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(gòu)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(zhuǎn)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)。由于不同的塑料具有不同的內(nèi)部分子結(jié)構(gòu)，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(guān)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(gòu)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(jié)構(gòu)

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(jié)構(gòu)示意圖

2.2 系統(tǒng)中的濾波片分時旋轉(zhuǎn)切換裝置

如圖2所示，濾光片分時旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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?qū)挼墓庾V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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(guān)信噪比特性，切光器需要確定以下技術(shù)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(jié)構(gòu)很類似，不同之處在于光敏三極管有一個對光敏感的PN結(jié)作為感光面，采用半導體制作工藝。但為適應光電信號轉(zhuǎn)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(jié)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(zhuǎn)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(jié)構(gòu)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(jié)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(zhuǎn)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??；二是被測信號，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(zhuǎn)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(jié)構(gòu)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(jié)果，計算分選正確率與效率。

3.2 測試結(jié)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?；旌贤斗胚M近紅外光電檢測系統(tǒng)，分選結(jié)果如表2所示。從實驗結(jié)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(jié)果

4 結(jié)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(jié)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(jié)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(cè)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(jié)果進行了分析，從實驗結(jié)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(shù)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