塑料垃圾近红外光谱检测实验系统的设计与实现

湛腾西，刘志鹏，欧先锋，申巧巧，彭邓华，彭 鑫，石云锁

塑料垃圾近红外光谱检测实验系统的设计与实现

湛腾西1,2，刘志鹏1,2，欧先锋1,2*，申巧巧1,2，彭邓华1,2，彭 鑫1,2，石云锁3

(1.湖南理工学院 信息与通信工程学院，湖南 岳阳 414006；2.复杂工业物流系统智能控制与优化湖南省重点实验室，湖南 岳阳 414006；3.广州杰赛科技股份有限公司，广州 510300)

以PET，PVC 2种塑料为例，提出并构建了一种塑料垃圾近红外光谱分选实验系统。分析了近红外光谱分选的基本原理，介绍了滤波片分时旋转切换装置，并对光电检测单元的小信号放大电路进行设计验证。实验表明：该系统具有良好的塑料垃圾分捡性能与接口扩展性，达到预期设计目标。

近红外光谱；塑料分选；滤光片分时；小信号放大

近红外光(NIR)是介于可见光(VIS)和中红外光(MIR)之间的电磁波，其波长在780～2 526 nm范围内。塑料红外光谱吸收峰的位置、强度取决于塑料分子中各基团的振动形式和所处的化学环境，根据朗伯-比耳吸收定律，随着被选塑料其成分的变化，其光谱特征也将发生变化从而实现定性和定量区分[1]。废弃塑料的种类很多，有些甚至在可见光范围内无法加以区分，这给生产、回收与循环使用带来困难，而近红外光谱分析则可以解决这些问题。在光波长为1 100～1 600 nm的波段区，几种常见废旧塑料的近红外光谱的特征很弱，且光谱基线漂移厉害[2]；而在1 600 ～2 500 nm的波段区，几种常见废旧塑料有着明显不同的吸收峰，位置与强度特征明显，可以据此区别不同成分的塑料。本文以氯乙烯(PVC)和聚对苯二甲酸类塑料(PET)2大类塑料为分选对像来建立分选实验系统。在波长1 600～1 800 nm范围之间，PVC和PET各有一个位置与强度均不相同特征峰[3]。当波长为1 660 nm时，PET塑料的近红外光透过率为最低，而PVC塑料的透过率最低点为1 716 nm，采用光电检测系统检测到这2个不同的特征峰，并进行比较就可以分辨出这2种不同塑料。

1 塑料垃圾近红外光谱检测方式的选择

近红外光谱检测有反射和透射2种方式[4]。当光源发出的光进入到塑料内部后，经过反射、折射、散射与吸收返回塑料表面等光程。光线与塑料发生作用后会携带塑料的结构及组织信息返回塑料表面，但由于塑料会对近红外光有一定的吸收程度，被反射出来的光信号会大幅度减少，同时反射方向的不确定性会降低光的强度，不利于近红外光电探测。而透射方式是将近红外光直接照射在被检塑料上，通过检测塑料吸收(或透过)光的光谱信息来判断有机物的分子结构。由于不同的塑料具有不同的内部分子结构，吸收不同的光能而产生相应的近红外吸收光谱，因此用光电单元测出近红外吸收光谱，然后根据各种塑料的近红外光特征吸收峰的位置、数目、相对强度和形状等特征参数，进行判定与分选。同一物质不同浓度时，在同一吸收峰位置具有不同的吸收峰强度，在一定条件下物质浓度与特征吸收峰强度成正比关系[7]，这就是红外光谱的定量分析依据。

当近红外光透过塑料测品时，被塑料的不同成分吸收，测得其吸光程度与光程及样品的浓度之间遵守比尔-朗伯定律：A=log(1/T)=Kbc,其中：A为吸光度;T为透射率;K为单位摩尔样品的吸收系数;b为近红外光穿过样品的光程。经过对比分析，利用近红外透射的检测方法明显要比反射方法检测效果好，故本设计选定透射式近红外光谱探测方案来，同时先针对PET、PVC 2种材料构建基本的测量实验系统。

