一种基于激光诱导击穿光谱的塑料分类方法

一
种 基 于激 光 诱 导 击 穿光 谱 的 塑料 分 类 方法
刘 可 ，邱春玲 ，田 地 ，杨 光 ，李颖超 ，韩 旭
吉林大学仪器科学与 电气工程学 院，吉林 长春 １ ３ ０ ０ ２理主要采用焚烧掩埋 的方式 ，不仅污染环境 ， 还 造成 了资源浪费 ， 废 旧塑料 回收
的精 度 ，其 中前 者 精 度 １ ０ ０ ％，后 者 精 度 为 ９ ８ ． ２ ；Ｂ ａ — ｎ ａ ｅ ｅ ＿ ９ ］ 等将 Ｌ Ｉ Ｂ Ｓ与判别 函数 分析 法结 合 ，对 ６种 可 回收塑
料进行分类 ， 分 类精 度达到 ９ ９ ； ｙｕ ｔ ］ 等将 Ｌ Ｉ Ｂ Ｓ技术与支 持 向量机方法相结合 ，并对得到 的光谱权重进行 调节 ，对 １ １
收 稿 日期 ： ２ ｏ １ ６ — ０ ７ — ２ ５ 。 修 订 日期 ：２ ０ １ ６ — １ ２ — ０ ９
１ 实验部 分
１ ． １ 装 置
实 验装 置如图 １所示 ， 激发 光源为 Ｎｄ： ＹＡＧ脉冲激 光
中图分类号 ： ０６ ５ ７ ． ３ 文 献标 识码 ： Ａ Ｄ Ｏ Ｉ ： １ ０ ． ３ ９ ６ ４ ￣． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ ０ — ０ ５ ９ ３ （ ２ ０ １ ７ ） １ １ — ３ ６ ０ ０ — ０ ６ 的包括 ： Ｒ ｕ ｓ ｓ ｅ ｌ ｌ Ｓ Ｈａ ｒ ｍｏ ｎ ｌ ７ 首次将 Ｌ Ｉ Ｂ Ｓ技术应用于区分炸
类效果较好 ，且部分研究 已经得 到实际应 用 。 但 是依 据上述 方法建立 的分类模 型 ， 存在需要更 改 的参 数较 多 ， 所 构建模
型 的普适性 差 的问题 。本 文 通过 理 论分 析 和实 验验 证 的方 式 ，针对上述问题 ， 基 于偏最 小二乘 方法建 立分类 模 型 ， 达 到克服 背景 干扰、提高分类精度 的 目的。
种塑料 的分类精 度接 近 １ ０ ０ 上述研 究对 于塑料样 品 的分
旧塑料 回收首先 要进 行 塑料 分 类 ，常 用 的塑 料分 类 方法 包
括： 人工分类法 ＿ ３ ］ 、近红外光谱分类法 Ｉ ３ ］ 和 ｘ射线分 类法Ｌ ４ ］
等。 但是 ， 人 工分类 方法效 率低 ，成本 高 ；近红外 光谱 的分
对于推行循环经济 、促进可持续发展具有重要意义 。传统 的塑料分类装置存 在精 度较 低 ， 成本 较高 ，分类结 果易受样 品颜色影 响及对操作人 员身体健康造成威胁 的缺点 。激光诱 导击穿光谱 技术 （ Ｌ Ｉ Ｂ ｓ ） 具有多元 素 同
时分析 、无需样品预处理 ， 检测 速度快 ， 对样 品损 害小 ， 不受塑料颜色影 响等优 点。将 其与基于化 学计量学 的样 品分类方法相结合 ， 应用到塑料样 品检测领域 ， 有利于提升塑料分类精 度 。 但是 ，现有分类方 法需要更 改参数多 、 所构 建模 型普适性差 。 通过 自主搭建 的 Ｌ Ｉ Ｂ Ｓ实验平 台 ， 研 究激光器能量 、 延时时 间、 积分时 间和
引 言
传统 的废旧塑料处理主要采用焚烧掩 埋 的方 式 ， 不仅 污
染环境 ， 还造成 了资 源浪 费ｌ １ 。 ” ］ ，如何对 废 旧塑 料进 行 回收
再 利 用 成 为 亟 需 解 决 的问 题 。不 同 种 类 的 塑 料 用 途 不 同 ，废
药 的 塑 料 外 壳 表 面 和 普 通 塑 料 ，精 确 度 达 到 ９ Ｏ ； Ｌ ａ ｓ ｈ ｅ ｒ ａ ｓ Ｅ ８ ］ 等 比较 了线 性相关法和秩相关 法在 聚合物识 别 中
光谱信号 接收角度对光谱信号强度 的影响 ， 获取最佳 的实验条件 。 并通过该平 台分析 １ １ 种塑料 的 ２ ２ ０ ０ 个样 品点 ，选用偏最小二乘算法 （ Ｐ Ｌ Ｓ ） 对谱 图数据进行建模分 析 ， 研究最优 的训 练集 和验证集 比例及最佳的 主成 分数 的选取方法 ，实现样品类别与样 品数据 的最 大相关 性 ， 达 到克 服背景干扰 、 提高分类精 度 的 目的。实验 结果 表明 ， 不替换干扰谱图时 ， 验证集样 品的分类精 度为 ９ ９ ． ８ ０ ， 测试集样 品的分类精度 为 ９ ９ ． 。 ９ ； 替换 掉干扰谱 图后 ， 验证集和测试集 的样 品分类精 度均达到 １ ０ ０ ， 且 分类 时间减少 。由此可 见 ， 激 光诱导击 穿 光谱与偏最小 二乘 方法结合可以成功 的用 于塑料样 品分类 。 关键 词 激 光诱 导击穿光谱 ； 塑料 ； 偏最小二乘 ；分类识别
第３ ７ 卷， 第１ １ 期
２ ０ １ ７年 １ １月
光
谱
学
与
光
谱
分
析
Ｖ ｏ Ｌ ３ ７ ， Ｎ ｏ ． １ １ ， ｐ ｐ ３ ６ ０ ０ — ３ ６ ０ ５
Ｎｏ ｖ ｅ ｍｂ ｅ ｒ ，２ ０ １ ７
Ｓ ｐ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｓ ｃ ｏ ｐ ｙ ａ ｎ ｄ Ｓ ｐ ｅ ｃ ｔ ｒ ａ ｌ Ａｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ
发 射光谱 （ ＡＥ Ｓ ） 技术 为基础 的元素分析 技术 ， 具 有多元 素 同 时分析 、无需样 品预 处理 ，检测 速度快 ， 对 样 品损 害小 ，不 受 塑料颜色影响等优 点 ， 应用 Ｌ Ｉ Ｂ Ｓ技术 对 塑料分 类 已成为 研究热点 。 近年来 ，部分国 内外学 者将 Ｌ Ｉ Ｂ Ｓ技 术与化 学计 量学 ＿ ６ ］ 的数据处理方法结合 ， 用于解决塑 料样 品分 类 。具有代 表性
析 精度 受样 品颜 色 的影 响 ；ｘ射 线衍射 法分 类 塑料 的种 类 少， 并且会对人体 造成 ｘ射线 辐射 。激光诱 导击 穿光 谱 （ １ ａ —
ｓ ｅ ｒ ｉ ｎ ｄ ｕ ｃ ｅ ｄ ｂ ｒ ｅ ａ ｋ ｄ ｏ ｗ ｎ ｓ ｐ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｓ ｃ ｏ ｐ ｙ ， Ｌ Ｉ Ｂ Ｓ ） Ｅ ５ ＿ 是 一 种 以原 子