一種雙紅外在線塑料材質(zhì)分選裝置制造方法
【專利摘要】一種雙紅外在線塑料材質(zhì)分選裝置，包括寬帶紅外光源、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，及兩路紅外線陣傳感器，寬帶紅外光源照射到經(jīng)輸送帶傳到背景裝置上的塑料表面，塑料表面反射回的光經(jīng)分光裝置等分為2路，2路光分別經(jīng)紅外帶通濾光片后，由各自的鏡頭接收，成像在紅外線陣傳感器上。其中一片紅外帶通濾光片觀察的波長范圍為1150～1230nm，另一片觀察的波長范圍為1600～1700nm。紅外線陣傳感器為標(biāo)準(zhǔn)型InGaAs紅外線陣傳感器。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：能有效在線區(qū)分PET和PVC材質(zhì)的塑料，分光方式簡單易行，因采用特定觀察波長范圍的紅外帶通濾光片，因此可采用成本較低的標(biāo)準(zhǔn)型InGaAs紅外線陣傳感器，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和廣泛的應(yīng)用前景。
【專利說明】一種雙紅外在線塑料材質(zhì)分選裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及光電分選【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種雙紅外在線塑料材質(zhì)分選裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]在塑料應(yīng)用范圍越來越廣泛的現(xiàn)代社會，將廢塑料回收并按種類分開具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，尤其是將PVC從PET中分開并去除的需求較為迫切。這兩種材質(zhì)的塑料用途廣泛，密度相近，不易為人眼區(qū)分，且互為污染物，PVC塑料的熱穩(wěn)定性較差，長時間加熱會導(dǎo)致分解，放出HCl氣體。在紡織工業(yè)中，廢舊PET回收生產(chǎn)紡織纖維時，PVC成分含量的高低將嚴(yán)重影響產(chǎn)品質(zhì)量。因?yàn)镻ET的熔融溫度較高，在PET處理溫度上PVC會嚴(yán)重降解，使得PET表面出現(xiàn)一層黑斑，且PVC拉伸度小，在抽絲過程中極易出現(xiàn)斷頭，嚴(yán)重影響紡絲的正常進(jìn)行。因此，將PVC塑料從PET廢舊塑料中分解出來，減少PET瓶片雜質(zhì)含量是現(xiàn)階段制約PET廢舊塑料回收利用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。
[0003]目前廢塑料分類的方法有人工、X射線、溶劑、靜電和密度等方法，這些方法在對大量塑料進(jìn)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)，但無法檢測其他塑料。而光學(xué)方法則可以實(shí)現(xiàn)精度高、速度快、非破壞在線識別。其中，可見光可根據(jù)塑料的顏色進(jìn)行分類，而近紅外光則可以根據(jù)常見塑料的材質(zhì)類型進(jìn)行快速分類。
[0004]近紅外光譜技術(shù)(780_2526nm)是塑料材質(zhì)自動分選廣泛使用的技術(shù)之一。近紅外光經(jīng)聚合物分子振動的倍頻和組合頻吸收后，其吸收譜能夠表征相關(guān)官能基團(tuán)，如0-H、N-H、C-H等。若塑料中無其它添加成分(如碳黑、染料等)，利用近紅外技術(shù)可以較容易的區(qū)分不同的塑料。但近紅外光譜技術(shù)一般不適用于鑒別黑色或深色的塑料。