2 塑料垃圾近红外光谱检测系统的组成

2.1 分选系统整体结构

如图1所示，从塑料垃圾传送带输送过来的待选塑料，经过近红外光谱透射，由光电检测单元与控制平台联动后实现光谱识别，然后由基于现场总线的控制平台系统向气动单元发出控制信号，产生气动分选动作。未产生气动动作时，分选塑料被确认为PVC，自动落入PVC分选传送带。当分选塑料被确认为PET时，产生气动动作，将其抛入PET分选传送带。

图1 分选系统整体结构示意图

2.2 系统中的滤波片分时旋转切换装置

如图2所示，滤光片分时旋转切换装置的设计可使一个光电单元能同时检测多种光谱。

图2 滤波片分时旋转切换装置

实验系统先检PET、PVC这2种光谱，系统经过验证后则可以扩展至检测多种光谱；每个滤光片位置有一个同步脉冲输出，作为光谱捕捉的快门信号、系统同步处理信号。如检测到该滤光片对应的塑料垃圾出现了相应的吸收峰，就能以此来判断是检测到该塑料成分，并通过气动动作实现分选。

2.3 光源的选取

系统所需光源应有足够宽的光谱带、足够强的光照强度和较高的稳定性，单一红外发射管功率比较低，频谱带宽过窄，不在被选之列。近红外光谱的波长介于780～2 526 nm之间，钨灯的辐射波长介于320～3 200 nm之间，可覆盖近红外波长范围。故选溴钨灯作为系统光源中的发光器件。

2.4 滤光片的选取

本实验系统根据不同成分的塑料对近红外光的吸收峰的不同，选取中心频率不同的滤光片，用于检测中心频率为1 719 nm的PVC塑料以及中心频率为1 660 nm PET塑料。同时表1特别说明4种滤光片透光的中心波长，作为本实验系统扩展参考依据。

表1 滤光片的中心波长

2.5 切光器的设计

切光器的主要作用是将光源发出的连续光信号实现通断控制转变成均匀非连续光信号。由于近红外光电探测时，光电探测管的输出电信号十分微弱，容易被噪声所淹没，而将连续的电流信号转换成交流信号就可以更好地放大小信号和抑制噪声以提高信噪比[5]。为此，切光器的调制频率和光电探测管的响应频率特性应匹配好，同时，切光器必须有足够高的加工精度。切光器是由直流电机和切光片2部分组成。切光器切光尺寸大小、与光源的距离、齿的宽度，频率精度等因素都会影响到信号的调制效果。为了提高信噪比，减小带宽，要求调制后的信号应为正弦信号。

根据调制波形为正弦信号的设计要求及斩波频率与相关信噪比特性，切光器需要确定以下技术参数：切光片直径D、齿数N、齿宽M、切光片齿高H。当调制信号的设计频率f1=500 Hz时，响应率最高，输出占空比50%的方波；使用频率为f2=50 Hz的直流电机，N=f1/f2，因此N=10。

为了使调制波可以近似看成方波，就要让光源在切光片处的像点的宽度与2倍切光片齿宽的比值应≤0.08，取M=11 mm。切光片的直径D应该满足：

(1)

由式(1)可知D≥70.86 mm，因此取D=75 mm。

2.6 光电探测器的选取

本设计选用光敏三极管FDPS3X3来进行近红外光电检测。光敏三极管的响应特性曲线如图3所示。光敏三极管和普通三极管结构很类似，不同之处在于光敏三极管有一个对光敏感的PN结作为感光面，采用半导体制作工艺。但为适应光电信号转换的要求，与普通三极管的区别是它的基区面积较大，发射区面积较小，入射光主要被基区吸收，因此能有较大的灵敏度[6]。光电探测管的芯片被装在带有玻璃透镜的金属管壳内，近红外光线通过透镜聚焦让光斑照射在芯片上。当具有光敏特性的PN结受到光辐射时，形成光电流，由此产生的光生电流由基极进入发射极，从而在集电极回路中得到一个放大了β倍的信号电流。

