本发明涉及材料检测领域，具体涉及一种基于激光诱导荧光技术的材料检测系统及使用方法。
背景技术：
对废旧塑料回收利用是解决塑料污染的重要手段之一。塑料种类很多，理化性能和用途也各不相同，若不做区分利用是对资源的巨大浪费。因此对废旧塑料制品按材质进行鉴别和细分，然后进行针对性加工有利于减少塑料污染，实现废弃物资源优化利用。
现有的塑料分类大多是通过分析塑料的物理特征如密度、静电、外观、溶解性、热解性等从而对塑料进行简单分类识别，但这种塑料分类的方式分选费时、识别效率低，无法满足现阶段的使用需求。
鉴于上述缺陷，本发明创作者经过长时间的研究和实践终于获得了本发明。
技术实现要素：
为解决上述技术缺陷，本发明采用的技术方案在于，提供一种基于激光诱导荧光技术的材料检测系统，所述材料检测系统包括固定模块、光路模块、分析模块，所述光路模块通过所述固定模块固定在实验平台上，所述分析模块与所述光路模块数据连接，所述固定模块用于调节所述光路模块位置，所述光路模块用于对待测试件进行检测，所述分析模块包括采集装置、分析装置，所述采集装置用于收集检测数据，所述分析装置用于分析处理所述检测数据；所述固定模块包括若干架体，所述架体包括转轴、夹持部，所述转轴和所述夹持部连接，所述夹持部用于夹持所述光路模块。
较佳的，所述架体还包括控制单元，所述转轴和所述夹持部通过所述控制单元连接，所述控制单元控制所述夹持部绕所述转轴转动。
较佳的，所述控制单元包括太阳轮、行星轮和齿圈，所述太阳轮设置在所述转轴上，所述行星轮与所述夹持部固定连接，所述行星轮设置在所述太阳轮和所述齿圈之间，并且所述行星轮和所述太阳轮、所述齿圈同时啮合连接。
较佳的，所述架体还包括固定部、第一活动部、第二活动部、第三活动部，所述固定部固定在实验平台上，所述第一活动部和所述固定部活动连接，所述第二活动部和所述第一活动部活动连接，所述第三活动部和所述第二活动部活动连接，所述转轴固定在所述第三活动部上。
较佳的，所述光路模块包括激光器、反射装置，所述激光器、所述反射装置通过所述架体固定在所述实验平台上，所述激光器用于提供激光，所述反射装置用于将所述激光作用在所述待测试件表面。
较佳的，一种使用所述的材料检测系统的使用方法，包括步骤，
s1，通过调节所述固定模块使所述光路模块发射的激光作用在所述待测试件上，使所述待测试件释放特征荧光；
s2，所述分析模块收集并分析所述特征荧光。
较佳的，s1具体步骤为，所述激光器作为激发光源，通过调节所述固定模块使所述激光器发射的激光束经过所述反射装置反射后，垂直作用在所述待测试件表面，所述待测试件置于所述实验平台上，所述待测试件吸收激光能量后释放特征荧光。
较佳的，s2具体步骤为，所述特征荧光被所述采集装置收集，所述分析装置对所述采集装置收集到的诱导荧光光谱进行处理分析计算得出所述待测试件的材料。
较佳的，所述处理分析过程包括预处理，所述预处理包括均值化处理和平滑处理，利用所述均值化处理和所述平滑处理对所述诱导荧光光谱数据进行所述预处理，去除量纲误差及噪声，获得预处理后数据。
较佳的，所述处理分析过程还包括数据对比，所述数据对比具体是预处理后光谱和材料标准光谱的比对，根据欧式距离对材料样品的所述预处理后数据进行聚类分析，并通过所述预处理的聚类分析数据和所述预处理后数据的差异性对样品荧光信息进行分类区分，建立材料光谱识别流程，从而对材料材质进行分类识别。
