一种塑料废弃物中目标材质识别方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种塑料废弃物中目标材质识别方法及装置，相应的方法包括：测定目标材质的光谱反射率，从中选取特征吸收峰，并从特征吸收峰中选定多个识别波长；测定包含目标材质的混合塑料废弃物的光谱反射率，并根据目标材质特征吸收峰中选定的多个识别波长，与其他的背景材质光谱反射率的差异性来建立识别模型；当从未知的塑料废弃物中识别目标材质时，将测量到的每一材质在选定的多个识别波长处的光谱反射率与建立的识别模型相结合，从而识别出目标材质。该方法其具有测量速度快、成本低的优点；此外，当样品表面受污染，光谱特征弱化的情况下，仍能保证正确识别目标材质。

Method and device for identifying target material in plastic waste

The invention discloses a device and a target recognition method in plastic waste material, including the corresponding methods: to measure the spectral reflectance of target material, selected from the characteristic absorption peak, and from the characteristic absorption wavelength peaks in selected multiple identification; Determination of spectral reflectance of target material consists of a mixture of waste plastics, and according to multiple recognition the characteristic absorption peak in the wavelength of target material selected, differences and other background material spectral reflectance to establish the recognition model; when the identification of target material from waste plastics in the unknown, each material will be measured by the spectral reflectance in selected multiple wavelength identification and recognition model established by combining to identify target material. The method has the advantages of fast measurement and low cost. In addition, the target material can be correctly identified when the sample surface is contaminated and the spectral features are weakened.

【技术实现步骤摘要】
一种塑料废弃物中目标材质识别方法及装置
本专利技术涉及光谱测量
，尤其涉及一种塑料废弃物中目标材质识别方法及装置。
技术介绍
