NIR-M-F1，900-1700nm，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量系統(tǒng)，用于反射或透射光譜測量，適合搭建式測量場景。
NIR-F210，900-1700nm，是裸板模塊的基礎(chǔ)上，增加了保護殼體，防止液體或手汗接觸到電路板，對于非集成用戶，如實驗室或工業(yè)現(xiàn)場測量非常實用。
一、產(chǎn)品特點
- 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量系統(tǒng)。
- 超小體積，便于集成。僅掌心大小，便于微型透射測量集成開發(fā)，既可開發(fā)帶屏幕顯示設(shè)備，也可以用藍牙適配開發(fā)手機APP。
- 接口豐富，靈活通信。支持MicroUSB、Uart、藍牙等通信方式，可適配電腦、嵌入式板、單片機、手機等使用場景。
- 全面SDK適配，自由選擇開發(fā)平臺。支持Windows（C++、C#、Labview、Matlab、Qt）、Linux、Android、Keil單片機等各種開發(fā)平臺和語言。
二、應(yīng)用場景
三、技術(shù)參數(shù)
| 項目 | 參數(shù) | 描述 |
|---|---|---|
| 產(chǎn)品型號 | NIR-F210 | 結(jié)合外置光源及光纖靈活搭建光路 |
| 波長范圍 | 900-1700nm | 近紅外常用波長或波數(shù)表示范圍 |
| 光學(xué)分辨率 | Typ. 10 nm, Max. 12 nm | 常用峰值波長半高寬表示 |
| 波長精度 | Typ.±1 nm, Max.±2 nm | 測量峰值與校準樣品峰值的波長偏差 |
| 信噪比 | 6000:1 | 滿量程相對強度值與系統(tǒng)電子噪聲波動值的比值 |
| 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，若物體中的分子選擇性吸收某些波長的光，則會產(chǎn)生吸收光譜，通過對特征光譜進行標定和建模，可實現(xiàn)被測樣品的定性或定量分析。 通常情況下，由分子基頻振動產(chǎn)生的吸收光譜在中紅外波段，對應(yīng)光譜范圍是2.5-25um，對應(yīng)波數(shù)范圍是4000-400cm-1；而分子振動的倍頻或組合頻產(chǎn)生的吸收光譜范圍會落在近紅外波長，對應(yīng)波長范圍是0.7-2.5um（即700-2500nm），對應(yīng)波數(shù)范圍是4000-14825cm-1。 有機化合物中有很多含氫基團（X-H），而含氫基團的一倍頻位于近紅外區(qū)，因此，近紅外測試效果最好的分子對象是含氫基團，主要基團如下圖：
4.2 光學(xué)原理
本型號近紅外光譜模組采用是光柵分光設(shè)計，光經(jīng)過狹縫（Slit）并準直（Collimating）照射到光柵（Diffraction）上，由光柵分光后產(chǎn)生的不同波長的光，并排射到數(shù)字鏡像陣列（DLP）反射鏡，通過編程控制每個微型反射鏡，依次把對應(yīng)波長的光反射到單點InGaAs探測器上，再由ADC轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號并解析成光譜曲線。具體原理圖如下：
該光路最大的優(yōu)勢是把價格昂貴的傳統(tǒng)線陣InGaAs探測器，用價格便宜的單點探測器替代，同時依托臺灣中強光電在江蘇昆山的投影儀模組精密生產(chǎn)線實現(xiàn)了量產(chǎn)化，把單價10萬+的近紅外光譜儀，做到單價1萬+，進而讓許多用不起的應(yīng)用場景變成了可能。 該光路實現(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 測量原理
反射型近紅外光譜儀主要用于接觸式測量物體的光譜反射率或吸光度。該反射率是基于標準白板作為參考計算得出，吸光度是由反射率（或透射率）進行數(shù)學(xué)變換后的表達。
反射率或吸光度的測量流程如下：
反射率的計算公式如下：
其中R表示反射率（Reflectance），Sample是指樣品光譜，Reference是指參考光譜。