与现有技术比较本发明的有益效果在于：1，通过所述材料检测系统实现对塑料种类的识别，识别效率高，识别更为精准；2，通过所述固定组件对所述光路模块的位置调节及精确定位，保证较佳的激光传播路径，确保检测数据的精准性；3，通过所述风控装置保证所述载物平台的空气流通，避免激光作用所述待测试件所产生的烟雾对检测数据的影响；4，所述材料检测系统对不同材料进行荧光探测，获得材料荧光光谱数据，利用所述均值化处理和所述平滑处理的预处理方法对所述材料荧光光谱数据进行预处理，去除量纲误差及噪声，获得可靠的预处理后数据，根据所述欧式距离对材料样品的所述预处理后数据进行聚类分析，根据聚类分析数据和所述预处理后数据的差异性对样品荧光信息进行分类区分，以此作为不同材料区分的依据，建立材料光谱识别流程，为材料材质的分类识别提供新的方法参考；5，所述材料检测系统集成度较高，体积较小，便于携带，在实验室与外场环境中均可进行材料检测。
附图说明
图1是本发明材料检测系统的结构视图；
图2是本发明材料检测系统所述固定组件的结构视图；
图3是本发明材料检测系统所述控制单元的结构视图；
图4为未经所述预处理操作材质为abs的六个样品的荧光光谱图；
图5为所述均值化处理后材质为abs的六个样品的荧光光谱图；
图6为所述平滑处理后材质为abs的六个样品的荧光光谱图；
图7为本发明材料检测系统实施例五中九种不同材料的聚类分析树示意图；
图8为本发明材料检测系统实施例五中九种材料的识别流程图。
图中数字表示：
11-激光器；12-反射装置；13-聚焦装置；21-固定组件；22-载物平台；31-采集装置；32-分析装置；211-固定部；212-第一活动部；213-第二活动部；214-第三活动部；215-转轴；216-夹持部；217-控制单元；2171-太阳轮；2172-行星轮；2173-齿圈。
具体实施方式
以下结合附图，对本发明上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。
实施例一
请参见图1所示，图1为本发明基于激光诱导荧光技术的材料检测系统的结构视图，所述材料检测系统包括固定模块、光路模块、分析模块，所述固定模块用于将所述光路模块和待测试件进行位置固定；所述光路模块用于将激光作用在所述待测试件上，使所述待测试件释放特征荧光；所述分析模块收集并分析所述特征荧光。
所述光路模块包括激光器11、反射装置12、聚焦装置13；所述固定模块包括固定组件21、载物平台22；所述分析模块包括采集装置31、分析装置32。所述激光器11、所述反射装置12、所述聚焦装置13通过所述固定组件21固定在实验平台上，通过所述激光器11、所述反射装置12、所述聚焦装置13在所述固定组件21上的位置调整保证较佳的激光传播路径；所述载物平台22固定在所述实验平台上，所述待测试件固定在所述载物平台22上，所述载物平台22优选为二维旋转样品台，通过调节所述载物平台22控制所述待测试件的高度以及旋转角度，便于检测过程中选择较佳的激光照射位置；所述采集装置31与所述聚焦装置13固定连接，所述分析装置32与所述采集装置31、所述激光器11数据连接。
所述激光器11作为激发光源发射激光，所述激光经过所述反射装置12反射后垂直作用在所述待测试件表面，所述待测试件固定在所述载物平台22上，所述待测试件吸收所述激光能量后释放特征荧光，所述特征荧光经过所述聚焦装置13聚焦后被所述采集装置31收集，所述分析装置32对所述采集装置31收集到的光学数据进行分析计算得出所述待测试件的材料。
优选的，所述载物平台22为自动旋转平台，所述材料检测系统还设置步进电机，所述步进电机用于驱动所述载物平台22，所述激光器11工作时，所述载物平台22匀速旋转，确保激光均匀击打在样品表面，提高检测的准确性，反之所述激光器11停止工作时，所述步进电机亦停止工作。
实施例二
请参见图2所示，图2为本发明材料检测系统所述固定组件21优选结构的结构视图，所示的结构在实施例一的基础上进行了一些调整，具体之处在于所述固定组件21包括若干架体，所述激光器11、所述反射装置12、所述聚焦装置13通过所述架体固定在实验平台上。