随着塑料工业和技术水平的发展，塑料在现代社会的应用越来越广泛，根据化学组成及添加剂种类、数量的不同，生活中常见的塑料类型包括：聚氯乙烯(PVC)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚苯乙烯(PS)、丙烯腈-苯乙烯-丁二烯共聚物(ABS)、聚酰胺(PA)、聚碳酸酯树脂(PC)等。其中，PVC塑料以聚氯乙烯为主要成分，并通过添加稳定剂及增塑剂增强其耐热性，韧性，延展性，因原料丰富易得、力学性能优异、阻燃性及绝缘性好等优点，在工农业生产、建筑材料、日常生活等领域被大量使用，伴随着产量及消耗量的增加，PVC废弃物的数量也逐年增加。由于PVC含大量氯元素及多种重金属和苯类化合物，在焚烧或填埋过程中会生成大量盐酸及重金属盐、二恶英等毒性物质，带来严重的环境危害，因此，有效识别并分离塑料废弃物中的PVC组份是实现塑料垃圾无害化处理的关键环节。目前，用于塑料废弃物分类的方法包括人工分选、静电分选、重力浮选、X射线谱分析、红外光谱分析等技术手段。其中人工、静电、重力等分选方式较为传统，适用的塑料种类有限、处理效率低；X射线谱可识别多种类型的塑料材质，但此类方法经济性差，且工作过程中存在较大的安全风险。红外光谱分析可以同时对多种材质塑料进行识别，具有速度快、非接触测量、准确率高、操作安全等优点，是较为先进的塑料废弃物分类手段。在近红光光谱区域内，物质对不同波长光辐射吸收能力的差异主要由其组成分子及官能基团决定，通过塑料废弃物的红外吸收光谱可以有效识别其化学成份及所属材质类别。塑料废弃物具有原料数量大，材质种类多样，污染程度高的特点，采用红外分析技术对其中的PVC组份进行识别时，要求识别方法对材料的适应性强，识别速度快，且便于实现。目前，用于塑料材质识别的红外光谱分析技术主要有如下两种：1)用于分选混合塑料原料的红外双波长光谱识别方案。此方案选取不同材料在近红外谱段的吸收峰作为特征波长，通过计算特征波长的辐射强度比值对被测样品的材质进行识别。其中，选用特征波长包含如下两种：PVC塑料的吸收峰(1716nm)和PET塑料的吸收峰(1660nm)；PVC塑料的吸收峰(1190nm)和PET塑料的吸收峰(1660nm)。但是，该方案仅能实现对PVC和PET两种混合塑料进行识别当混合原料中存在超出预设范围的材料时不能正确进行识别，导致误选风险增加。2)识别并分选不同材质塑料的红外光谱识别方案。该识别方案首先选取目标材质在近红外谱段的吸收峰作为第一特征波长，然后根据背景材质在第一特征波长处的透过率选取第二特征波长，使得背景材质在两个特征波长处的透过率保持一致。选定特征波长后，通过测量并计算样品在两个特征波长处辐射强度的比值关系识别其材质。当原料中含有多种材质时，针对每种材质分别选择一个对应的特征波长点，以实现对目标材质的识别。但是，该方案对于原料中的每种背景材质需增加一个额外的特征波长，识别过程采集及计算的光谱数据量随原料中材质数量增加而线性增长；当原料组成复杂时，识别效率下降，同时识别系统复杂度大大增加。此外，上述两种方案均依赖于样品在两个特征波长点辐射强度的比值，当样品表面存在污染物时，其吸收特征减弱，导致比值发生波动，识别率下降。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种塑料废弃物中目标材质识别方法及装置，其具有测量速度快、成本低的优点；此外，当样品表面受污染，光谱特征弱化的情况下，仍能保证正确识别目标材质。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：一种塑料废弃物中目标材质识别方法，包括：测定目标材质的光谱反射率，从中选取特征吸收峰，并从特征吸收峰中选定多个识别波长；测定包含目标材质的混合塑料废弃物的光谱反射率，并根据目标材质特征吸收峰中选定的多个识别波长，与其他的背景材质光谱反射率的差异性来建立识别模型；当从未知的塑料废弃物中识别目标材质时，将测量到的每一材质在选定的多个识别波长处的光谱反射率与建立的识别模型相结合，从而识别出目标材质。