一种基于近红外光谱仪的可降解材料检测系统

技术领域

本发明属于可降解材料检测技术领域，具体是指一种基于近红外光谱仪的可降解材料检测系统。

背景技术

中国是全球最大的塑料生产国与消费国。而绝大多数塑料在自然界中很难降解，使用后会产生大量废弃物，造成环境污染。随着生物可降解材料技术发展，使用可降解的生物塑料去替代传统塑料制品，使塑料制品可生物降解化，可降解材料能被微生物完全分解，对环境有积极的作用。

可降解材料因其能够降解和/或产生所需的降解产物而已用于多种应用。一种这样的应用是将可降解材料用作包装材料和其他一次性材料，以利于可摄取材料的销售、消费。此类一次性材料是消费者和零售商所期望的，因为它们在使用后可简单地处置，不必像餐盘、餐具等一样进行洗涤和清洁。遗憾的是，此类包装和一次性材料的广泛和日益增长的使用造成了越来越多的垃圾和废物需要进行处理。这种垃圾或废物被投进垃圾焚烧炉或堆积在垃圾场。这些废弃物处置方法会导致许多环境问题。

为了更好的推动绿色消费和加强环境保护，需要对塑料制品进行可降解检测。而传统的生物降解能力测试耗时长、操作繁杂，使用设备体积庞大，同时对专业人员专业性要求高，使得可降解材料检测时间成本和人工成本较大。

发明内容

针对上述情况，为克服现有技术的缺陷，本发明提供了一种基于近红外光谱仪的可降解材料检测系统，利用常见的生物可降解材料在红外特征峰位置，通过近红外光谱仪，建立数据模型，采集待测样品光谱图，与数据模型进行匹配，从而得出该待测样品是否为可降解材料的结果。

本发明采取的技术方案如下：本发明一种基于近红外光谱仪的可降解材料检测系统，包括有近红外光谱仪和计算机，计算机内安装有用于可降解材料快速检测的Test软件程序，计算机通过Test软件程序控制近红外光谱仪采集待测可降解材料样品的红外光谱图；Test软件程序基于三种算法：PCA(Principal Component Analysis)主成分分析方法、t-SNE(t-distributed stochastic neighbor embedding)算法和SIMCA(SoftIndependent Modeling of Class Analogy)算法，计算机通过近红外光谱仪获取材料样品的光谱信息并传输至Test软件程序，通过PCA主成分分析方法对材料样品进行主成分分析，将得到的主成分信息通过t-SNE算法进行反复迭代获得高正确性的、相似度好的数据信息，最终通过SIMCA算法建立回归模型，然后依据该模型对材料进行分类，即分布试探将该未知材料与各样本的类模型进行拟合。

作为优选的，近红外光谱仪远离计算机的一侧固定安装有接口面板，接口面板的外表面安装有控制电源开关、USB输入接口、网络输入接口和系统电源输入接口；接口面板上安装的USB输入接口上连接有用于控制计算机的外接输入设备，外接输入设备为鼠标、键盘或USB分线器；通过接口面板实现外接输入设备与系统的连接，并从外端对整个系统进行控制。

作为优选的方案，近红外光谱仪和计算机集成在底壳上，近红外光谱仪的输出端与计算机的输入端电性连接，输入端与系统电源进行电性连接，系统电源的输入端与系统电源输入接口电性连接；系统电源直接对整个系统内部的面孔进行供电并驱动其正常工作。

进一步地，近红外光谱仪的上表面设置有检测区，在计算机上方有触摸屏，触摸屏的输出端与计算机的输入端电性连接；计算机控制近红外光谱仪和触摸屏进行工作，并对得到的实验数据进行分析处理。

作为优选的，近红外光谱仪在检测区的周围包覆有石墨烯散热膜，石墨烯散热膜的周侧设置有散热器，并在安装近红外光谱仪和计算机的底壳的底部开设有散热口；底壳的底部设置有缓冲底座，底壳的前部设置有背板，底壳与背板扣装连接。