所述架体包括固定部211、第一活动部212、第二活动部213、第三活动部214、转轴215、夹持部216，所述固定部211固定在所述实验平台上，所述第一活动部212和所述固定部211活动连接，所述第二活动部213和所述第一活动部212活动连接，所述第三活动部214和所述第二活动部213活动连接，所述转轴215固定在所述第三活动部214上，所述夹持部216与所述转轴215活动连接，所述夹持部216用于夹持所述激光器11、所述反射装置12或所述聚焦装置13。
通过所述第一活动部212和所述固定部211之间、所述第二活动部213和所述第一活动部212之间的活动，实现所述夹持部216在水平方向上的移动调节；通过所述第三活动部214和所述第二活动部213之间的活动，实现所述夹持部216在竖直方向上的移动调节。
所述架体还包括控制单元217，所述夹持部216和所述转轴215通过所述控制单元217活动连接。所述控制单元217为行星轮结构，包括太阳轮2171、行星轮2172和齿圈2173。所述太阳轮2171设置在所述转轴215上，所述行星轮2172与所述夹持部216固定连接，所述行星轮2172设置在所述太阳轮2171和所述齿圈2173之间，并且所述行星轮2172和所述太阳轮2171、所述齿圈2173同时啮合连接；所述行星轮2172优选设置为3个，并且以所述转轴215为中心环形均布，保证所述夹持部216和所述转轴215连接状态稳定；所述夹持部216设置刻度，显示所述夹持部216绕所述转轴215转动的角度。
通过转动所述齿圈2173实现所述夹持部216和所述转轴215之间的转动，从而调节固定在所述夹持部216上所述光路模块的位置状态；所述太阳轮2171和所述行星轮2172之间的传动解决了通过直接转动所述夹持部216无法实现的小角度精确转动；通过所述刻度的角度显示以及对所述齿圈2173的转动控制可使所述夹持部216旋转角度得到精确微调，提高所述材料检测系统整体控制的精准程度，避免激光传播路径的角度偏差造成的数据误差。
通过所述固定组件21对所述光路模块的位置调节，便于使用者对激光传播方向的控制，保证检测过程中较佳的激光传播路径，减少因激光传播路径的偏差引起的检测数据误差，确保检测数据的准确性，提高所述材料检测系统的检测精准程度。
实施例三
实施例三的结构在实施例二的基础上进行了一些调整，具体之处在于所述材料检测系统还包括风控模块。
在检测过程中激光作用在所述待测试件上时会产生烟雾，所述烟雾会对所述待测试件释放的荧光造成干扰，阻碍所述聚焦装置13对所述荧光的聚焦作用，使所述采集装置31所收集到的光学数据生产误差，降低荧光光学数据的可靠性，导致所述材料检测系统无法正确检测。
所述风控模块包括风机和风控单元，所述风机设置在所述载物平台22的侧面，优选的所述风机设置在所述聚焦装置13相对所述载物平台22的同侧位置，所述风机保证所述聚焦装置13和所述待测试件之间无烟雾阻碍；所述风控单元控制所述风机的风力大小，所述风机风力过小导致所述烟雾无法快速排出，造成所述烟雾对检测数据的影响；所述风机风力过大会产生较大的环境背景噪声，同时也会对检测数据造成干扰产生误差，通过所述风控单元对所述风机风力的控制，在保证所述烟雾快速排出的同时降低所述风机产生的环境背景噪声，提高所述检测数据的准确性。
通过所述风控装置及时将所述待测试件产生的烟雾清除，保证所述载物平台22上方的空气流通，避免所述烟雾对检测数据的影响，确保检测数据的准确性，提高所述材料检测系统的检测精准程度。
实施例四