通过测量装置测量各种材质的光谱反射率；该测量装置包括：宽带红外光源、前置物镜、分束器、多路窄带红外探测器；其中，宽带红外光源照明方向与测量装置观察方向呈一定的夹角安置，宽带红外光源出射的红外光辐射照射被测材质表面，经被测材质吸收后向上方散射；前置物镜物方焦点与被测材质表面重合，收集被测材质散射的红外辐射并准直为平行光；平行的红外辐射经分束器按等能量比例分割为三路光辐射信号；多路窄带红外探测器基于干涉滤光片实现光谱滤波，多路探测器分别对应多个识别波长，测量被测材质的辐射强度，再基于宽带红外光源的光谱特性和窄带红外探测器的响应特性标定后即可换算为光谱反射率；所述前置物镜包括：聚光物镜、光阑与准直物镜；所述聚光物镜收集被测材质的散射辐射，并对被测材质成像；光阑设置在聚光物镜的成像面位置，则通过光阑的红外辐射均来自与样品面同一区域；准直物镜的物方焦面与光阑重合，实现对入射光辐射的准直；所述分束器为多路分光棱镜，其包括如下两种结构：a、多路分光棱镜由两个小直角棱镜和一个大直角棱镜胶合制成，胶合面镀分束膜，光辐射按箭头方向传播，棱镜的入射和出射面镀增透膜；b、多路分光棱镜由两个立方分光棱镜经胶合级联在一起，实现三路分束效果；上述两种结构均包含两个分束膜，分束比分别为1：2和1：1，使得三路出射光能量一致；所述窄带红外探测器包括：干涉滤光片、聚焦透镜与单元探测器；干涉滤光片的透过波长与识别波长一致，经分束后出射的平行红外辐射被滤光片过滤获得的窄带单色光辐射，由聚焦透镜汇聚在单元探测器的光敏面上，转换为电信号并加以测量；窄带红外探测器的测量结果为被测材质在三个识别波长的散射辐射强度，基于宽带红外光源的光谱特性和窄带红外探测器的响应特性标定后即可换算为光谱反射率。选取特征吸收峰，并从特征吸收峰中选定多个识别波长包括：若目标材质的光谱反射率仅有一个吸收峰，则将该吸收峰作为特征吸收峰；若存在多个吸收峰，则选择反射率最低的吸收峰为特征吸收峰；若各吸收峰反射率差异在规定范围内，则选择峰值波长最长的吸收峰作为特征吸收峰；从特征吸收峰中选定三个识别波长，分别为：吸收峰的峰值波长，记为λ1；吸收峰的峰值波长左侧线性段起始点，记为λ2；吸收峰的峰值波长右侧线性段终止点，记为λ3。建立识别模型的步骤包括：包含目标材质的混合塑料废弃物中除目标材质外的其它材质为背景材质；背景材质测定与分类：分别测定各个背景材质的光谱反射率，对于每种背景材质，在选定的识别波长λ2至λ3限定的光谱范围内，根据其吸收特性分为Ⅰ、Ⅱ两类：Ⅰ、不存在峰值吸收波长，则对应材质的光谱曲线在λ2至λ3区域内不存在反射率的极小值点；Ⅱ、存在峰值吸收波长，则对应材质的光谱曲线在λ2至λ3区域内存在反射率极小值点；提取识别特征：在选定的三个识别波长点λ1、λ2、λ3，目标材质的光谱反射率分别记为Ra、Rb、Rc，则基于Ra、Rb、Rc的相对关系来实现目标材质与背景材质的区分；具体如下：a、对于目标材质，由于选定识别波长λ1为峰值吸收波长，则光谱反射率必然存在如下大小关系：Ra＜Rb且Ra<Rc；上述特征反映本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种塑料废弃物中目标材质识别方法，其特征在于，包括：测定目标材质的光谱反射率，从中选取特征吸收峰，并从特征吸收峰中选定多个识别波长；测定包含目标材质的混合塑料废弃物的光谱反射率，并根据目标材质特征吸收峰中选定的多个识别波长，与其他的背景材质光谱反射率的差异性来建立识别模型；当从未知的塑料废弃物中识别目标材质时，将测量到的每一材质在选定的多个识别波长处的光谱反射率与建立的识别模型相结合，从而识别出目标材质。

【技术特征摘要】
1.一种塑料废弃物中目标材质识别方法，其特征在于，包括：测定目标材质的光谱反射率，从中选取特征吸收峰，并从特征吸收峰中选定多个识别波长；测定包含目标材质的混合塑料废弃物的光谱反射率，并根据目标材质特征吸收峰中选定的多个识别波长，与其他的背景材质光谱反射率的差异性来建立识别模型；当从未知的塑料废弃物中识别目标材质时，将测量到的每一材质在选定的多个识别波长处的光谱反射率与建立的识别模型相结合，从而识别出目标材质。2.