CN103308459A - 一种植物特征光谱实验箱及其实验方法 - Google Patents

一种植物特征光谱实验箱及其实验方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种植物特征光谱实验箱及其实验方法，该植物特征光谱实验箱内设置有多种单色LED光源、多层栽培室、温度调节装置、湿度调节装置以及智能控制装置等，该植物特征光谱实验方法包括：采用不同波长的单色光分别照射植物的叶片，采用光谱辐射计测出对应的光强，采用光合作用测定仪测试叶片的光合作用速率，得出相应波长对应光强与植物光合作用速率的关系，由此获得特定植物的特征光谱；将获得的植物特征光谱作为该植物的照明光源，进行栽培实验，由此获得光源光照时间与光合作用及其产量的关系。本发明为研究植物生理提供实验技术和手段，并制造适合植物生长的特征光谱光源奠定基础，可以满足现代农业的科研及生产的需要。

Description

一种植物特征光谱实验箱及其实验方法
技术领域
本发明涉及一种植物特征光谱实验箱及其实验方法。
背景技术
万物生长靠太阳，说明了光对植物生长的重要性。植物分为喜阳植物、中性植物和喜阴植物，各种植物对阳光的需求是不一样的。对于每一种植物来讲，它进行光合作用都有其最合适的光谱和光照强度，即有其特征光谱。随着科技的进步，人造光源不断的发展，其中LED光源不仅节能环保、寿命长而且光谱丰富，可以发出特定的光谱且易于控制等优点。在植物照明光源的选择中，LED灯受到了国内外研究人员的青睐，各国纷纷加大了LED照明在农业应用研发力度，相关研究也验证了LED光源相对传统光源能使植物得到较佳的生长状况。
由于各种植物都有自己的特征光谱，如何使照明在农业上的应用发挥更大的效益，研究各种植物的特征光谱成为关键。研究植物特征光谱的方法和设备是制约获取植物特征光谱的最大障碍。本发明就是针对当前研究当前研究植物特征光谱的需要，提出了相应的研究方法并设计制造出相应的装置。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种能够获得植物特征光谱的实验箱及其实验方法。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案一是：一种植物特征光谱实验箱，包括箱体和箱门，所述箱体内通过若干层隔板分成多个相互隔光的栽培室，所述栽培室的顶部设置有LED灯板，所述LED灯板上布设有由多种单色LED光源组成的LED灯组，各个栽培室内分别设置有照度传感器、温度传感器、湿度传感器、温度调节装置和湿度调节装置；所述箱体内设置有智能控制装置，所述智能控制装置的输入端分别与照度传感器、温度传感器和湿度传感器相连接，输出端分别与单色LED光源、温度调节装置和湿度调节装置相连接。
进一步的，所述多种单色LED光源的分布采用矩阵结构、环形结构或边灯结构以形成均匀或接近均匀的面光源。
进一步的，所述多种单色LED光源组合形成光波波长及其强度均为可调且光谱能够覆盖紫外光、可见光、红外光等接近标准太阳光谱的实验光源。
进一步的，所述智能控制装置采用集成电路芯片，所述温度调节装置采用半导体制冷片对栽培室进行制冷或加热，所述湿度调节装置采用超声波加湿器维持栽培室的湿度。
进一步的，所述超声波加湿器的加湿装置设置于箱体外，所述加湿装置通过多根并联的加湿管道分别通入各个栽培室内。
进一步的，所述箱体内的两侧壁分别设置有用于支撑隔板两边以便推入隔板的支撑杆。
进一步的，所述箱门上设置有多个对应于栽培室的观察窗以及用于启闭观察窗的推拉门。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案二是：一种植物特征光谱实验方法，按以下步骤进行：
（1）将需要实验的植物放在上述植物特征光谱实验箱的某一栽培室，采用一定半波宽度的单色光照射植物的叶片，并用光谱辐射计测出该叶片处的光强，再用光合作用测定仪测量其光合作用的速率，获得植物光合作用的速率与该波长的光强的关系；
（2）改变光波的波长重复步骤（1），获得一系列波长对应的光强与植物光合作用的速率的关系，由此获得特定植物的特征光谱；
（3）将不同的植物重复步骤（1）、步骤（2）做实验，获得各种相应植物的特征光谱；
（4）采用由多种单色LED光源组合形成具有与步骤（1）、步骤（2）获得的植物特征光谱相同光谱的光源作为该植物的实验光源，进行植物栽培实验，获取光谱照射时间与植物光合作用速率及其产量的关系。
进一步的，所述多种单色LED光源的分布采用矩阵结构、环形结构或边灯结构以形成均匀或接近均匀的面光源。
