NIR-M-F11，1350-2150，是裸板式的SMA905光纖接口模塊，支持USB、UART 通信，配合外置光源、反射探頭或反射式積分球、余弦校正器、比色皿支架等，可搭建較為靈活的光譜測(cè)量系統(tǒng)，用于反射或透射光譜測(cè)量，適合搭建式測(cè)量場(chǎng)景。
NIR-F310，1350-2150，是裸板模塊的基礎(chǔ)上，增加了保護(hù)殼體，防止液體或手汗接觸到電路板，對(duì)于非集成用戶，如實(shí)驗(yàn)室或工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量非常實(shí)用。
一、產(chǎn)品特點(diǎn)
- SMA905光纖接口，靈活搭建光路。配合外置光源、反射探頭或積分球、比色皿支架等，可搭建較為靈活的光譜測(cè)量系統(tǒng)。
- 超小體積，便于集成。僅掌心大小，便于微型透射測(cè)量集成開發(fā)，既可開發(fā)帶屏幕顯示設(shè)備，也可以用藍(lán)牙適配開發(fā)手機(jī)APP。
- 接口豐富，靈活通信。支持MicroUSB、Uart、藍(lán)牙等通信方式，可適配電腦、嵌入式板、單片機(jī)、手機(jī)等使用場(chǎng)景。
- 全面SDK適配，自由選擇開發(fā)平臺(tái)。支持Windows（C++、C#、Labview、Matlab、Qt）、Linux、Android、Keil單片機(jī)等各種開發(fā)平臺(tái)和語(yǔ)言。
二、應(yīng)用場(chǎng)景
三、技術(shù)參數(shù)
| 項(xiàng)目 | 參數(shù) | 描述 |
|---|---|---|
| 產(chǎn)品型號(hào) | NIR-F310 | SMA905接口光纖型光纖儀 |
| 波長(zhǎng)范圍 | 1350-2150nm | 近紅外常用波長(zhǎng)或波數(shù)表示范圍 |
| 光學(xué)分辨率 | Typ. 12 nm, Max. 14 nm | 常用峰值波長(zhǎng)半高寬表示 |
| 波長(zhǎng)精度 | Typ.±1 nm, Max.±2 nm | 測(cè)量峰值與校準(zhǔn)樣品峰值的波長(zhǎng)偏差 |
| 信噪比 | 6000:1 | 滿量程相對(duì)強(qiáng)度值與系統(tǒng)電子噪聲波動(dòng)值的比值 |
| 狹縫尺寸 | 25um | 光譜儀入光口狹縫，量產(chǎn)內(nèi)置，不可更改 |
| 通訊接口 | MicroUSB、UART、藍(lán)牙 | MicroUSB直連電腦，Uart用于串口 |
| 傳感器 | 溫濕度傳感器 | 用于顯示模塊內(nèi)部溫濕度值 |
| 供電 | 5V-300mA | USB供電、鋰電池供電或外置電源均可 |
四、原理介紹
4.1 化學(xué)原理
當(dāng)紅外光照射物體時(shí)，若物體中的分子選擇性吸收某些波長(zhǎng)的光，則會(huì)產(chǎn)生吸收光譜，通過對(duì)特征光譜進(jìn)行標(biāo)定和建模，可實(shí)現(xiàn)被測(cè)樣品的定性或定量分析。 通常情況下，由分子基頻振動(dòng)產(chǎn)生的吸收光譜在中紅外波段，對(duì)應(yīng)光譜范圍是2.5-25um，對(duì)應(yīng)波數(shù)范圍是4000-400cm-1；而分子振動(dòng)的倍頻或組合頻產(chǎn)生的吸收光譜范圍會(huì)落在近紅外波長(zhǎng)，對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)范圍是0.7-2.5um（即700-2500nm），對(duì)應(yīng)波數(shù)范圍是4000-14825cm-1。 有機(jī)化合物中有很多含氫基團(tuán)（X-H），而含氫基團(tuán)的一倍頻位于近紅外區(qū)，因此，近紅外測(cè)試效果最好的分子對(duì)象是含氫基團(tuán)，主要基團(tuán)如下圖：
