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看见塑料的“指纹”：高光谱技术用于高效分拣回收

前言导读 2024.10.23

形态相近的各种塑料材料难以通过肉眼准确识别，为塑料回收增加了困难。友思特BlackIndustry SWIR 1.7系列高光谱相机利用光谱特征曲线精确区分塑料材质，有效提升了塑料回收的精准性和效率。

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塑料回收：可见光 vs 高光谱方案

从企业或家庭收集的各种废物流中有效筛选可回收的材料，是回收行业面临的最大挑战之一，克服这一挑战是确保可持续的循环经济的基础。废旧物品成分材料多种多样，主要包括各种塑料、复合材料、有机材料（如木材、纸张和堆肥）、矿物以及黑色金属和有色金属。在这其中，塑料是很难进行具体分类的材料之一，它们大多外观相似，但在实际组成材料上有较大差别，且无法用肉眼判断，针对他们的回收政策也有差异。

在工厂制造阶段，针对塑料产品的筛选，机器视觉方案已经应用广泛。常规的可见光相机可用于对不同颜色、形态的塑料品进行分类，从而在塑料流中精确去除异色和异物塑料。通过这种方式，可以实现很高的分选材料纯度。当分拣后的物料经过检测区域时，相应的传感器会检测其类型、颜色和传送带上的位置。而后，控制系统以时间和位置精度激活排放喷嘴杆的正确喷嘴。喷嘴杆布置在物料流上方，从上到下喷射。最后，通过有针对性的压缩空气喷射，将检测到的异物精确排放，并将材料损失降至最低。

友思特机器视觉相机，可用于基于色彩和形态的塑料异物检测

然而，在回收阶段的塑料分选是更加复杂的。许多种不同材质组成的塑料废物被堆砌在一起，部分塑料的外形、色彩十分相近，此时，通过可见光相机将很难做到精准识别。

针对外观相似而材质不同的塑料的精确分选，可以使用高光谱成像来实现。高光谱成像是一种光电技术，用于精确测量物体反射的电磁辐射。反射强度与波长的函数显示在光谱特征曲线中，针对光谱曲线，每种材料反射光线的方式不同，每种材料的反射光谱也是独一无二的，就像人类指纹一样，因此可以通过反射光谱识别相应的材料，以及分析材料和物体的各种特性。

推扫式相机特别适合产线检测场景，可以适配高速移动的传送带。本文将展示友思特 BlackIndustry SWIR 1.7 Max 推扫式高光谱相机对塑料区分的检测案例，以揭示其在回收行业的潜力。

友思特高光谱相机 BlackIndustry SWIR 1.7 Max用于塑料分拣产线
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案例1：PVC检测

PVC（塑料型聚氯乙烯）是现代工业的重要材料，也是 PE 和 PP 之后的第三大塑料聚合物。它的成本低，非常耐用，在自然界中几乎不分解。常用于管道、窗框、园林家具、电缆涂层、合成革等。然而，它可能造成的污染也是巨大的。如果塑料或生活垃圾含有 （PVC），则在焚烧垃圾时会释放出有毒的氯化氢，这也是水泥和钢筋混凝土行业的一个主要问题。衍生燃料释放的氯化氢会对混凝土和水泥造成腐蚀损坏。因此，PVC必须分离出来，才能进一步在工艺中被完全回收。

检测结果：PVC光谱特征

PVC 的光谱反射率的特点是在 1700nm 左右的第三吸收带具有特别高的吸收率。它的前两个吸收带并不能保证正确检测，因为它们受到塑料纯度和形状的强烈影响。可以检测的第三吸收带的波长范围越精确，识别出PVC的精度就越高。为此，友思特提供了独特的解决方案：BlackIndustry SWIR 1.7 Max 高光谱相机。

