設計選用OPA2228作為主要運放芯片，電路如圖6所示。

低通濾波器的傳遞函數(shù)為：

(2)

其中：K=A1/(R8R9C10C11)；A1=1+R5/R4；a=(1-A1)/(R9C11)+1/(R8C10)+1/(R9C11)；b=A1/(R8R9C10C11)。

高通濾波器的傳遞函數(shù)為：

(3)

其中：K=A2+1+R7/R6；a=(1-A2)/(R12C8)+2/(R9C3)+1/(R9C11)；b=1/(R11R12C7C8)。

由式(2)(3)可以解出低通截止頻率f1=530 Hz，高通截止頻率f2=442 Hz?？捎脪哳l方法驗證電路實際帶寬與理論計算相符合[8]。設計制作PCB電路板的形狀為圓形，與光電探測單元相似，以便與光電檢測單元一體化的固定，其中心位置器件為光電探測管。

3 測試與驗證

3.1 測試方案

1)對整個系統(tǒng)的進行調(diào)試，包括光路、電路、待測塑料、上位機的檢測，減小非必要因素對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，提升系統(tǒng)的可靠性和檢測精度；

2)運行近紅外光電檢測系統(tǒng)，投放待檢測的塑料，記錄其分選結果，計算分選正確率與效率。

3.2 測試結果

塑料垃圾分選系統(tǒng)運行，空測時，一組光電檢測會探測到載波500 Hz的正弦波信號，當光電探測裝置檢測到PET或PVC塑料透射光譜信號時，其光譜信號的包絡會呈現(xiàn)對應光譜吸收峰的形狀，經(jīng)檢波后就可獲得對應吸收峰的特征光譜圖，經(jīng)模式識別后，就可以對這2種不同塑料進行區(qū)別產(chǎn)生不同的氣動分選動作。

在整套系統(tǒng)檢測完畢之后，進行塑料垃圾分選的初級調(diào)試階段。投放不同成分廢棄塑料瓶1 500個，其中：PVC 500個；PET 500個；其他塑料500個。混合投放進近紅外光電檢測系統(tǒng)，分選結果如表2所示。從實驗結果來看，本文設計的光電檢測實驗系統(tǒng)能夠較好地滿足塑料垃圾分選要求。

表2 塑料分選結果

4 結語

在實際微弱光電信號檢測過程中，由于人為或者一些客觀的原因，使檢測采集到的實驗結果與實際真實值有一定的差距，形成實驗誤差。在復雜的測試環(huán)境中，對檢測實驗結果的影響因素主要有以下幾個方面：1)在檢測過程中，塑料分布及降落時間易出現(xiàn)不均勻性，造成光電采集的信號出現(xiàn)誤差，容易出現(xiàn)誤測情況；2)在光電采集過程中，由于漫反射光強信號對實際光強信號的疊加影響。兩側的漫反射光強信號容易對實際采集信號產(chǎn)生影響；3)電路帶通濾波、A/D采樣輸出會因系統(tǒng)噪聲帶來誤差；4)系統(tǒng)中伴隨著雜光的干擾，會使系統(tǒng)產(chǎn)生噪聲，對塑料的檢測也有一定的影響。

本文介紹了整個實驗系統(tǒng)的設計與調(diào)試過程以及容易出現(xiàn)誤測的原因，并且對系統(tǒng)測試結果進行了分析，從實驗結果來看，該光電檢測實驗系統(tǒng)能夠較好地滿足性能要求。而且濾波片切換裝置留有多余的位置，不用重新設計。實驗系統(tǒng)考慮了成品系統(tǒng)的需求，使之具有接口擴展能力，后續(xù)研究工作將集中在進一步增加系統(tǒng)的抗干擾能力方面。

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Design and Realization of Plastic Refuse Sorting based on an NIR Detection Experiment System

ZHANTengxi1,2,LIUZhipeng1,2,OUXianfeng1,2*,SHENQiaoqiao1,2,PENGDenghua1,2,PENGXin1,2,SHIYunsuo3

(1. College of Information & Communication Engineering, Hunan Institute of Science & Technology ,Yueyang, 414006. 2.Key Laboratory of Hunan Province on Intelligent Control and Optimization of Complex Industrial Logistics system. Yueyang, 414006.3.GCI Science&Technology Co.Ltd, Guangzhou, 510300)

Taking PET and PVC as exmaples, this paper proposes a plastic refuse sorting and separating system based on NIR(Near Infrared Spectrum). The authors not only analyze the fundamental principles of NIR sorting method, but also introduces the time-sharing revolving shifter. In addition, they design a small signal amplification circuit of photo-eletric detection unit. The simulation results show the designed system performs well when it is used to sort plastic garbage, which satisfies the original target.

NIR; plastic sorting; time-sharing revolving shifter; small-signal amplification

10.13542/j.cnki.51-1747/tn.2016.04.009

2016-10-07

國家自然科學基金“多接口車聯(lián)網(wǎng)可變帶寬信道分配算法研究”(61300039)；湖南省科技計劃項目“塑料垃圾近紅外光電分選設備成套技術研究”(2015SK20693)；復雜工業(yè)物流系統(tǒng)智能控制與優(yōu)化湖南省重點實驗室(湘科規(guī)財〔2016〕8號 )

湛騰西(1963— )，男(漢族)，湖南岳陽人，教授，研究方向：光電檢測與智能信息處理。 歐先鋒(1983— )，男(漢族)，湖南郴州人，講師，博士，研究方向：圖像處理、視頻壓縮編碼及傳輸，通信作者郵箱：ouxf123@qq.com。

TQ320

A

2095-5383(2016)04-0031-05