优选的，近红外光谱仪的侧部设置有光谱仪主板，光谱仪主板的下部连接有光谱仪核心模块；计算机的下部安装有计算机主板风扇，计算机主板风扇正对底壳底部开设的散热口；检测区的上部设置有检测压件，触摸屏的下部设置有散热风扇。

作为优选的，检测压件包括有固定柱，固定柱上活动安装有可调节升降杆，可升降调节杆的顶部设置有旋钮，可调节升降杆的末端连接有检测压头；通过旋钮带动可升降调节杆在固定柱上升降，进而带动检测压头对样品进行压整。

在本方案中，近红外光谱仪包括有发光模块、聚光模块检测模块、干涉模块、数据处理模块和数据传输模块，数据处理模块电性连接发光模块、检测模块和干涉模块，并通过数据传输模块电性连接计算机；整个近红外光谱仪内部进行细分，并通过与计算机连接实现控制。

作为优选的，触摸屏与计算机的连接处设置有电性连接插槽，触摸屏上设置有电性连接插头，电性连接插头插入到电性连接插槽中实现触摸屏与计算机自由电性连接与拆装；触摸屏与整个系统可实现自由电性连接与拆装，以便于对触摸屏进行更换，并能够调节触摸屏的尺寸大小和性能。

作为进一步阐述的方案，基于近红外光谱技术的可降解材料快速检测系统的检测方法，具体包括如下步骤：

S1、系统电源输入接口接通电源线，启动控制电源开关，红外光谱仪、计算机和触摸屏正常开机；

S2、计算机控制近红外光谱仪内的发光模块、聚光模块、检测模块、干涉模块、数据处理模块和数据传输模块，经过检测模块的信号通过数据处理模块得到近红外光强谱图数据，并通过数据传输模块传输至计算机；

S3、先对无样品时的检测区进行测量，得到测量背景光谱图数据，然后将样品放至检测窗口，测量被测样品光谱图数据；

S4、通过计算机计算被测样品对各波长的吸光度，并将测量波长范围内的吸光度传输给触摸屏，呈现样品的红外光谱图；

S5、计算机通过红外光谱图与Test软件程序中的通过算法构建的数据模型进行比对，给出待测样品是否可降解的判定结果，并将结果传输给触摸屏进行显示。

采用上述结构本发明取得的有益效果如下：本方案的基于近红外光谱仪的可降解材料检测系统，系统模型构架采用多层级网络式，增加可分类的样品种类，层层细分以得到最匹配的结果，使用人员只需要该单一设备就可以完成检测，同时操作简单方便，检测速度快，对检测人才专业性要求也不高，计算机进行计算避免了人为操作对结果产生影响，保证了精确度又节约了时间，同时适用于普通大众。

附图说明

图1为本方案的基于近红外光谱仪的可降解材料检测系统的整体结构示意图；

图2为本方案的立体结构示意图一；

图3为本方案的立体结构示意图二；

图4为本方案的俯视图一；

图5为本方案的仰视图；

图6为本方案的左视图；

图7为本方案的主视图一；

图8为本方案的右视图；

图9为本方案的主视图二；

图10为本方案中的模块组成图；

图11为本方案中基于近红外光谱仪的可降解材料的检测方法流程图。

其中，1、近红外光谱仪，2、计算机，3、检测区，4、触摸屏，5、底壳，6、散热口，7、缓冲底座，8、背板，9、光谱仪核心模块，10、系统电源，11、检测压件，12、光谱仪主板，13、散热风扇，14、固定柱，15、可调节升降杆，16、检测压头，17、控制电源开关，18、USB输入接口，19、网络输入接口，20、系统电源输入接口，21、发光模块，22、聚光模块。

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1-10所示，基于近红外光谱技术的可降解材料快速检测系统，包括有近红外光谱仪1和计算机2，计算机2内安装有用于可降解材料快速检测的Test软件程序，计算机2通过Test软件程序控制近红外光谱仪1采集待测可降解材料样品的红外光谱图。

