(19)中华 人民共和国 国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202111543017.8 (22)申请日 2021.12.16 (71)申请人 江苏大学 地址 212013 江苏省镇江市京口区学府路 301号 (72)发明人 李彦旭　施芳菲　李星蓉　 (51)Int.Cl. G01N 27/60(2006.01) G06F 30/20(2020.01) (54)发明名称 一种基于静电探测技术的饮料瓶材质识别 方法 (57)摘要 本发明公开了一种基于静电探测技术的饮 料瓶材质识别方法， 首先建立Ansoft  Maxwell  3D材质识别等效模型， 对被测材质表面的电场分 布情况进行仿真和分析， 为通过感应电荷的方式 测量材质表 面电荷的方法奠定基础； 接着构建金 属电极板与被测材质之间的数学模 型， 推导出电 极板上的感应电流公式； 然后选择合适的参数代 入公式进行信号的仿真， 为实测信号提供依据； 最后选取典型的饮料瓶材质， 搭建实验平台， 对 实验采集的静电信号进行特征量提取以及材质 的分类识别。 所述的分类识别方法可应用于废弃 饮料瓶的分类回收， 对于目前人工回收、 分拣效 率低和环 境污染等问题， 能够提高废旧饮料瓶的 回收效率、 节约回收成本、 促进能源的可再生利 用以及保护环境。 权利要求书2页 说明书6页 附图6页 CN 114371210 A 2022.04.19 CN 114371210 A 1.一种基于静电探测技 术的饮料瓶材质识别方法， 其特 征在于， 包括如下步骤： 步骤1： 建立Ansoft  Maxwell 3D材质识别等效模型， 对被测 材质表面 的电场分布情况 进行仿真和分析； 步骤2： 构建金属电极板与被测材质之间的数 学模型， 推导出电极板的感应电流公式； 步骤3： 选择合 适的参数代入公式进行仿真， 为后续的实测波形提供依据； 步骤4： 选取饮料瓶材质， 对 采集的静电信号进行 特征量提取以及材质的分类识别。 2.根据权利要求1所述的一种基于静电探测技术的饮料瓶材质识别方法， 其特征在于， 所述步骤1的实现包括： 1.1)选择求解器类型为： Maxwell>Solution  Type>Electric>Electrostatic， 创建金 属电极板、 被测材质、 绝缘层、 铝板和空气柱模块， 创建计算区域； 其中金属电极板用于感应 靠近和接触被测材质时产生的电流； 绝缘层的作用是将被测材质与大地隔离， 可以有效减 缓导体上的电荷泄放； 铝板起接地作用； 空气柱的作用是更细化的剖分计算区域， 使计算结 果更精确， 通过仿真得到被测材质表面的电场能量分布情况； 1.2)设置金属电极板和被测材质模块的激励， 设置计算参数和自适应计算参数， 仿真 被测材质表面的电场情况； 1.3)在金属电极板上设置一个测量点， 该点随着金属电极板的运动过程每一个步长测 一次电压， 通过运行得到电压随距离变化的信号图， 为后期通过检测感应电流来识别材质 的方式奠定基础。 3.根据权利要求2所述的一种基于静电探测技术的饮料瓶材质识别方法， 其特征在于， 所述被测材 料面积为25 cm2， 电极板面积为0.25 cm2， 空气柱高度为2cm。 4.根据权利要求1所述的一种基于静电探测技术的饮料瓶材质识别方法， 其特征在于， 所述步骤2的实现包括： 2.1)建立材质识别 模型的空间坐标系， 设置参数； 假设被测材质表面电荷均匀分布， 电 荷量为Q(C)， 被测材质等效面积为S(cm2)， 材质表面电荷密度为 金属电极等效面积为 s(cm2)， 假设被测材质表面上有一点电荷为p， 金属电极板中心为o ’， p点到o’的距离为r (cm)， po’与oo’之间的夹角为θ， 金属电极板与被测材质之间的距离为d(cm)， 当金属电极板 接触‑远离被测材质时， 两者之间最大的距离为D(cm)。 若金属电极板与被测材质不发生接 触， 那么两者之间最小的距离为D0(cm)， 金属电极板运动的频率为f(HZ)， 金属电极板与被 测材质靠近时的电荷衰减因子为 金属电极板与被测材质接触 时的电荷泄放因子为α， 金 属电极板与被测材质接触次数为n， 静电常量为k， 被测材质介电常数为ε， 真空中的介电常 数为 ε0； 2.2)根据设置的参数对感应电流进行推导， 得出点电荷p在金属极板中心位置处形成 的场强为 o’的总电场强度为 其中x， y分别为p点电荷 在x轴和y轴方向上的位置所对应的值。权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 114371210 A 2金属电极上的感应电荷为 靠近‑远离和接触 ‑远离的感应电流分别为 5.根据权利要求1所述的一种基于静电探测技术的饮料瓶材质识别方法， 其特征在于， 所述步骤3中的仿真选定的参数分别为s＝2cm2， S＝25cm2， f＝2Hz， Q＝10‑7C， D＝5cm， D0＝ 2cm， ε＝2.5， 利用Matlab对步骤2仿真， 得到靠近 ‑远离以及接触 ‑远离的感应电流随时间变 化的信号图， 根据仿真信号波形 的差异性， 表明可以对不同材质静电信号的差异性进行分 析， 从而提取出能够代表信号的特征量， 和选取分类算法对信号进 行区分， 进而识别材质的 种类。 并且仿真的信号波形为实测波形的幅值和衰减趋势提供一定的依据。 6.根据权利要求1所述的一种基于静电探测技术的饮料瓶材质识别方法， 其特征在于， 所述步骤4是实现包括： 采集不同的饮料瓶材质各50组， 根据静电信号进行特征量分析， 采用时域频域结合的 方法， 选取了时域的电荷泄方 因子、 3秒内正峰值个数和频域的前两个最大值均值这三种特 征量； 选择分类识别算法对其进行分类识别。 7.根据权利要求6所述的一种基于静电探测技术的饮料瓶材质识别方法， 其特征在于， 所述分类识别算法包括SVM算法。 8.根据权利要求1所述的一种基于静电探测技术的饮料瓶材质识别方法， 其特征在于， 所述步骤4的实现还包括搭建实验平台， 用于采集待测饮料瓶静电信号； 实验平台包括： 接 触‑分离装置、 金属电极板、 被测材质、 示波器、 静电探测电路和电源； 具体构 造： 整个实验 结 构为在高绝缘性能的材质上放置一张具有一定厚度且电荷分布均匀的正方形被测材质， 其 中绝缘材质的作用是使被测材质与地面进行隔离； 在绝缘材质下方放置一张正方形铝板， 起接地作用， 通过接触 ‑分离装置使金属电极板与被测材质进行反复的接触 ‑远离操作； 其 中静电感应信号检测电路主要包括金属电极板、 电流 ‑电压转换电路、 放大电路和低通滤波 器电路； 整个被测材质的静电感应信号检测方法为： 接触 ‑分离装置将金属电极板反复接触 ‑远 离被测材质， 从而产生静电感应电流； 接着通过电流 ‑电压转换电路使检测的静电感应电流 信号转换成电压信号； 然后通过放大电路使电压信号放大， 利于后端电路获取； 最后通过低 通滤波器电路得到实测的材质表面静电泄放信号， 该信号波形 呈现在示波器中。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 114371210 A 3