對反射率公式作數(shù)學(xué)變換可得到吸光度公式：
對于精度要求較高的用戶，可以再存儲一次暗背景，用于扣除光譜儀的電子噪聲基線（主要來自于InGaAs探測器和電路板），稱為暗背景。在流程圖上增加一個步驟即可：把光譜儀測量口避開物體，懸空朝下對著空氣，點擊測量，獲取暗背景光譜。
此時反射率的計算公式有所變化，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 按波長范圍選型
因近紅外光譜儀種類和型號較多，會導(dǎo)致缺乏使用經(jīng)驗的用戶不知如何選型。波長范圍是近紅外光譜儀選型時最重要的指標，不同范圍差價非常大。常用紅外光譜儀按照波長范圍可以分為以下幾類：
| 波長范圍 | 探測器類型 | 特點 | 分子振動頻 |
|---|---|---|---|
| 700-1100nm | 硅元素（Si） | 價格便宜，范圍短窄，有機分子識別能力能力差 | 多倍頻/混合頻 |
| 900-1700nm | 銦鎵砷（InGaAs） | 價格適中，范圍適中，有機分子識別能力適中 | 一倍頻/混合頻 |
| 900-2500nm | 銦鎵砷（InGaAs） | 價格較貴，范圍較廣，有機分子識別能力強 | 一倍頻/混合頻 |
| 2.5um-25um | 銻砷銦（InAsSb） | 價格非常貴，體積大，有機分子識別能力非常強 | 基頻 |
5.2 按預(yù)算價格范圍選型
紅外光譜儀不同原理和波長范圍的價格差異很大，根據(jù)采購預(yù)算，可以按照價格差異作如下分類：
| 波長范圍 | 探測器類型 | 預(yù)算范圍 |
|---|---|---|
| 700-1100nm | 線陣或面陣CCD型 | 1-5萬 |
| 900-1700nm | DMD+單點InGaAs型 | 1-2萬 |
| 900-1700nm | 線陣InGaAs型 | 8-18萬 |
| 1350-2150nm | DMD+單點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 按測量光路場景選型
根據(jù)實際測量時使用的光路場景，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。下面僅對譜研互聯(lián)提供的各種型號進行對比介紹：
反射型 NIR-M-R2
900-1700nm，內(nèi)置光源，裸板反射模塊，支持USB、UART 和藍牙通訊（需另配藍牙模塊），常用于手持設(shè)備開發(fā)，適用于接觸式反射光譜測量
透射型 NIR-M-T1
900-1700nm，透射型，內(nèi)置光源和準直鏡，裸板透射模塊，支持USB、UART 通信，用于溶液的光譜透射率測量，可實現(xiàn)有機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量系統(tǒng)，用于反射或透射光譜測量，適合搭建式測量場景。
反射型 NIR-R210
900-1700nm，反射型，內(nèi)置鋰電池和藍牙模組，鋁合金殼體，支持LOGO 定制，支持USB、UART 和藍牙通訊，常用于手持設(shè)備開發(fā)，適用于接觸式反射光譜測量。
透射型 NIR-M-T1-C
900-1700nm，透射型，帶殼體，內(nèi)置光源和準直鏡，支持USB、UART 通信，用于溶液的光譜透射率測量，可實現(xiàn)有機溶液快速定性和定量分析。
透射型 NIR-F210
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量系統(tǒng)，用于反射或透射光譜測量，適合搭建式測量場景。
反射型 NIR-M-R11
1350-2150nm，反射型，InGaAs 探測器，內(nèi)置四只鹵素?zé)?，支持USB、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量系統(tǒng)，用于反射或透射光譜測量，適合搭建式測量場景。
透射型 NIR-M-T11
1350-2150nm，透射型，內(nèi)置光源和準直鏡，裸板透射模塊，支持USB、UART 通信，用于溶液的光譜透射率測量，可實現(xiàn)有機溶液快速定性和定量分析.