[0005]Scott 的文獻(xiàn) “A two-color near-1nfrared sensor for sorting recycledplastic waste”(雙色近紅外傳感器分揀回收廢塑料)和MSS公司的專利US5966217的原理基本一致，通過鹵素?zé)粽丈渌芰?，測量塑料的透射或反射光，利用分束片或者光纖將光分為2部分，通過1660nm和1716nm的帶通濾光片后，由單點(diǎn)傳感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(qū)分PET和PVC這兩種塑料片。
[0006]NRT公司的專利US6610981主要解決片狀塑料檢測過程中由于層疊、團(tuán)聚等造成的誤判問題。該專利將塑料的反射光通過光纖分為2部分，分別經(jīng)過1639nm和1716nm的濾光片后進(jìn)入相應(yīng)的單點(diǎn)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1660nm、1716nm,在層疊或團(tuán)聚情況下有可能發(fā)生誤判。
[0007]上述這些方法在識別PET和PVC時，主要采用1660nm和1716nm的吸收峰作為特征波長，目前在主流的應(yīng)用中，近紅外探測多采用InGaAs材質(zhì)的傳感器，而標(biāo)準(zhǔn)型的InGaAs傳感器(波長響應(yīng)范圍:900-1700nm)無法滿足長波長探測要求，需要采用擴(kuò)展型的InGaAs傳感器才可以探測到1716nm這個特征波長，而這類擴(kuò)展型傳感器價格昂貴，目前單點(diǎn)擴(kuò)展型InGaAs傳感器的成本為比相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)型產(chǎn)品價格高2倍左右，線陣擴(kuò)展型InGaAs傳感器的成本比對應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)型產(chǎn)品價格高3倍以上，在很大程度上增加了設(shè)備的成本。[0008]此外，上述專利或方法所采用的信號探測方式，往往只能采用單點(diǎn)傳感器，給出原理性分選方案，而難以采用線陣傳感器進(jìn)行多通道同時觀測。在實(shí)際大產(chǎn)量的在線應(yīng)用中，這些方法還需解決通道擴(kuò)展問題，比如需要采用旋轉(zhuǎn)光學(xué)掃描多面鏡或高速掃描振鏡來實(shí)現(xiàn)橫向方向的掃描，而光學(xué)掃描多面鏡等部件為精密光學(xué)元器件，對機(jī)械裝置的精度及長期穩(wěn)定性要求很高，維護(hù)起來也較為困難。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明的所要解決的技術(shù)問題在于在于提供一種成本低、裝置簡單、易于實(shí)現(xiàn)和實(shí)用化，并且識別率與已有設(shè)備基本相同的雙紅外在線塑料材質(zhì)分選裝置。
[0010]本發(fā)明采用以下技術(shù)方案解決上述問題:
[0011]一種雙紅外在線塑料材質(zhì)分選裝置，包括寬帶紅外光源、輸送帶、聚光裝置、分光裝置、控制系統(tǒng)、剔除裝置、兩片紅外帶通濾光片、兩個鏡頭，以及兩路紅外線陣傳感器，寬帶紅外光源照射到塑料的表面，塑料表面反射回的光經(jīng)分光裝置等分為2路，2路光分別經(jīng)過能夠透過塑料特征波長的紅外帶通濾光片后，由各自的鏡頭接收，成像在紅外線陣傳感器上，所述控制系統(tǒng)對成像在紅外線陣傳感器上的2組圖像信號的灰度值進(jìn)行比例分析后判斷出異物并驅(qū)動所述剔除裝置將異物剔除。本發(fā)明所采用的濾光片，其中一片觀察的波長范圍為1150?1230nm，優(yōu)選在1190nm左右，另一片觀察的波長范圍為1600?1700nm，優(yōu)選在1660nm左右。采用這2個特征波長的濾光片，主要是要將PET中的PVC識別出來，也可將PET中的其他塑料(如PP、HDPE等)等識別出來，通過改變?yōu)V光片，也可將其它類型的塑料識別出來。