进一步的，所述智能控制装置采用集成电路芯片实现各种单色LED光源的强度连续可调，并同时启动多种单色LED光源，用不同的强度进行组合，做各种复合光对植物生长的响应的实验。
进一步的，所述多种单色LED光源的分布采用矩阵结构、环形结构或边灯结构以形成均匀或接近均匀的面光源。
本发明具有以下有益效果：该植物特征光谱实验箱具有结构合理、操作方便且控制灵活等优点，有利于实验的进行和观察；该植物特征光谱实验方法采用光谱辐射计和光合作用测定仪测量相应的参数，可获得植物光合作用的速率与该波长的光强的关系，进而获得各种植物的特征光谱；该植物特征光谱实验箱及其实验方法为研究植物生理提供实验技术和手段，并为制造适合植物生长的特征光谱光源奠定基础，可以满足现代农业的科研及生产的需要。
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。
附图说明
图1为本发明实施例的植物特征光谱实验箱内部示意图。
图2为本发明实施例的植物特征光谱实验箱外部示意图。
图3为本发明实施例的单色LED光源环形布局示意图。
图4为本发明实施例的控制系统原理框图。
图中：1-单色LED光源，2-LED灯板，3-隔板，4-支撑杆，5-温度调节装置，6-加湿管道，7-箱门，8-观察窗，9-推拉门，10-加湿装置，11-箱体，12-栽培室。
具体实施方式
如图1~4所示，一种植物特征光谱实验箱，包括箱体11和箱门7，所述箱体11内通过若干层隔板3分成多个相互隔光的栽培室12，所述栽培室12的顶部设置有LED灯板2，所述LED灯板2上布设有由多种单色LED光源1组成的LED灯组，各个栽培室12内分别设置有照度传感器、温度传感器、湿度传感器、温度调节装置5和湿度调节装置；所述箱体11内设置有智能控制装置，所述智能控制装置的输入端分别与照度传感器、温度传感器和湿度传感器相连接，输出端分别与单色LED光源1、温度调节装置5和湿度调节装置相连接。
在本实施例中，所述多种单色LED光源1的分布可以采用矩阵结构、环形（包括圆形和椭圆形等）结构或边灯结构以形成均匀或接近均匀的面光源；当多种单色LED光源1采用边灯结构分布时，所述LED灯板2底侧向下依次设置有反射板、导光板和散光膜以形成均匀的面光源。
在本实施例中，所述多种单色LED光源1组合形成光波波长及其强度均为可调且光谱能够覆盖紫外光、可见光、红外光等接近标准太阳光谱的实验光源，通过多种单色LED光源1组合可以形成具有与相应的植物特征光谱相同光谱的光源作为该植物的实验光源。各种单色LED光源1的功率可以是相同的或不同的，目的在于形成均匀或接近均匀的面光源，其光强的调控不仅可以由智能控制装置来实现，而且可以采用不同的LED个数或功率的大小来实现。
在本实施例中，所述智能控制装置设置于箱体11的顶部，所述智能控制装置采用集成电路芯片，所述集成电路芯片上集成有LED恒流驱动电路、温湿度主控电路、温湿度采集电路、半导体制冷片驱动电路、超声波加湿器驱动电路、光照系统控制电路等，实现了各种单色LED光源1的光照时间和强度连续可调，通过同时启动多种单色LED光源1进行组合，做复合光对植物生长响应的测试实验，实现了对栽培室12的温湿度采集和温湿度智能控制等功能。
在本实施例中，为了保证植物生长所需的温度和湿度，所述温度调节装置5采用半导体制冷片的制冷加热技术对栽培室12进行制冷或加热，当温度高于设定的温度时半导体制冷片制冷，当温度低于设定的温度时通过改变电流的方向使得半导体制冷片变为加热片以对栽培室12加温；所述湿度调节装置采用超声波加湿器的超声波雾化技术维持栽培室12的湿度，所述超声波加湿器的加湿装置10设置于箱体11外，所述加湿装置10通过多根并联的加湿管道6分别通入各个栽培室12内，使得各个栽培室12的环境保持一致且在栽培期间互不干扰。
在本实施例中，所述箱体11内的两侧壁分别设置有用于支撑隔板3两边的支撑杆4，各层隔板3分布以抽屉式沿相应两根平行的支撑杆4推入箱体11内以分隔成多个栽培室12，所述LED灯板2以可拆卸方式安装于隔板3底侧。为了便于观察实验情况，所述箱门7上设置有多个对应于栽培室12的观察窗8以及用于启闭观察窗8的推拉门9。
如图1~4所示，一种植物特征光谱实验方法包括：采用不同波长的单色光分别照射植物的叶片，采用光谱辐射计测出对应的光强，采用光合作用测定仪测试叶片的光合作用速率，得出相应波长对应光强与植物光合作用速率的关系，由此获得特定植物的特征光谱；将获得的植物特征光谱作为该植物的照明光源，进行栽培实验，由此获得光源光照时间与光合作用及其产量的关系。