友思特 BlackIndustry SWIR 1.7 Max 是一款智能线扫描（推扫式）高光谱成像相机，能够以非常高的空间分辨率采集实时光谱数据。该相机提供 1280 像素的空间分辨率，在 900nm – 1748nm 的波长范围内具有多达 425 个可选光谱带。这种独特的波长范围与传感器的高灵敏度相结合，可以检测塑料的所有三个吸收带。结果显示，在塑料的检测和区分方面取得了非凡的成功，该方案是朝着安全、高质量回收迈出的重要一步。

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案例2：PE和PET薄片的光学分选

生活中随处可见的饮用水容器特别适合回收利用，因为它们主要由纯塑料制成：瓶子由 PET（聚乙烯对苯二甲酸酯）制成，盖子则由  PE（聚乙烯）制成，其中 PET 是唯一能够维持真正循环供应链的聚合物之一。

在回收过程中，塑料被切碎成薄片，然后进行分类，成功回收塑料的强制性要求是输入材料必须尽可能纯净。然而，从外观和色彩来说，PE和PET都可能是白色，形态上也没有太大差别，利用常规可见光相机很难区别两者。这种需要明确材质组成的精确分选必然需要更多的信息协助判断。

常见塑料 PE 和 PET 的区别如下表所示：

特性

PE

PET

组成

热塑性树脂，由乙烯经聚合制作而成

聚对苯二甲酸乙二醇酯，经过多道工序获得

占比

塑料总量的30%

塑料总量的6%

化学特性

化学稳定性较好，耐酸碱侵蚀，耐低温-100~70℃，无毒无味

物理机械性能比较高，电绝缘性优良

安全性

本身无毒，遇强光后易发生光热氧化反应，分解释放有毒物质

化学物质比较稳定，不容易释放有毒有害物质

成本

较低

较高

应用

包装（如瓶盖）、箔片、管道、涂层、泡沫塑料等

包装（如瓶身）、电子设备外壳、纺织纤维等

我们在该案例中使用 BlackIndustry SWIR 1.7 Max 相机来区分 PE 和 PET 塑料薄片。PE 薄片和 PET 薄片混合在一起，导致人眼无法再将它们区分开来。当混合样品通过传送带时，相机会记录传感器从 900nm – 1748nm 的整个波长范围内材料的光谱特征。从下图中可以看到，PE和PET材料的光谱特征是完全不同的，基于光谱特性我们可以准确地区分PE和PET材料

通过使用 BlackStudio 软件，可以直接对采集的数据进行处理和分类，从而对传送带上移动的塑料样品进行直接的颜色分类标注。根据检测需求，还可以选择实时处理和分类。这显示了高光谱成像技术在塑料分类回收领域的应用潜力。

下面这段全速视频展示了 BlackIndustry SWIR 1.7 Max 在快速移动的平台上按聚合物类型自动对塑料薄片进行分类。这款相机以高达 1330 Hz 的高帧率和 1280 像素的空间分辨率运行，旨在与快速的工业传送带保持同步，确保精确分类。多感兴趣区域 （ROI） 模式可以实现如此高的帧速率。此外，还可以选择相关波长，而不是分析整个光谱，从而在保持高精度的同时显着减少数据量。

高光谱相机可以按聚合物类型对塑料进行分选，它涉及分析各种聚合物的光谱特征。应用这项技术使我们能够准确识别和分类不同类型的聚合物，包括 PE、PP、PS、PET 和 PVC。它提供了一种快速高效的解决方案，减少了分拣时间和费用，同时提高了准确性。

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友思特 方案产品套装介绍

BlackIndustry SWIR 1.7 系列 短波红外高光谱相机

900-1730nm 短波红外宽光谱范围，420个光谱波段，全画幅帧速率 450Hz，Pro型号 ROI 帧速率高达 2230 Hz；可选标准版、Max、Pro三种型号，分别具备 640px 、1280px、2560px 的高空间分辨率；索尼 SenSWIR 传感器技术， 更高的均匀性和光谱灵敏度.
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