[0012]因?yàn)楸景l(fā)明所選用的上述紅外帶通濾光片，所以本發(fā)明采用價格相對較低的標(biāo)準(zhǔn)型InGaAs紅外線陣傳感器。
[0013]所述雙紅外在線塑料材質(zhì)分選裝置還包括背景裝置，紅外光源照射到經(jīng)過輸送帶傳送到背景裝置上表面的塑料表面。
[0014]優(yōu)化的，所述寬帶紅外光源的匯聚方向與分光裝置的觀測方向?qū)ΨQ分布。
[0015]優(yōu)化的，分光裝置的觀測方向與豎直方向傾斜一定角度。
[0016]作為本發(fā)明分光裝置的第一種技術(shù)方案，所述分光裝置采用分束鏡，塑料表面反射回的光，一部分透過分束鏡經(jīng)過紅外帶通濾光片后，經(jīng)鏡頭成像在紅外線陣傳感器上，另一部分被反射經(jīng)過紅外帶通濾光片后，經(jīng)鏡頭成像在紅外線陣傳感器上。
[0017]作為本發(fā)明分光裝置的第二種技術(shù)方案，所述分光裝置采用紅外二向色鏡代替分束鏡，高于特定波長的塑料表面反射回的光經(jīng)紅外二向色鏡透過(反射)，低于特定波長的塑料表面反射回的光經(jīng)紅外二向色鏡反射(透過)，兩路信號再經(jīng)紅外帶通濾光片后，由各自的鏡頭接收，成像在紅外線陣傳感器上。
[0018]通過在輸送帶寬度方向并行布置若干組上述雙紅外分選裝置，就可以方便地進(jìn)行通道擴(kuò)展，以滿足不同的分選產(chǎn)量需求。
[0019]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:通過觀察塑料在2個特征波段的紅外光反射信號，合成雙紅外圖像，能夠有效在線區(qū)分常見的生活廢品塑料，特別適用于透明塑料的識別，如PET和PVC材質(zhì)的塑料，且塑料整瓶和瓶片都可以識別。光源采用價格低廉的大功率鹵素?zé)?，通過橢圓形的反光罩聚光后，有效地提高了光源的利用率；分光方式簡單易行，采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征波段的信號，相對于棱鏡、光柵等分光方式，降低了難度和復(fù)雜度；傳感器采用靈敏度較高、成本相對較低的標(biāo)準(zhǔn)型InGaAs紅外線陣傳感器；可根據(jù)產(chǎn)量要求方便地在輸送帶寬度方向上并行擴(kuò)展通道數(shù)目，而無需采用機(jī)械結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜、穩(wěn)定性要求較高的旋轉(zhuǎn)光學(xué)掃描多面鏡或高速掃描振鏡。該裝置可廣泛應(yīng)用于塑料材質(zhì)分選領(lǐng)域，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和廣泛的應(yīng)用前景。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1為雙紅外塑料材質(zhì)分選裝置整體結(jié)構(gòu)圖。
[0021]圖2為雙紅外分光裝置原理圖。
[0022]圖3為光源的2種布置方式。
[0023]圖4為鏡頭視場范圍。
[0024]圖5為背景裝置結(jié)構(gòu)圖。
[0025]圖6為PET和PVC的雙紅外圖像示意圖。
[0026]圖中所有箭頭方向均為輸送帶(即物料)運(yùn)動方向。
[0027]圖中部件名稱:1:紅外分光裝置；2:聚光裝置；3:寬帶紅外光源(鹵素?zé)?；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:紅外線陣傳感器(光敏面的長度方向與輸送帶寬度方向平行);401:紅外玻璃；402:背景板
【具體實(shí)施方式】
[0028]為使本發(fā)明實(shí)施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。基于本發(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