反射型 NIR-R310L
1350-2150nm，反射型，InGaAs 探測器，內(nèi)置四只鹵素?zé)?，?nèi)置鋰電池和藍牙模組，鋁合金殼體，支持LOGO 定制，支持USB、UART 和藍牙通訊，常用于手持設(shè)備開發(fā)，適用于接觸式反射光譜測量。
光纖型 NIR-M-F11-C
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量系統(tǒng)，用于反射或透射光譜測量，適合搭建式測量場景。
透射型 NIR-M-T11-C
1350-2150nm，透射型，帶殼體，內(nèi)置光源和準直鏡，支持USB、UART 通信，用于溶液的光譜透射率測量，可實現(xiàn)有機溶液快速定性和定量分析。
六、訂購信息
6.1 僅需要光譜儀或模塊用于集成或測試
對于僅用于集成，或自己做殼體的用戶，可直接購買光纖型近紅外模塊，型號為NIR-M-F1。對于日常做測試的用戶，推薦采購帶殼體模塊，型號為NIR-F210，可以避免濺水或手汗引發(fā)電路損壞。其中帶殼體的NIR-F210支持用戶自定義LOGO和型號。
| 產(chǎn)品名稱 | 型號 | 數(shù)量 | 單價 | 金額 |
|---|---|---|---|---|
| 光纖型近紅外光譜模塊 | NIR-M-F1 | 1 | 18480 | 18480 |
| 光纖型近紅外光譜儀 | NIR-F210 | 1 | 19250 | 19250 |
NIR-M-F1
NIR-F210
6.2 LED波長測量光路
本光路用于近紅外LED的中心波長和半高寬測試，具有極高的性價比，但由于分辨率僅有8-10nm，不適用于對分辨率要求很高的激光器半高寬測試。若需要對LED的光功率進行測試，需要對該積分球光路做輻射定標，即把光譜儀測得的相對光譜值轉(zhuǎn)為絕對光功率值，再計算總功率。輻射定標服務(wù)一般由中國計量院或各地計量院提供，屬于收費項目。
| 產(chǎn)品名稱 | 型號 | 數(shù)量 | 單價 | 金額 |
|---|---|---|---|---|
| 光纖型近紅外光譜模塊 | NIR-F210 | 1 | 19250 | 19250 |
| 積分球 | SP-T36 | 1 | 1200 | 1200 |
| 近紅外光纖 | FB-N600-0.5M-PV | 1 | 580 | 580 |
| 合計 | 21030 |
SP-T36
NIR-F210
6.3 液體透射光路
在以油品為代表的有機溶液分析中，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)，進行透射率或吸光度測量?？筛鶕?jù)樣品量，選擇標準10MM或微量比色皿。比色皿至少備2只，一個不裝樣品，用于存參考光譜；一個用于裝樣品，用于測樣品光譜。
| 產(chǎn)品名稱 | 型號 | 數(shù)量 | 單價 | 金額 |
|---|---|---|---|---|
| 光纖型近紅外光譜模塊 | NIR-F210 | 1 | 19250 | 19250 |
| 近紅外光源 | LS-HM-P1 | 1 | 3200 | 3200 |
| 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 | 26010 |
PD-LT-L10
LS-HM-P1
6.4 固體透射光路
對于濾光片、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。一種是準直鏡發(fā)射、準直鏡接收光路，適用于光源較弱或透射率較低的場景；一種是準直鏡發(fā)射、積分球接收光路，適用于光源較強或透射率較高的場景。
準直鏡發(fā)射----準直鏡接收透射光路
| 產(chǎn)品名稱 | 型號 | 數(shù)量 | 單價 | 金額 |
|---|---|---|---|---|
| 光纖型近紅外光譜模塊 | NIR-F210 | 1 | 19250 | 19250 |
| 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 | 26610 |
準直鏡發(fā)射----積分球接收透射光路
| 產(chǎn)品名稱 | 型號 | 數(shù)量 | 單價 | 金額 |
|---|---|---|---|---|
| 光纖型近紅外光譜模塊 | NIR-F210 | 1 | 19250 | 19250 |
| 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 | 30610 |
PD-ST-H330
SP-T36
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算得出吸光度，可參見第四章第3節(jié)測量原理。對于透明樣品，最好是墊上白板，把透過的光再反射回樣品并進入光譜儀測量口，以增加光穿過樣品的光程。在大多數(shù)反射測量中，光譜數(shù)據(jù)的絕對吸光度不宜直接使用，應(yīng)先做歸一化等預(yù)處理。
標準白板原始光譜圖
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