4.2 光學(xué)原理
本型號(hào)近紅外光譜模組采用是光柵分光設(shè)計(jì)，光經(jīng)過狹縫（Slit）并準(zhǔn)直（Collimating）照射到光柵（Diffraction）上，由光柵分光后產(chǎn)生的不同波長(zhǎng)的光，并排射到數(shù)字鏡像陣列（DLP）反射鏡，通過編程控制每個(gè)微型反射鏡，依次把對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的光反射到單點(diǎn)InGaAs探測(cè)器上，再由ADC轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)并解析成光譜曲線。具體原理圖如下：
該光路最大的優(yōu)勢(shì)是把價(jià)格昂貴的傳統(tǒng)線陣InGaAs探測(cè)器，用價(jià)格便宜的單點(diǎn)探測(cè)器替代，同時(shí)依托臺(tái)灣中強(qiáng)光電在江蘇昆山的投影儀模組精密生產(chǎn)線實(shí)現(xiàn)了量產(chǎn)化，把單價(jià)10萬+的近紅外光譜儀，做到單價(jià)1萬+，進(jìn)而讓許多用不起的應(yīng)用場(chǎng)景變成了可能。 該光路實(shí)現(xiàn)把光源做了內(nèi)置處理，從而避免了光纖接入和外置光源配備，使得體積變得非常小，很適合于手持設(shè)備集成開發(fā)。
4.3 測(cè)量原理
反射型近紅外光譜儀主要用于接觸式測(cè)量物體的光譜反射率或吸光度。該反射率是基于標(biāo)準(zhǔn)白板作為參考計(jì)算得出，吸光度是由反射率（或透射率）進(jìn)行數(shù)學(xué)變換后的表達(dá)。
反射率或吸光度的測(cè)量流程如下：
反射率的計(jì)算公式如下：
其中R表示反射率（Reflectance），Sample是指樣品光譜，Reference是指參考光譜。
對(duì)反射率公式作數(shù)學(xué)變換可得到吸光度公式：
對(duì)于精度要求較高的用戶，可以再存儲(chǔ)一次暗背景，用于扣除光譜儀的電子噪聲基線（主要來自于InGaAs探測(cè)器和電路板），稱為暗背景。在流程圖上增加一個(gè)步驟即可：把光譜儀測(cè)量口避開物體，懸空朝下對(duì)著空氣，點(diǎn)擊測(cè)量，獲取暗背景光譜。
此時(shí)反射率的計(jì)算公式有所變化，具體如下：
其中R表示反射率（Reflectance），Sample是指樣品光譜，Reference是指參考光譜，Dark是暗背景光譜。
對(duì)反射率公式作數(shù)學(xué)變換可得到吸光度公式：
五、產(chǎn)品選型
5.1 按波長(zhǎng)范圍選型
因近紅外光譜儀種類和型號(hào)較多，會(huì)導(dǎo)致缺乏使用經(jīng)驗(yàn)的用戶不知如何選型。波長(zhǎng)范圍是近紅外光譜儀選型時(shí)最重要的指標(biāo)，不同范圍差價(jià)非常大。常用紅外光譜儀按照波長(zhǎng)范圍可以分為以下幾類：
| 波長(zhǎng)范圍 | 探測(cè)器類型 | 特點(diǎn) | 分子振動(dòng)頻 |
|---|---|---|---|
| 700-1100nm | 硅元素（Si） | 價(jià)格便宜，范圍短窄，有機(jī)分子識(shí)別能力能力差 | 多倍頻/混合頻 |
| 900-1700nm | 銦鎵砷（InGaAs） | 價(jià)格適中，范圍適中，有機(jī)分子識(shí)別能力適中 | 一倍頻/混合頻 |
| 900-2500nm | 銦鎵砷（InGaAs） | 價(jià)格較貴，范圍較廣，有機(jī)分子識(shí)別能力強(qiáng) | 一倍頻/混合頻 |