根据权利要求1所述的一种塑料废弃物中目标材质识别方法，其特征在于，通过测量装置测量各种材质的光谱反射率；该测量装置包括：宽带红外光源、前置物镜、分束器、多路窄带红外探测器；其中，宽带红外光源照明方向与测量装置观察方向呈一定的夹角安置，宽带红外光源出射的红外光辐射照射被测材质表面，经被测材质吸收后向上方散射；前置物镜物方焦点与被测材质表面重合，收集被测材质散射的红外辐射并准直为平行光；平行的红外辐射经分束器按等能量比例分割为三路光辐射信号；多路窄带红外探测器基于干涉滤光片实现光谱滤波，多路探测器分别对应多个识别波长，测量被测材质的辐射强度，再基于宽带红外光源的光谱特性和窄带红外探测器的响应特性标定后即可换算为光谱反射率；所述前置物镜包括：聚光物镜、光阑与准直物镜；所述聚光物镜收集被测材质的散射辐射，并对被测材质成像；光阑设置在聚光物镜的成像面位置，则通过光阑的红外辐射均来自与样品面同一区域；准直物镜的物方焦面与光阑重合，实现对入射光辐射的准直；所述分束器为多路分光棱镜，其包括如下两种结构：a、多路分光棱镜由两个小直角棱镜和一个大直角棱镜胶合制成，胶合面镀分束膜，光辐射按箭头方向传播，棱镜的入射和出射面镀增透膜；b、多路分光棱镜由两个立方分光棱镜经胶合级联在一起，实现三路分束效果；上述两种结构均包含两个分束膜，分束比分别为1：2和1：1，使得三路出射光能量一致；所述窄带红外探测器包括：干涉滤光片、聚焦透镜与单元探测器；干涉滤光片的透过波长与识别波长一致，经分束后出射的平行红外辐射被滤光片过滤获得的窄带单色光辐射，由聚焦透镜汇聚在单元探测器的光敏面上，转换为电信号并加以测量；窄带红外探测器的测量结果为被测材质在三个识别波长的散射辐射强度，基于宽带红外光源的光谱特性和窄带红外探测器的响应特性标定后即可换算为光谱反射率。3.根据权利要求1所述的一种塑料废弃物中目标材质识别方法，其特征在于，选取特征吸收峰，并从特征吸收峰中选定多个识别波长包括：若目标材质的光谱反射率仅有一个吸收峰，则将该吸收峰作为特征吸收峰；若存在多个吸收峰，则选择反射率最低的吸收峰为特征吸收峰；若各吸收峰反射率差异在规定范围内，则选择峰值波长最长的吸收峰作为特征吸收峰；从特征吸收峰中选定三个识别波长，分别为：吸收峰的峰值波长，记为λ1；吸收峰的峰值波长左侧线性段起始点，记为λ2；吸收峰的峰值波长右侧线性段终止点，记为λ3。4.根据权利要求3所述的一种塑料废弃物中目标材质识别方法，其特征在于，建立识别模型的步骤包括：包含目标材质的混合塑料废弃物中除目标材质外的其它材质为背景材质；背景材质测定与分类：分别测定各个背景材质的光谱反射率，对于每种背景材质，在选定的识别波长λ2至λ3限定的光谱范围内，根据其吸收特性分为Ⅰ、Ⅱ两类：Ⅰ、不存在峰值吸收波长，则对应材质的光谱曲线在λ2至λ3区域内不存在反射率的极小值点；Ⅱ、存在峰值吸收波长，则对应材质的光谱曲线在λ2至λ3区域内存在反射率极小值点；提取识别特征：在选定的三个识别波长点λ1、λ2、λ3，目标材质的光谱反射率分别记为Ra、Rb、Rc，则基于Ra、Rb、Rc的相对关系来实现目标材质与背景材质的区分；具体如下：a、对于目标材质，由于选定识别波长λ1为峰值吸收波长，则光谱反射率必然存在如下大小关系：Ra＜Rb且Ra<Rc；上述特征反映了背景材料是否存在特征吸收峰，能够用于区分目标与第Ⅰ类背景材质；b、对于在λ2至λ3区域内存在吸收峰的第Ⅱ类背景材质，由于与目标材质化学结构不同，其吸收峰形状与目标材质的特征吸收峰存在固有的差异；采用下式所示的形状因子K描述材料吸收峰的形状特征：分别计算目标材料和每一种第Ⅱ类背景材质计算形状因子，目标材料的形状因子记为KT，第i种第Ⅱ类背景材质的形状因子记为根据目标材料的形状因子与所有第Ⅱ类背景材质的形状因子之间的差异来计算阈值t，该阈值t作为区分目标材质和第Ⅱ类背景材质的判据，计算公式如下：其中，n为第Ⅱ类背景材质的种类数，M为阈值调整参数。5.根据权利要求4所述的一种塑料废弃物中目标材质识别方法，其特征在于，所述将测量到的每一材质在选定的多个识别波长处的光谱反射率与建立的识别模型相结合，从而识别出目标材质包括：依次判断测量到的每一材质在选定的三个识别波长处的光谱反射率是否满足如下条件：Ra＜Rb、Ra<Rc且|K-KT|＜t；若是，则识别对应的材质为目标材质；若某一条件不满足，则确定对应的材质为非目标材质，终止识别过程，并对下一材质的光谱反射率进行判断。6.一种塑料废弃物中目标材质识别装...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄旻，刘建东，吕群波，陶陶，高国来，赵宝玮，王敬芝，黄常青，刘心泉，
申请(专利权)人：北京国科虹谱光电技术有限公司，中国科学院光电研究院，
类型：发明
国别省市：北京,11