Test软件程序基于三种算法：PCA(Principal Component Analysis)主成分分析方法、t-SNE(t-distributed stochastic neighbor embedding)算法和SIMCA(SoftIndependent Modeling of Class Analogy)算法，计算机2通过近红外光谱仪1获取材料样品的光谱信息并传输至Test软件程序，通过PCA主成分分析方法对材料样品进行主成分分析，将得到的主成分信息通过t-SNE算法进行反复迭代获得高正确性的、相似度好的数据信息，最终通过SIMCA算法建立回归模型，然后依据该模型对材料进行分类，即分布试探将该未知材料与各样本的类模型进行拟合。

如图5所示，近红外光谱仪1在检测区3的周围包覆有石墨烯散热膜，石墨烯散热膜的周侧设置有散热器，并在安装近红外光谱仪1和计算机2的底壳5的底部开设有散热口6；底壳5的底部设置有缓冲底座7，底壳5的前部设置有背板8，底壳5与背板8扣装连接。

如图6-7所示，近红外光谱仪1的侧部设置有光谱仪主板12，光谱仪主板12的下部连接有光谱仪核心模块9；计算机2的下部安装有计算机主板风扇，计算机主板风扇正对底壳5底部开设的散热口6；检测区3的上部设置有检测压件11，触摸屏4的下部设置有散热风扇13，检测压件11包括有固定柱14，固定柱14上活动安装有可调节升降杆15，可升降调节杆15的顶部设置有旋钮，可调节升降杆15的末端连接有检测压头16，触摸屏4与计算机2的连接处设置有电性连接插槽，触摸屏4上设置有电性连接插头，电性连接插头插入到电性连接插槽中实现触摸屏4与计算机2自由电性连接与拆装

如图8-9所示，近红外光谱仪1远离计算机2的一侧固定安装有接口面板，所述接口面板的外表面安装有控制电源开关17、USB输入接口18、网络输入接口19和系统电源输入接口20，接口面板5上安装的USB输入接口上连接有用于控制计算机2的外接输入设备，外接输入设备为鼠标、键盘或USB分线器，近红外光谱仪1包括有发光模块21、聚光模块22、检测模块、干涉模块、数据处理模块和数据传输模块，数据处理模块电性连接发光模块、检测模块和干涉模块，并通过数据传输模块电性连接计算机2，近红外光谱仪1和计算机2集成在底壳5上，近红外光谱仪1的输出端与计算机2的输入端电性连接，输入端与系统电源10进行电性连接，系统电源10的输入端与系统电源输入接口20电性连接。近红外光谱仪1的上表面设置有检测区3，在计算机2上方有触摸屏4，触摸屏4的输出端与计算机2的输入端电性连接。

基于近红外光谱技术的可降解材料快速检测系统，如图11所示，检测流程如下：

S1、系统电源输入接口20接通电源线，启动控制电源开关17，红外光谱仪1、计算机2和触摸屏4正常开机；

S2、计算机2控制近红外光谱仪1内的发光模块21、聚光模块22、检测模块、干涉模块、数据处理模块和数据传输模块，经过检测模块的信号通过数据处理模块得到近红外光强谱图数据，并通过数据传输模块传输至计算机2；

S3、先对无样品时的检测区3进行测量，得到测量背景光谱图数据，然后将样品放至检测窗口，测量被测样品光谱图数据；

S4、通过计算机2计算被测样品对各波长的吸光度，并将测量波长范围内的吸光度传输给触摸屏4，呈现样品的红外光谱图；

S5、计算机2通过红外光谱图与Test软件程序中的通过算法构建的数据模型进行比对，给出待测样品是否可降解的判定结果，并将结果传输给触摸屏4进行显示。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

以上对本发明及其实施方式进行了描述，这种描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。总而言之如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。