[0029]以分選PET和PVC材質(zhì)的塑料瓶片或整瓶為例，圖1和圖2示出了本發(fā)明提供的雙紅外在線塑料材質(zhì)分選裝置的一個實(shí)施例示意圖。該裝置包括寬帶紅外光源(鹵素?zé)?3、輸送帶5、聚光裝置2、分光裝置1、背景裝置4、控制系統(tǒng)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，紅外線陣傳感器106和107。
[0030]針對不同的應(yīng)用需求，光源3采用300-500W的鹵素?zé)?，?jīng)聚光裝置2聚光后匯聚于背景裝置4上方約IOmm處，形成寬度在20-40mm寬的聚光區(qū)域。待分選塑料經(jīng)速度約為2m/s的輸送帶5傳輸，物料在輸送帶末端拋出，經(jīng)過背景裝置4上方的聚光區(qū)域時，反射光被分光裝置I所接收。在分光裝置I中，塑料的反射光被分束鏡101等分為2部分，一部分透過分束鏡，經(jīng)過紅外帶通濾光片102后，經(jīng)鏡頭104后成像在紅外線陣傳感器106上，另一部分被反射，經(jīng)過紅外帶通濾光片103后，經(jīng)鏡頭105后成像在紅外線陣傳感器107上。所述控制系統(tǒng)對成像在紅外線陣傳感器106和107上的2組圖像信號的灰度值進(jìn)行比例分析后判斷出異物并驅(qū)動所述剔除裝置將異物剔除。經(jīng)過仔細(xì)調(diào)節(jié)，2路線陣傳感器互相平行，且對應(yīng)像元可分別觀測來自塑料同一部位的光信號。
[0031]上述紅外帶通濾光片102和103的中心波長分別為1190nm和1660nm，分別對應(yīng)PVC和PET塑料的特征吸收峰，與現(xiàn)有技術(shù)中分選這兩種材質(zhì)時經(jīng)常采用的1660nm和1716nm濾光片不同，本發(fā)明所選用的濾光片，僅配合采用價格相對較低的標(biāo)準(zhǔn)型InGaAs紅外線陣傳感器即可，這樣可大幅度降低裝置的成本。
[0032]圖2中的分光裝置可采用2個相同的標(biāo)準(zhǔn)型InGaAs紅外線陣傳感器106和107 (如Hamamatsu，G9494)，該傳感器的光譜響應(yīng)范圍為900_1700nm，完全包含本發(fā)明所觀測的塑料特征波長。通過2路信號合成的塑料雙紅外圖像，通過對圖像上的2組信號灰度值進(jìn)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(shí)際拍攝圖片時，白平衡校正后，以1660nm處的圖像為R分量，以1190nm處的圖像為G分量合成偽彩圖像來進(jìn)行直觀地識別，由于PET在1660處有明顯吸收，因而PET的合成圖像呈現(xiàn)綠色，PVC在1190nm處有一小的吸收峰，PVC的合成圖像呈現(xiàn)暗黃色，從而可通過常規(guī)的色選方法將兩種塑料分選開來。
[0033]在本實(shí)施例的照明方式中，2盞鹵素?zé)舻膮R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采用圖3a的方式，使分光裝置I與鹵素?zé)翦e開一定的距離，也可使對稱的2盞光源與分光裝置I分布在一條直線上，如圖3b所示。
[0034]本實(shí)施例中，在探測塑料的反射光時，為了減少塑料的鏡面反射，將分光裝置I的觀測方向6與豎直方向傾斜一定角度，如圖1所示。這樣在本發(fā)明的照明方式下，物料的鏡面反射幾率大為降低。
[0035]圖4給出了該實(shí)施例單個通道所能觀察的范圍，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800mm時，所能觀察的物料面寬度d約為300mm，在以512像元的線陣傳感器為例，單個像元的理論分辨率低于1_。
[0036]需要說明的是，本實(shí)施例采用白色材料作為背景板402，為了防止背景板被灰塵等雜質(zhì)污染，或者被物料經(jīng)過時劃傷，在其上表面覆蓋一層透明玻璃401，厚度為2-3mm，這樣形成背景裝置如圖5所示。