实施例四的结构在实施例三的基础上进行了一些调整，具体之处在于所述材料检测系统还包括底板和金属外壳，所述光路模块和所述分析模块通过所述固定模块固定在所述底板上，所述金属外壳和所述底板密封连接形成内部空间，所述载物平台22、所述聚焦装置13和所述采集装置31均设置在所述内部空间内，所述金属外壳设置透光孔，所述底部设置所述风机，所述透光孔设置在所述载物平台22的正上方，所述风机设置在所述载物平台22的正下方，所述内部空间通过所述透光孔、所述风机与外界连接。激光通过所述透光孔垂直作用在放置于所述载物平台22上的所述待测试件表面；所述风机从所述内部空间内抽取空气，用于去除激光激发所述待测试件时产生的烟尘。
通过设置所述金属外壳，避免所述采集装置31采集所述待测试件释放的所述特征荧光数据时外界自然光对所述特征荧光数据的不良影响，提高所述材料检测系统的检测精准程度。
通过所述风机及时将所述待测试件产生的烟雾清除，保证所述载物平台22与所述采集装置31之间无烟雾阻碍，避免所述烟雾对检测数据的影响，确保检测数据的准确性，提高所述材料检测系统的检测精准程度。
通过将所述光路模块、所述分析模块、所述固定模块同时设置在所述底板上，使所述材料检测系统集成一体，可方便携带的，适用于外场环境中的材料检测，而不仅仅是在实验室中。
实施例五
一种使用所述材料检测系统的使用方法，具体步骤是，
s1，所述光路模块将激光作用在所述待测试件上，使所述待测试件释放特征荧光；
s2，所述分析模块收集并分析所述特征荧光。
s1具体步骤为，所述激光器11作为激发光源，所述激光器选用quantel公司的nd:yag四倍频固体激光器(波长为266nm，工作频率1-10hz可调，单脉冲激光能量为100mj,脉冲宽度6ns，激光束直径9mm)，通过调节所述固定模块使所述激光器发射的激光束经过266nm全反射透镜反射后，垂直作用在待测试件表面，所述待测试件置于所述载物平台上，避免激光重复打点，所述待测试件吸收激光能量后释放特征荧光。
s2具体步骤为，所述特征荧光经过所述聚焦装置13聚焦后被所述采集装置31收集，所述分析装置32对所述采集装置31收集到的诱导荧光光谱进行处理分析计算得出所述待测试件的材料。
具体处理分析过程包括预处理及数据对比。所述预处理包括均值化处理和平滑处理。所述数据对比具体是预处理后光谱和材料标准光谱的比对。
所述均值化处理是将数据矩阵中每个元素除以该元素所在列的均值得到的新的矩阵向量，矩阵每列的均值为1.对应的公式为，
其中，
经所述均值化处理后矩阵各指标变异系数先后不变，便于后期的所述数据对比。具体验证过程为
其中，λ1为均值化前各变量的变异系数，λ2为均值化后各变量的变异系数，xij为初始数据，
所述平滑处理利用检测物件多点所述光学数据(荧光强度)的平均值代替这几个点的中心点的荧光强度，以达到提高信噪比，降低噪声的目的。
如图4、图5、图6所示，图4为未经所述预处理操作材质为abs的六个样品的荧光光谱图，图5为所述均值化处理后材质为abs的六个样品的荧光光谱图，图6为所述平滑处理后材质为abs的六个样品的荧光光谱图。
在本发明中进行处理的数据为所收集到的诱导荧光光谱上的荧光强度，通过对所述荧光强度的所述中心化处理和所述均值化处理，减少实验过程中仪器因素、环境背景噪声对所述诱导荧光光谱造成的干扰误差，提高预处理后所述诱导荧光光谱的可靠性，消除不同光谱特征变量因量纲、数据分布范围差异等对研究对象造成的影响，便于后续的数据分析。通过所述平滑处理有效避免各仪器、环境等因素产生的噪声对所述诱导荧光光谱的影响，进一步减少误差。
为得到材料的所述材料标准光谱，利用所述均值化处理、所述平滑处理方法对实验检测的塑料标准样品诱导荧光光谱进行处理，得到均值标准化向量。将提取出样品特征波段对应的荧光强度构成一个9×9的数据矩阵，作为塑料样品荧光光谱特征矩阵。
