高光譜技術在工業(yè)現(xiàn)場實時分揀的發(fā)展

基于圖像和光譜的實時工業(yè)分揀，起源于工業(yè)色選技術，農(nóng)產(chǎn)品和工業(yè)原料分選中色選技術逐步成為產(chǎn)品生產(chǎn)中必不可少的重要環(huán)節(jié)，如圖1.3。目前色選機已成為包括大米、大豆、雜糧、茶葉等等各種農(nóng)作物質量的重要保障手段，色選機應用已經(jīng)十分廣泛。

圖1.3(a)彩色CCD茶葉色選機 (b)彩色CCD大豆/雜糧色選機

隨著科學技術的發(fā)展和不斷提高的分揀要求，基于光學和圖像的工業(yè)現(xiàn)場分揀技術逐步從光電、單色線陣CCD、彩色線陣CCD,向高光譜識別技術發(fā)展。色選技術也逐步從糧食、石英砂、食鹽、糖等原料的分揀逐步擴展到各種工業(yè)原料的分揀領域。尤其是近年來環(huán)保型社會的提出，各種生活工業(yè)廢料的回收和再利用為色選技術的發(fā)展創(chuàng)造了新的契機。

我國各種塑料廢棄物，如飲料瓶、塑料包裝材料的廢棄量已達到9千萬噸/年。塑料垃圾也被稱為“白色污染”,威脅生態(tài)環(huán)境，是當今世界的一大公害。解決塑料垃圾污染問題，是當今世界最重要的環(huán)保課題研究之一。回收和再利用各種塑料垃圾、變廢為寶無疑為“白色污染”的解決提供了新的出路。塑料垃圾的回收和再利用首先是分揀問題，一是要從塑料與紙張、木材、金屬、纖維、其他有機廢棄物如菜葉、植物等不同類型的垃圾中分揀出來，其次是要將熱熔型塑料和熱固型塑料區(qū)分開來，三是要將不同顏色的塑料區(qū)分開來，才能使塑料垃圾的回收產(chǎn)生經(jīng)濟效益(R.J.赫恩南德茲，2004)。

國際上在這一領域進行了大量有益的嘗試，采用高光譜成像技術實現(xiàn)了有效的檢測和分揀手段(D M Scott,1995)。首先在紅外光譜下一般生活垃圾和塑料有較為顯著的區(qū)別，可實現(xiàn)粗分離如圖1.4(a)所示，熱熔型(如PET)塑料和熱固型(如PVC)塑料在紅外光譜段也有不同的特征，利用這些不同的光譜特征能夠有效地實現(xiàn)塑料的粗分揀(如圖1.4(b)所示),再利用可見光彩色分揀技術可以實現(xiàn)塑料的顏色分離(如圖1.4(c)所示)完成塑料原料的回收。

塑料回收再利用的關鍵環(huán)節(jié)是要能夠區(qū)分熱熔型和熱固型塑料，熱熔型塑料可以直接回收熔融再生產(chǎn)，而熱固型塑料只能作為填充材料進行再利用，如果熱熔型塑料中混雜有熱固型塑料則熱熔型塑料就無法直接進行熔融再應用，由于熱固型塑料的存在，一方面將使熔融機械無法正常工作，另一方面將嚴重影響在鑄塑料制品的品質，這將嚴重降低塑料回收的經(jīng)濟效益，使塑料回收產(chǎn)業(yè)難以為續(xù)。傳統(tǒng)的分揀方法有密度分選、浮選分選、溫差分選等多種方法但無法適應大規(guī)模塑料垃圾回收應用需求。X光分選盡管具有大規(guī)模應用的潛力但難以在惡劣的生產(chǎn)環(huán)境中保證人員的安全性，因此也難以得到普及(約翰·沙

伊斯，2004)。

大量的學者利用塑料的紅外光譜特性做了許多有益的嘗試，一些最先進高光譜分揀技術逐步投入了實用，然而國外此類設備一般采用標準高光譜儀作為分揀單元，紅外高光譜儀價格昂貴，導致以紅外高光譜技術PET/PVC分揀系統(tǒng)成本高昂，影響了此類設備的普及(高明等，2005)。圖1.5(a)為德國生產(chǎn)的一款采用7個光譜探測器并列探測塑料類型的PET塑料瓶光學分選機，同時具有高壓氣槍，喂料斗等單元。傳送帶把塑料送入喂料口后，PET塑料通過喂料口，其他的非PET塑料被高壓氣槍吹出，從而實現(xiàn)PET料的分離；圖1.5(b)是美國NRT(National Recovery Technologies,Inc)公司結合了工業(yè)計算機系統(tǒng)和紅外分光鏡探測器，對大量的片裝和顆粒裝聚合物進行高速掃描和分類，探測和去除在PET生產(chǎn)回收過程中的PVC雜質，最大生產(chǎn)能力可以達到

2270kg/h。

工業(yè)分揀高光譜智能相機SP130M是一種利用高光譜技術實現(xiàn)智能分揀的設備，它可以通過對物體表面反射的光譜進行分析，精準識別物體的種類和質量。在對國內(nèi)外色選機研究的基礎上將高光譜技術和智能相機技術結合起來構成紅外/可見光高光譜智能相機，實現(xiàn)PET/PVC的分揀。利用相對廉價的線陣紅外傳感器和線陣可見光傳感器，配合高光譜成像技術構成檢測單元，利用FPGA技術構成相機處理單元，形成紅外高光譜智能相機系統(tǒng)，有效地解決高光譜識別技術的成本和實時處理問題，形成與目前色選機技術相兼容的高光譜處理系統(tǒng)，將會對色選機技術的發(fā)展起到積極的推動作用。

工業(yè)分揀高光譜智能相機SP130M技術參數(shù)

工業(yè)分揀高光譜智能相機應用

糧食分揀：相機可以通過檢測糧食的光譜信息，實現(xiàn)不同種類的糧食區(qū)分，有效提高糧食分揀的準確率。

果蔬分揀：相機可以檢測果蔬的成熟度、瑕疵與形態(tài)，實現(xiàn)果蔬的分類、分級和分揀，提高果蔬產(chǎn)品的吸引力。

化妝品分揀：相機可以對化妝品的顏色、外形和包裝進行檢測，實現(xiàn)高速、高效、精確的分揀，保證化妝品的品質。

藥品分揀：相機可以對藥品的顏色、形態(tài)、標志、包裝等信息進行檢測，實現(xiàn)準確的藥品分揀。

制藥工業(yè)：相機可以對藥品口服片、藥水、膠囊、注射液等藥品形態(tài)、顏色、表面缺陷等進行檢測和分揀，保證制藥工藝和質量的穩(wěn)定性。

工業(yè)檢測：基于高光譜成像技術并結合機器學習模型訓練方法能夠無損、準確地鑒別物質，可為物質分類定級、自動分選工業(yè)化批量檢測場景提供一種高效、科學的檢測手段和依據(jù)。