| 2.5um-25um | 銻砷銦（InAsSb） | 價(jià)格非常貴，體積大，有機(jī)分子識(shí)別能力非常強(qiáng) | 基頻 |
5.2 按預(yù)算價(jià)格范圍選型
紅外光譜儀不同原理和波長(zhǎng)范圍的價(jià)格差異很大，根據(jù)采購(gòu)預(yù)算，可以按照價(jià)格差異作如下分類：
| 波長(zhǎng)范圍 | 探測(cè)器類型 | 預(yù)算范圍 |
|---|---|---|
| 700-1100nm | 線陣或面陣CCD型 | 1-5萬 |
| 900-1700nm | DMD+單點(diǎn)InGaAs型 | 1-2萬 |
| 900-1700nm | 線陣InGaAs型 | 8-18萬 |
| 1350-2150nm | DMD+單點(diǎn)InGaAs型 | 4-6萬 |
| 900-2500nm | 線陣InGaAs型 | 20-30萬 |
| 2.5-25um | 傅里葉紅外 | 20-50萬 |
5.3 按測(cè)量光路場(chǎng)景選型
根據(jù)實(shí)際測(cè)量時(shí)使用的光路場(chǎng)景，如反射光路、透射光路或自行搭建光路，可選擇不同類型的光譜儀或模塊。下面僅對(duì)譜研互聯(lián)提供的各種型號(hào)進(jìn)行對(duì)比介紹：
反射型 NIR-M-R2
900-1700nm，內(nèi)置光源，裸板反射模塊，支持USB、UART 和藍(lán)牙通訊（需另配藍(lán)牙模塊），常用于手持設(shè)備開發(fā)，適用于接觸式反射光譜測(cè)量
透射型 NIR-M-T1
900-1700nm，透射型，內(nèi)置光源和準(zhǔn)直鏡，裸板透射模塊，支持USB、UART 通信，用于溶液的光譜透射率測(cè)量，可實(shí)現(xiàn)有機(jī)溶液快速定性和定量分析。
光纖型 NIR-M-F1
900-1700nm，光纖型，裸板光纖接口模塊，支持USB、UART 通信，SMA905 光纖接口，配合外置光源、反射探頭或反射式積分球、余弦校正器、比色皿支架等，可搭建較為靈活的光譜測(cè)量系統(tǒng)，用于反射或透射光譜測(cè)量，適合搭建式測(cè)量場(chǎng)景。
反射型 NIR-R210
900-1700nm，反射型，內(nèi)置鋰電池和藍(lán)牙模組，鋁合金殼體，支持LOGO 定制，支持USB、UART 和藍(lán)牙通訊，常用于手持設(shè)備開發(fā)，適用于接觸式反射光譜測(cè)量。
透射型 NIR-T210
900-1700nm，透射型，帶殼體，內(nèi)置光源和準(zhǔn)直鏡，支持USB、UART 通信，用于溶液的光譜透射率測(cè)量，可實(shí)現(xiàn)有機(jī)溶液快速定性和定量分析。
透射型 NIR-F310
900-1700nm，光纖型，帶殼體，支持USB、UART 通信，SMA905 光纖接口，配合外置光源、反射探頭或反射式積分球、余弦校正器、比色皿支架等，可搭建較為靈活的光譜測(cè)量系統(tǒng)，用于反射或透射光譜測(cè)量，適合搭建式測(cè)量場(chǎng)景。
反射型 NIR-M-R11
1350-2150nm，反射型，InGaAs 探測(cè)器，內(nèi)置四只鹵素?zé)簦С諹SB、UART 通信，常用于手持設(shè)備開發(fā)，適用于接觸式反射光譜測(cè)量
透射型 NIR-M-F11
1350-2150nm，光纖型，裸板光纖接口模塊，支持USB、UART 通信，SMA905 光纖接口，配合外置光源、反射探頭或反射式積分球、余弦校正器、比色皿支架等，可搭建較為靈活的光譜測(cè)量系統(tǒng)，用于反射或透射光譜測(cè)量，適合搭建式測(cè)量場(chǎng)景。
透射型 NIR-M-T11
1350-2150nm，透射型，內(nèi)置光源和準(zhǔn)直鏡，裸板透射模塊，支持USB、UART 通信，用于溶液的光譜透射率測(cè)量，可實(shí)現(xiàn)有機(jī)溶液快速定性和定量分析.
