4. 光电传感器与相机选型实战

光电分选设备的识别能力，首先取决于“看得见什么”和“看得多快”。传感器与相机的选型不是简单追求高像素、高帧率，而是要让光学系统、物料运动速度与执行机构三者匹配。本节围绕物料特性、分选精度、分辨率、帧率与曝光时间这几个核心参数，给出可落地的选型思路与计算示例。

一、先明确物料特性，再谈传感器类型

选型的第一步是描述物料本身。需要关注的关键特性包括：物料尺寸范围、表面颜色与纹理、是否需要识别内部缺陷、是否依赖近红外或紫外波段、物料在输送带上的运动速度与散布密度、以及环境粉尘与光照条件。这些特性直接决定传感器类型。

常见的光电传感器类型及其适用场景如下：

• 可见光彩色相机（面阵或线阵）：适合按颜色、形状、表面纹理分选，如塑料瓶片、粮食、果蔬。彩色相机能提供RGB信息，是颜色分选的主力。
• 黑白/单色相机：在仅需亮度差异或配合特定波段滤光片时使用，灵敏度高、成本低，常用于近红外成像或形状检测。
• 近红外（NIR）相机或光谱传感器：用于识别颜色相近但材质不同的物料，如不同种类塑料、异物与粮食的区分。NIR对水分、有机物成分敏感。
• 激光传感器/光电对射传感器：用于简单的有无检测、位置触发或剔除确认，不承担复杂识别任务。
• 高光谱成像：精度最高但数据量大、帧率受限，适合实验室或低速高精度场景。

例如，分选透明PET与浅色PVC瓶片时，可见光相机难以区分，应优先考虑NIR传感器；而分选彩色塑料颗粒时，彩色线阵相机配合合适光源即可满足。选型时应先回答“靠什么物理量区分物料”，再决定传感器类型。

二、分辨率：由最小缺陷尺寸与视场决定

分辨率选型的核心是：相机在物料表面能分辨的最小特征，必须小于需要检出的最小缺陷或最小杂质尺寸。工程上通常要求一个缺陷至少覆盖2～3个像素，才能稳定识别。

以线阵相机为例，设视场宽度为 W（mm），相机单行像素数为 N，则横向空间分辨率（每像素对应实际尺寸）为：

像素分辨率 = W / N   (mm/像素)

例：视场宽度 W = 800 mm，线阵相机 4096 像素
像素分辨率 = 800 / 4096 ≈ 0.195 mm/像素

若最小杂质尺寸为 0.5 mm，则杂质约占 0.5 / 0.195 ≈ 2.6 像素
满足“至少2～3像素”的识别要求，可选 4096 像素相机。

若计算结果显示缺陷不足2像素，则应提高像素数或缩小视场。面阵相机同理，需同时考虑横向和纵向分辨率。需要注意的是，提高分辨率会降低单像素进光量，可能要求更强光源或更长曝光时间，进而影响帧率，因此分辨率与帧率需要联合权衡。

三、帧率与曝光时间：跟得上物料速度

帧率必须保证物料在相邻两帧之间的位移不超过允许值，否则会漏检或定位不准。对于线阵相机，扫描频率（行频）与输送带速度的关系为：

行频 f = 输送带速度 v / 像素分辨率

例：v = 2 m/s = 2000 mm/s，像素分辨率 0.195 mm/像素
行频 f = 2000 / 0.195 ≈ 10256 行/秒

即线阵相机行频需不低于约 10.3 kHz，才能保证纵向不压缩、不遗漏。

对于面阵相机，设帧率为 F（帧/秒），物料速度为 v，则相邻帧间位移为 v/F。若要求位移不超过1个像素对应的实际尺寸，则帧率需满足 F ≥ v / 像素分辨率。实际工程中常留1.5～2倍余量。

曝光时间是另一个约束：曝光期间物料移动会造成运动模糊。若允许模糊不超过1个像素，则曝光时间 t 应满足 t ≤ 像素分辨率 / v。上例中 t ≤ 0.195/2000 ≈ 97.5 μs。这意味着光源必须有足够亮度在不足100微秒内完成成像，否则需降低带速或提高光源功率。

四、选型参数关系一览

下面的关系图把物料特性、传感器类型、分辨率、帧率与曝光时间之间的约束关系集中呈现，便于在实战中快速定位瓶颈所在。

五、实战示例：塑料瓶片分选选型

假设某回收线需从混合塑料瓶片中分选出浅蓝色PET与白色HDPE，带速1.5 m/s，视场宽度600 mm，要求检出最小0.8 mm的异色杂质。按前述方法推演：

1. 区分依据是颜色差异，选择彩色线阵相机；若还需区分材质，可增加NIR通道。
2. 像素分辨率要求：0.8 mm杂质至少覆盖2像素，则像素分辨率 ≤ 0.4 mm/像素。视场600 mm，所需像素数 ≥ 600/0.4 = 1500，选2048像素线阵相机，实际像素分辨率约0.293 mm/像素，杂质约占2.7像素，满足要求。
3. 行频：v = 1500 mm/s，行频 = 1500/0.293 ≈ 5120 行/秒，选行频不低于8 kHz的相机留余量。
4. 曝光时间：t ≤ 0.293/1500 ≈ 195 μs，需配置高频LED线光源，保证该曝光时间内照度充足。

若实际测试发现浅蓝与白色在RGB下对比度不足，则应改用NIR相机或增加特定波段滤光片，而不是盲目提高分辨率。这说明传感器类型的选择优先于参数堆叠。

六、选型校核清单

在确定方案前，建议逐项核对以下内容，避免参数之间相互矛盾：

选型的本质是在“识别精度、处理速度、光照条件、成本”之间找到平衡点。先由物料特性锁定传感器类型，再用分辨率、帧率与曝光时间三个公式互相校核，最后通过小样测试验证对比度与漏检率，才能得到真正可用的方案。