图3 光谱响应特性曲线

2.7 近红外光电小信号的信号调理电路设计

该单元主要完成光电小信号的采集功能，从光电管开始能够把光信号转换成相应的电信号，在保证信号质量的同时必须抑制噪声。光电检测电路通常都是从强噪声环境中提取有用信号，要求抗干扰能力强，灵敏度高，同时电路结构简单，线性度好。为使上述光电测量更加精准，本设计将采取一些硬件和软件相结合的措施，如低噪声前置光电小信号采集电路、低通滤波电路等。其中，光电小信号数据采集单元电路主要包括光电传感器、放大器、信号调理电路。为提高光电小信号转换性能，在设计上要满足3个要求:一是输出信噪比高，电路噪声小；二是被测信号，无明显频率失真，即检测电路的通频带要足够的宽；三是输出信号功率大，保证信号在传输过程中不失真。具体的光电小信号转换电路如图4所示。

图4 光电小信号采集电路

电路在放大器的输出和检测电路的输出之间加一个RC滤波电路，这样就限制了放大器输出信号的带宽，滤除掉经过放大的噪声和放大器本身的噪声。电容C2用来补偿RC滤波环节引起的相角滞后。电容C1用来补偿放大器输人端的复合电容Cd引起的相位滞后，控制噪声增益峰值。

为了提高光电小信号检测电路的灵敏度，要求检测电路能够响应100 nA的光电流。由于不存在理想状态下的运放，所有的运放都存在输入失调电压或者输入偏置电流的问题，都会导致输出电压信号的失真。甚至会将信号淹没在噪声中，无法检测出来，因此选用专门的低噪声高精度运放，本设计将选用高精度，低噪声运放OPA2228。其性能指标为：低噪声，3 nV/Hz；宽带宽，33 MHz，10 V/μs；高共模抑制比，138 dB；高开环增益，160 dB；低输入偏置电流，10 nA max；低失调电压，75 μV max；宽电源范围，±2.5V～±18V。

2.8 中间放大电路设计

在小信号采样放大电路后配置常规前置放大，电路要求低噪声，高增益，低输出阻抗[7]。电路如图5所示。

图5 前置放大电路

同相放大电路输出信号：V2=(1+R3/R2)·V1；截止频率：fH=1/(2πRC)=442 Hz。

2.9 信号调理输出电路设计

信号调理输出电路由一个低通滤波器和一个高通滤波器串联而成。其中高通滤波器的下限频率为442 Hz，低通滤波器的上限频率为530 Hz，选用有源带通滤波器。有源带通滤波器由集成运放等器件组合而成。集成运放输入阻抗高、输出阻抗低并具有较高的开环增益和良好的稳定性，且结构简单，性能好，同时具有低的输入失调电压和失调电流以及低输入偏置电流等一些优点。本设计选用OPA2228作为主要运放芯片，电路如图6所示。

低通滤波器的传递函数为：

(2)

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

高通滤波器的传递函数为：

(3)

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

由式(2)(3)可以解出低通截止频率f1=530 Hz，高通截止频率f2=442 Hz。可用扫频方法验证电路实际带宽与理论计算相符合[8]。设计制作PCB电路板的形状为圆形，与光电探测单元相似，以便与光电检测单元一体化的固定，其中心位置器件为光电探测管。

