高光譜相機在塑料分選方面的應(yīng)用

每天，從早餐的外帶咖啡杯到午后的礦泉水瓶，從快遞包裝到家居用品，塑料已無處不在。然而，這些被丟棄的塑料若混合處理，不僅浪費資源，更可能造成環(huán)境污染。高效、準(zhǔn)確的塑料分選，成為資源再生的關(guān)鍵一步。今天，我們要介紹一項前沿技術(shù)——高光譜相機，它正以其“透視"般的能力，賦予機器識別不同塑料的“眼睛"，讓分選變得又快又準(zhǔn)。

實驗準(zhǔn)備：

本次實驗我們采集的是五種不同材質(zhì)的塑料，如圖1所示，分別為

1.PET（聚對苯二甲酸乙二醇酯）：常見于飲料瓶、食品容器，透明輕便，可回收制成纖維、新瓶。

2.PP（聚丙烯）：多用于餐盒、保鮮盒，耐熱性強，是食品包裝的常客。

3.PS（聚苯乙烯）：分為泡沫（如一次性餐盒）和硬質(zhì)（如CD盒），質(zhì)輕但回收難度較高。

4.PVC（聚氯乙烯）：常用于管道、電纜外皮，因含氯元素，需單獨分選以避免污染。

5.PE（聚乙烯）：包括HDPE（洗發(fā)水瓶）和LDPE（塑料袋），是產(chǎn)量zui大的塑料之一。

圖1

為了高光譜相機的塑料分選實驗更加方便，我們對其進(jìn)行剪裁獲取到各個物體的切片樣品，如圖2所示，每個樣品都標(biāo)注了對應(yīng)的材質(zhì)。

圖2

實驗設(shè)備：

本次實驗我們使用高光譜相機FX17，對上述塑料進(jìn)行檢測，如圖3所示，這款相機可捕捉從可見光到短波紅外（900-1700nm）的光譜信息，形成獨特的光譜曲線。不同塑料因分子結(jié)構(gòu)差異，對光譜的吸收、反射特性截然不同，即使外觀相似，也能被精準(zhǔn)區(qū)分。

圖3

同時該高光譜相機是采用線陣推掃的成像方式，通過相機和被拍攝物體之間有相對運動，來獲取目標(biāo)區(qū)域的所有樣本的圖像數(shù)據(jù)和光譜信息數(shù)據(jù)，所以實驗中我們需要固定相機，把物體放在Labscanner推掃平臺上進(jìn)行拍攝，如圖4所示，推掃平臺配備了放置樣品的位移臺、兩排鹵素?zé)艄庠春拖鄼C安裝支架等裝置。

圖4

拍攝后的圖像數(shù)據(jù)可以使用Insight軟件來處理，如圖5所示，它是一款高光譜圖像數(shù)據(jù)的離線處理軟件，用戶可在其中實現(xiàn)瀏覽查看樣本數(shù)據(jù)、訓(xùn)練分類模型、驗證分類效果等操作，以建立應(yīng)用程序供實時檢測使用，其模型訓(xùn)練的功能還可以形成偽彩圖，更加直觀有效地呈現(xiàn)成像效果。

圖5

實驗過程：

1.布置樣品

因為樣品多為全透明材質(zhì)，只有PE是不透明的，所以為了防止拍攝過曝，需要在推掃平臺上放置一張白紙，之后在平臺zui開始放置白板，再依次按順序放置樣品，如圖6所示。

圖6

2.采集樣品

啟動相機和平臺，調(diào)整好相機焦距和曝光時間，完成后開始掃描采集，樣品隨平臺移動，不斷經(jīng)過相機的線掃范圍，如圖7和圖8所示。

圖7

圖8

3.數(shù)據(jù)分析

掃描后使用Insight對采集到的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行選點分析，如圖9所示，黑色區(qū)域為平臺，白色區(qū)域為防曝光的白紙，從上到下的排列和前述順序一致。

圖9

由于不同材質(zhì)樣品的光譜特征不同，在曲線圖中會呈現(xiàn)不同特征曲線，如圖10所示。

圖10

通過軟件的模型訓(xùn)練功能，得到偽彩圖，如圖11所示，橙色為PET，紫色為PP，藍(lán)色為PS，綠色為PVC，紅色為PE，區(qū)域明顯。

4.結(jié)論

通過光譜曲線和偽彩圖，可以清晰地辨別出不同材質(zhì)的塑料，這對高光譜的塑料分選應(yīng)用提供了有力的實驗支撐，并且方法簡單高效，數(shù)據(jù)快速準(zhǔn)確。

通過驗證，F(xiàn)X17憑借其在短波紅外波段（900-1700nm）的高光譜分辨率與優(yōu)異信噪比，能夠穩(wěn)定捕捉PET、PP、PS、PVC及PE等塑料中C-H鍵的精細(xì)振動特征差異，實現(xiàn)基于物質(zhì)本征光譜特性的識別。該技術(shù)不僅解決了傳統(tǒng)近紅外方法對黑色塑料與深色碎片的失效問題，更能有效區(qū)分添加劑、殘留標(biāo)簽及表面污染物對光譜的干擾，將分選精度從“材質(zhì)大類"提升至“化學(xué)結(jié)構(gòu)層級"，為高純度再生塑料的閉環(huán)生產(chǎn)提供了具備工業(yè)可靠性的光譜感知基礎(chǔ)。

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