反射型 NIR-R310L
1350-2150nm，反射型，InGaAs 探測(cè)器，內(nèi)置四只鹵素?zé)簦瑑?nèi)置鋰電池和藍(lán)牙模組，鋁合金殼體，支持LOGO 定制，支持USB、UART 和藍(lán)牙通訊，常用于手持設(shè)備開發(fā)，適用于接觸式反射光譜測(cè)量。
光纖型 NIR-F310
1350-2150nm，光纖型，帶殼體，支持USB、UART 通信，SMA905 光纖接口，配合外置光源、反射探頭或反射式積分球、余弦校正器、比色皿支架等，可搭建較為靈活的光譜測(cè)量系統(tǒng)，用于反射或透射光譜測(cè)量，適合搭建式測(cè)量場(chǎng)景。
透射型 NIR-T210
1350-2150nm，透射型，帶殼體，內(nèi)置光源和準(zhǔn)直鏡，支持USB、UART 通信，用于溶液的光譜透射率測(cè)量，可實(shí)現(xiàn)有機(jī)溶液快速定性和定量分析。
六、訂購(gòu)信息
6.1 僅需要光譜儀或模塊用于集成或測(cè)試
對(duì)于僅用于集成，或自己做殼體的用戶，可直接購(gòu)買光纖型近紅外模塊，型號(hào)為NIR-M-F11。對(duì)于日常做測(cè)試的用戶，推薦采購(gòu)帶殼體模塊，型號(hào)為NIR-F310，可以避免濺水或手汗引發(fā)電路損壞。其中帶殼體的NIR-F310支持用戶自定義LOGO和型號(hào)。
| 產(chǎn)品名稱 | 型號(hào) | 數(shù)量 | 單價(jià) | 金額 |
|---|---|---|---|---|
| 光纖型近紅外光譜模塊 | NIR-M-F11 | 1 | 42350 | 42350 |
| 光纖型近紅外光譜儀 | NIR-F310 | 1 | 43450 | 43450 |
NIR-M-F11
NIR-F310
6.2 LED波長(zhǎng)測(cè)量光路
本光路用于近紅外LED的中心波長(zhǎng)和半高寬測(cè)試，具有極高的性價(jià)比，但由于分辨率僅有8-10nm，不適用于對(duì)分辨率要求很高的激光器半高寬測(cè)試。若需要對(duì)LED的光功率進(jìn)行測(cè)試，需要對(duì)該積分球光路做輻射定標(biāo)，即把光譜儀測(cè)得的相對(duì)光譜值轉(zhuǎn)為絕對(duì)光功率值，再計(jì)算總功率。輻射定標(biāo)服務(wù)一般由中國(guó)計(jì)量院或各地計(jì)量院提供，屬于收費(fèi)項(xiàng)目。
| 產(chǎn)品名稱 | 型號(hào) | 數(shù)量 | 單價(jià) | 金額 |
|---|---|---|---|---|
| 光纖型近紅外光譜模塊 | NIR-F310 | 1 | 43450 | 43450 |
| 積分球 | SP-T36 | 1 | 1200 | 1200 |
| 近紅外光纖 | FB-N600-1M-PV | 1 | 680 | 680 |
| 合計(jì) | 45330 |
SP-T36
NIR-F310
6.3 液體透射光路
在以油品為代表的有機(jī)溶液分析中，最常采用的是比色皿支架光路，取適量溶液放在比色皿中，再把比色皿放置到支架內(nèi)，進(jìn)行透射率或吸光度測(cè)量。可根據(jù)樣品量，選擇標(biāo)準(zhǔn)10MM或微量比色皿。比色皿至少備2只，一個(gè)不裝樣品，用于存參考光譜；一個(gè)用于裝樣品，用于測(cè)樣品光譜。