3 测试与验证

3.1 测试方案

1)对整个系统的进行调试，包括光路、电路、待测塑料、上位机的检测，减小非必要因素对系统稳定性的影响，提升系统的可靠性和检测精度；

2)运行近红外光电检测系统，投放待检测的塑料，记录其分选结果，计算分选正确率与效率。

3.2 测试结果

塑料垃圾分选系统运行，空测时，一组光电检测会探测到载波500 Hz的正弦波信号，当光电探测装置检测到PET或PVC塑料透射光谱信号时，其光谱信号的包络会呈现对应光谱吸收峰的形状，经检波后就可获得对应吸收峰的特征光谱图，经模式识别后，就可以对这2种不同塑料进行区别产生不同的气动分选动作。

在整套系统检测完毕之后，进行塑料垃圾分选的初级调试阶段。投放不同成分废弃塑料瓶1 500个，其中：PVC 500个；PET 500个；其他塑料500个。混合投放进近红外光电检测系统，分选结果如表2所示。从实验结果来看，本文设计的光电检测实验系统能够较好地满足塑料垃圾分选要求。

表2 塑料分选结果

4 结语

在实际微弱光电信号检测过程中，由于人为或者一些客观的原因，使检测采集到的实验结果与实际真实值有一定的差距，形成实验误差。在复杂的测试环境中，对检测实验结果的影响因素主要有以下几个方面：1)在检测过程中，塑料分布及降落时间易出现不均匀性，造成光电采集的信号出现误差，容易出现误测情况；2)在光电采集过程中，由于漫反射光强信号对实际光强信号的叠加影响。两侧的漫反射光强信号容易对实际采集信号产生影响；3)电路带通滤波、A/D采样输出会因系统噪声带来误差；4)系统中伴随着杂光的干扰，会使系统产生噪声，对塑料的检测也有一定的影响。

本文介绍了整个实验系统的设计与调试过程以及容易出现误测的原因，并且对系统测试结果进行了分析，从实验结果来看，该光电检测实验系统能够较好地满足性能要求。而且滤波片切换装置留有多余的位置，不用重新设计。实验系统考虑了成品系统的需求，使之具有接口扩展能力，后续研究工作将集中在进一步增加系统的抗干扰能力方面。

[1] PANDA A K,SINGH R K,MISHRA D K.Thermolysis of waste plastics to liquid fuel:a suitable method for plastic waste management and manufacture of value added products-A world prospective[J].Renewable & Sustainable Energy Reviews,2010,14(1):233-248.

[2] 刘红莎.基于近红外光谱的废混合塑料识别研究[D].天津:天津大学,2013.

[3] 杜婧.基于NIR技术的PET/PVC废旧塑料分离系统设计[D].杭州:浙江大学,2011.

[4] 端木彦青,卫功元,樊良亮,等.物料分选设备在塑料领域的应用[C]//全国塑料光纤与聚合物光子学会议论文集,2011:237-242.

[5] 王诣,王选择,翟中生,等.新型光电检测电路的研究与设计[J].光电子技术, 2012,32(2):131-136.

[6] 王立刚,李晶晶,建天成.智能光电检测技术研究与电路设计[J].东北石油大学学报,2009,33(4):99-102.

[7] 郭建花.低噪声光电检测电路的设计与仿真[J].电子世界,2014(11):30-31.

[8] 周烨,吴炜,黄子强.基于光电检测的红外光信号接收电路设计[J].电子设计工程,2011,19(2):113-115.

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

国家自然科学基金“多接口车联网可变带宽信道分配算法研究”(61300039)；湖南省科技计划项目“塑料垃圾近红外光电分选设备成套技术研究”(2015SK20693)；复杂工业物流系统智能控制与优化湖南省重点实验室(湘科规财〔2016〕8号 )

湛腾西(1963— )，男(汉族)，湖南岳阳人，教授，研究方向：光电检测与智能信息处理。 欧先锋(1983— )，男(汉族)，湖南郴州人，讲师，博士，研究方向：图像处理、视频压缩编码及传输，通信作者邮箱：ouxf123@qq.com。

TQ320

A

2095-5383(2016)04-0031-05