高光譜技術(shù)在工業(yè)現(xiàn)場實(shí)時(shí)分揀的發(fā)展

基于圖像和光譜的實(shí)時(shí)工業(yè)分揀，起源于工業(yè)色選技術(shù)，農(nóng)產(chǎn)品和工業(yè)原料分選中色選技術(shù)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(jī)已成為包括大米、大豆、雜糧、茶葉等等各種農(nóng)作物質(zhì)量的重要保障手段，色選機(jī)應(yīng)用已經(jīng)十分廣泛。

圖1.3(a)彩色CCD茶葉色選機(jī) (b)彩色CCD大豆/雜糧色選機(jī)

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

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(dá)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(dāng)今世界的一大公害。解決塑料垃圾污染問題，是當(dāng)今世界最重要的環(huán)保課題研究之一?；厥蘸驮倮酶鞣N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(jī)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(jì)效益(R.J.赫恩南德茲，2004)。

國際上在這一領(lǐng)域進(jìn)行了大量有益的嘗試，采用高光譜成像技術(shù)實(shí)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(shí)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(shí)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(shù)可以實(shí)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(guān)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(jìn)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(jìn)行熔融再應(yīng)用，由于熱固型塑料的存在，一方面將使熔融機(jī)械無法正常工作，另一方面將嚴(yán)重影響在鑄塑料制品的品質(zhì)，這將嚴(yán)重降低塑料回收的經(jīng)濟(jì)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(yīng)大規(guī)模塑料垃圾回收應(yīng)用需求。X光分選盡管具有大規(guī)模應(yīng)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(xué)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(jìn)高光譜分揀技術(shù)逐步投入了實(shí)用，然而國外此類設(shè)備一般采用標(biāo)準(zhǔn)高光譜儀作為分揀單元，紅外高光譜儀價(jià)格昂貴，導(dǎo)致以紅外高光譜技術(shù)PET/PVC分揀系統(tǒng)成本高昂，影響了此類設(shè)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(gè)光譜探測器并列探測塑料類型的PET塑料瓶光學(xué)分選機(jī)，同時(shí)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(shí)現(xiàn)PET料的分離；圖1.5(b)是美國NRT(National Recovery Technologies,Inc)公司結(jié)合了工業(yè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和紅外分光鏡探測器，對(duì)大量的片裝和顆粒裝聚合物進(jìn)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(zhì)，最大生產(chǎn)能力可以達(dá)到

2270kg/h。

工業(yè)分揀高光譜智能相機(jī)SP130M是一種利用高光譜技術(shù)實(shí)現(xiàn)智能分揀的設(shè)備，它可以通過對(duì)物體表面反射的光譜進(jìn)行分析，精準(zhǔn)識(shí)別物體的種類和質(zhì)量。在對(duì)國內(nèi)外色選機(jī)研究的基礎(chǔ)上將高光譜技術(shù)和智能相機(jī)技術(shù)結(jié)合起來構(gòu)成紅外/可見光高光譜智能相機(jī)，實(shí)現(xiàn)PET/PVC的分揀。利用相對(duì)廉價(jià)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(shù)構(gòu)成檢測單元，利用FPGA技術(shù)構(gòu)成相機(jī)處理單元，形成紅外高光譜智能相機(jī)系統(tǒng)，有效地解決高光譜識(shí)別技術(shù)的成本和實(shí)時(shí)處理問題，形成與目前色選機(jī)技術(shù)相兼容的高光譜處理系統(tǒng)，將會(huì)對(duì)色選機(jī)技術(shù)的發(fā)展起到積極的推動(dòng)作用。

工業(yè)分揀高光譜智能相機(jī)SP130M技術(shù)參數(shù)

工業(yè)分揀高光譜智能相機(jī)應(yīng)用

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

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

化妝品分揀：相機(jī)可以對(duì)化妝品的顏色、外形和包裝進(jìn)行檢測，實(shí)現(xiàn)高速、高效、精確的分揀，保證化妝品的品質(zhì)。

藥品分揀：相機(jī)可以對(duì)藥品的顏色、形態(tài)、標(biāo)志、包裝等信息進(jìn)行檢測，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的藥品分揀。

制藥工業(yè)：相機(jī)可以對(duì)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(jìn)行檢測和分揀，保證制藥工藝和質(zhì)量的穩(wěn)定性。

工業(yè)檢測：基于高光譜成像技術(shù)并結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)模型訓(xùn)練方法能夠無損、準(zhǔn)確地鑒別物質(zhì)，可為物質(zhì)分類定級(jí)、自動(dòng)分選工業(yè)化批量檢測場景提供一種高效、科學(xué)的檢測手段和依據(jù)。