[0037]本專利申請也可按第二種技術(shù)方案來實(shí)施，以紅外二向色鏡代替分束鏡101，高于特定波長(如1500nm)的紅外光經(jīng)紅外二向色鏡透過(或反射)，低于特定波長(如1500nm)的紅外光經(jīng)紅外二向色鏡反射(或透過)，兩路信號再經(jīng)由能夠透過塑料特征波長的上述紅外帶通濾光片后，由各自的鏡頭接收，成像在紅外線陣傳感器上，最后2路信號合成一幅圖像，通過該圖像來實(shí)現(xiàn)不同材質(zhì)塑料的識別，該方案在同等條件下光強(qiáng)信號是第一種技術(shù)方案的2倍，在一定程度上有利于信噪比的提升。
[0038]以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種雙紅外在線塑料材質(zhì)分選裝置，包括寬帶紅外光源、輸送帶、聚光裝置、控制系統(tǒng)和剔除裝置，其特征在于:還包括分光裝置、兩片紅外帶通濾光片、兩個鏡頭，以及兩路紅外線陣傳感器，紅外光源照射到塑料表面，塑料表面反射回的光經(jīng)分光裝置分為2路，2路光分別透過紅外帶通濾光片后，由各自的鏡頭接收，成像在紅外線陣傳感器上，所述控制系統(tǒng)對成像在紅外線陣傳感器上的2組圖像信號的灰度值進(jìn)行比例分析后判斷出異物并驅(qū)動所述剔除裝置將異物剔除。
2.如權(quán)利要求1所述的雙紅外在線塑料材質(zhì)分選裝置，其特征在于:其中一片紅外帶通濾光片的透過波長范圍為1150?1230nm，另一片紅外帶通濾光片的透過波長范圍為1600 ?1700nmo
3.如權(quán)利要求2所述的雙紅外在線塑料材質(zhì)分選裝置，其特征在于:所述兩片紅外帶通濾光片的透過波長分別為1190nm、1660nm。
4.如權(quán)利要求2或3所述的雙紅外在線塑料材質(zhì)分選裝置，其特征在于:所述紅外線陣傳感器為標(biāo)準(zhǔn)型InGaAs紅外線陣傳感器。
5.如權(quán)利要求1所述的雙紅外在線塑料材質(zhì)分選裝置，其特征在于:所述雙紅外在線塑料材質(zhì)分選裝置還包括背景裝置，紅外光源照射到經(jīng)過輸送帶傳送到背景裝置上表面的塑料表面。
6.如權(quán)利要求1所述的雙紅外在線塑料材質(zhì)分選裝置，其特征在于:所述寬帶紅外光源的匯聚方向與分光裝置的觀測方向?qū)ΨQ分布。
7.如權(quán)利要求1所述的雙紅外在線塑料材質(zhì)分選裝置，其特征在于:分光裝置的觀測方向與豎直方向傾斜一定角度。
8.如權(quán)利要求1所述的雙紅外在線塑料材質(zhì)分選裝置，其特征在于:所述分光裝置采用分束鏡，塑料表面反射回的光，一部分透過分束鏡經(jīng)過紅外帶通濾光片后，經(jīng)鏡頭成像在紅外線陣傳感器上，另一部分被反射經(jīng)過紅外帶通濾光片后，經(jīng)鏡頭成像在紅外線陣傳感器上。
9.如權(quán)利要求1所述的雙紅外在線塑料材質(zhì)分選裝置，其特征在于:所述分光裝置采用紅外二向色鏡代替分束鏡，高于特定波長的塑料表面反射回的光經(jīng)紅外二向色鏡透過或反射，低于特定波長的塑料表面反射回的光經(jīng)紅外二向色鏡反射或透過，兩路信號再經(jīng)紅外帶通濾光片后，由各自的鏡頭接收，成像在紅外線陣傳感器上。
10.如權(quán)利要求1所述的雙紅外在線塑料材質(zhì)分選裝置，其特征在于:所述兩路線陣傳感器互相平行，且對應(yīng)像元分別觀測來自塑料同一部位的光信號。
【文檔編號】B07C5/342GK103480586SQ201310465048
【公開日】2014年1月1日 申請日期:2013年10月8日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月8日
【發(fā)明者】林茂先, 陶俊, 常宏, 劉寶瑩, 李凱, 方杰, 胡修穩(wěn), 陳海燕 申請人:合肥美亞光電技術(shù)股份有限公司