通过对所述塑料样品荧光光谱特征矩阵中荧光光谱特征峰、特征峰所在波段以对应的极大值归一化值进行制作对比列表，其中特征峰位置通过所述标准样品诱导荧光光谱来界定，通过所述极大值归一化处理可清楚看出所述荧光光谱的次峰与主峰之间的相对强度关系，如表1所述，表1为本实施例九种不同材料的荧光光谱特征峰对比列表，九种材料为丙烯腈─丁二烯─苯乙烯共聚合物(abs)、高密度聚乙烯(hdpe)、聚酰胺66(pa66)、聚乳酸(pla)、聚丙烯(pp)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet)、聚苯乙烯(ps)、聚氯乙烯(pvc)、超高分子量聚乙烯(uhmwpe)。
表1九种不同材料的荧光光谱特征峰对比列表
通过对所述对比列表的数据分析，实现对不同材料的聚类分析，判断不同材料之间的相近程度。所述聚类分析通常采用距离系数、相似性系数来度量两个对象之间相似程度，其中距离系数是最为常用也最为直观的相似度度量方法。在本发明中的所述距离系数采用欧式距离。
所述欧式距离可以简单的描述多维空间中点与点之间的距离，所述欧式距离的公式为：
其中，x＝(x1,x2,…,xn)，y＝(y1,y2,…,yn)表示样本空间，dxy越小样品xy之间的相似程度就越大，反之相似程度越小。如图7所述，图7为九种塑料的聚类分析树示意图，通过对图7中数据进行所述欧式距离聚类分析得到。
图7中1-9号分别对应表2中的九种材质塑料，根据相似程度大致可分为2类，其中1、2、5、7、9在325nm、335nm、342nm波段附近有出峰，且在342nm波段附近存在主峰归结为一类，其余3、4、6、8在400nm波段附近有出现主峰，归结为第二类。从分子结构上看，第一大类中的塑料分子中只包含有c、h元素，而第二大类中4种塑料材质除了含有c、h元素外还包含o、n、cl等元素，造成了两者荧光光谱的差异性。
第一大类中2号塑料hdpe、9号uhmwpe、7号塑料ps相近系数低于0.2。其中2号hdpe(高密度聚乙烯)和9号uhmwpe(超高密度聚乙烯)同属于pe(聚乙烯)，相近系数低于0.1，其分子式同为(c2h4)n。两者在分子结构上有共同之处，差异性体现在物质的致密度。2号hdpe与7号ps的荧光光谱相似度较高，差别在于ps在350nm附近波段出有第二峰，两着相关系数差异接近0.2，可视为不同物物质。1号塑料abs和5号塑料pp差异性较大，除在波段325nm、335nm、342nm出峰外，1号在500nm波段附近、5号在468nm波段附近出峰，可作为区别两者的依据。
第二大类塑料样品的差异性较大，8号pvc主峰在440nm波段附近而其他三种样品3号、4号、6号主峰在400nm附近划分为两类物质，6号pet只有一个峰在400nm波段附近，而3号pa66、4号pla除在400nm附近出峰外。3号在325nm、340nm附近有次峰，4号在500nm附近有次峰，可作为区别次三种塑料材质的依据。
通过所述材料检测系统对未知待测试件的检测得出的所述预处理后光谱与材料标准光谱的比对，判断所述未知待测试件的材料，具体比对根据不同材料材质的荧光光谱差异，对塑料材质进行识别分析。如图8所示，图8为本实施例九种材料的识别流程图。
所述材料检测系统对不同材料尤其是不同材质塑料进行荧光探测，获得材料荧光光谱数据，利用所述均值化处理和所述平滑处理的预处理方法对所述材料荧光光谱数据进行预处理，去除量纲误差及噪声，获得可靠的预处理后数据，根据所述欧式距离对材料样品的所述预处理后数据进行聚类分析，根据聚类分析数据和所述预处理后数据的差异性对样品荧光信息进行分类区分，以此作为不同材料区分的依据。建立材料光谱识别流程，为材料材质的分类识别提供新的方法参考。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，对本发明而言仅仅是说明性的，而非限制性的。本专业技术人员理解，在本发明权利要求所限定的精神和范围内可对其进行许多改变，修改，甚至等效，但都将落入本发明的保护范围内。