| 產(chǎn)品名稱 | 型號(hào) | 數(shù)量 | 單價(jià) | 金額 |
|---|---|---|---|---|
| 光纖型近紅外光譜模塊 | NIR-F310 | 1 | 43450 | 43450 |
| 近紅外光源 | LS-HM-P1 | 1 | 2800 | 2800 |
| 液體比色皿支架 | PD-LT-L10 | 1 | 2600 | 2600 |
| 近紅外光纖 | FB-N600-1M-PV | 2 | 680 | 1360 |
| 合計(jì) | 50210 |
PD-LT-L10
LS-HM-P1
6.4 固體透射光路
對(duì)于濾光片、鍍膜、鏡片、透明塑料等固體薄片樣品的透射率或吸光度測(cè)量，需要用固體透射支架搭建透射光路。 該光路有兩種方式。一種是準(zhǔn)直鏡發(fā)射、準(zhǔn)直鏡接收光路，適用于光源較弱或透射率較低的場(chǎng)景；一種是準(zhǔn)直鏡發(fā)射、積分球接收光路，適用于光源較強(qiáng)或透射率較高的場(chǎng)景。
準(zhǔn)直鏡發(fā)射----準(zhǔn)直鏡接收透射光路
| 產(chǎn)品名稱 | 型號(hào) | 數(shù)量 | 單價(jià) | 金額 |
|---|---|---|---|---|
| 光纖型近紅外光譜模塊 | NIR-F310 | 1 | 43450 | 43450 |
| 近紅外光源 | LS-HM-P1 | 1 | 2800 | 2800 |
| 固體透射支架 | PD-ST-H330 | 1 | 3200 | 3200 |
| 近紅外光纖 | FB-N600-1M-PV | 2 | 680 | 1360 |
| 合計(jì) | 50810 |
準(zhǔn)直鏡發(fā)射----積分球接收透射光路
| 產(chǎn)品名稱 | 型號(hào) | 數(shù)量 | 單價(jià) | 金額 |
|---|---|---|---|---|
| 光纖型近紅外光譜模塊 | NIR-F310 | 1 | 43450 | 43450 |
| 近紅外光源 | LS-NIR100 | 1 | 5600 | 5600 |
| 固體透射支架 | PD-ST-H330 | 1 | 3200 | 3200 |
| 積分球 | SP-T36 | 1 | 1200 | 1200 |
| 近紅外光纖 | FB-N600-1M-PV | 2 | 680 | 1360 |
| 合計(jì) | 54810 |
PD-ST-H330
LS-HM-P1
LS-NIR100
七、典型光譜
近紅外光譜最常使用的是吸光度模式，如何由原始光譜圖計(jì)算得出吸光度，可參見第四章第3節(jié)測(cè)量原理。對(duì)于透明樣品，最好是墊上白板，把透過的光再反射回樣品并進(jìn)入光譜儀測(cè)量口，以增加光穿過樣品的光程。在大多數(shù)反射測(cè)量中，光譜數(shù)據(jù)的絕對(duì)吸光度不宜直接使用，應(yīng)先做歸一化等預(yù)處理。
標(biāo)準(zhǔn)白板原始光譜圖
塑料ABS吸收光譜圖
大豆吸收光譜圖
人體皮膚吸收光譜圖
植物葉片吸收光譜圖