在本实施例中，该植物特征光谱实验方法具体按以下步骤进行：
（1）将需要实验的植物放在上述植物特征光谱实验箱的某一栽培室12，采用一定半波宽度的单色光照射植物的叶片，并用光谱辐射计测出该叶片处的光强，再用光合作用测定仪测量其光合作用的速率，获得植物光合作用的速率与该波长的光强的关系；
（2）改变光波的波长重复步骤（1），获得一系列波长对应的光强与植物光合作用的速率的关系，由此获得特定植物的特征光谱；
（3）将不同的植物重复步骤（1）、步骤（2）做实验，获得各种相应植物的特征光谱；
（4）采用由多种单色LED光源组合形成具有与步骤（1）、步骤（2）获得的植物特征光谱相同光谱的光源作为该植物的实验光源，进行植物栽培实验，获取光谱照射时间与植物光合作用速率及其产量的关系。
在本实施例中，上述不同波长的单色光是选择能够发射特定波长的LED芯片，对其进行封装设计，得出单色性强的LED光源；通过多种单色LED光源1组合形成具有与相应的植物特征光谱相同光谱的光源作为该植物的实验光源。
在本实施例中，上述采用光谱辐射计测出特定点的光照强度，是在同一条件下，LED光源的发射强度与光源的距离有关，可以通过测试同一植株上在不同位置叶片的光照强度。采用光合作用测定仪测试对应光强的植物叶片的光合作用效率，得到相应波长下对应光强与植物光合作用效率的关系。采用集成电路芯片改变所点亮的LED光源，从而改变光源的波长。重复上述实验，得出特定植物的特征光谱。
在本实施例中，上述测试光源光照时间与光合作用及其产量的关系的实验方法，采用所得到的植物特征光谱作为该植物的照明光源，对植物进行栽培实验。可以将实验设定为几个不同的时间进行，利用定时器对点亮单色光的时间进行控制。通过所设定的时间，采用光合作用测定仪测试植株叶片的光合作用效率，得到实验结果。
在本实施例中，上述同时启动多种单色LED光源1进行组合形成组合波长，是通过集成电路芯片来点亮不同波长及亮度LED光源的方式。单色LED光源1的光照连续可调，是利用LED响应迅速的特性，通过快速开关LED调节其导通时间比例来实现对亮度的调节（脉冲宽度调制法）。通过单片机编程，将脉宽设定为20个档位，每个档位对应一个特定的LED光源亮度。通过光照系统控制电路的人机交互系统得出对应的光照强度及波长的组合。
在本实施例中，上述采用半导体制冷和加热技术对栽培室12进行制冷和加热的方法，是利用珀尔贴效应，即当直流电通过两种不同导电材料时，结点上放热或吸热的一种现象。由于珀尔贴效应是可逆的，当电流方向改变时，冷端与热端可交换。通过温湿度传感器的反馈信息改变通过半导体两端的电流，实现了对栽培室12的制冷和加热功能。
在本实施例中，上述采用超声波雾化技术来维持栽培室12的湿度的方法，是将电能转换成机械能，在电振荡信号作用下，使浸没在水中的超声波振子产生超声波，该超声波由水底向水表面扩散，在空化效应作用下，产生3~5微米水雾粒子与流通的空气进行热湿交换，达到加湿的目的。
在本实施例中，上述采用的对栽培室12的温湿度控制的功能，是通过对单片机进行编程，采用专用的控制器和传感器对单片机进行信息的反馈，智能地实现了对栽培室12的温湿度控制。
在本实施例中，上述各种单色LED光源1的分布可以是矩阵结构，也可以是环形（包括圆形、椭圆形等）结构。为了保证LED能在箱体11内部光照均匀，将LED排成特定的结构。相同颜色为一组，将每组四颗LED以此相连，可得到不同的四边形结构，画出四边形的对角线，可知每颗灯所处位置均为对角线上的无灯区中心，四颗灯在四个方位上相隔距离均相同，最大程度的保证了单色光谱或复合光谱照射时的均匀性。采用相同功率或不同功率的单色LED进行组合排列，通过集成电路芯片组成的控制器来实现光强可调的均匀或接近均匀的面光源。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (10)

1.一种植物特征光谱实验箱，包括箱体和箱门，其特征在于：所述箱体内通过若干层隔板分成多个相互隔光的栽培室，所述栽培室的顶部设置有LED灯板，所述LED灯板上布设有由多种单色LED光源组合形成的LED灯组，各个栽培室内分别设置有照度传感器、温度传感器、湿度传感器、温度调节装置和湿度调节装置；所述箱体内设置有智能控制装置，所述智能控制装置的输入端分别与照度传感器、温度传感器和湿度传感器相连接，输出端分别与单色LED光源、温度调节装置和湿度调节装置相连接。
2.根据权利要求1所述的植物特征光谱实验箱，其特征在于：所述多种单色LED光源的分布采用矩阵结构、环形结构或边灯结构以形成均匀或接近均匀的面光源。
3.根据权利要求1或2所述的植物特征光谱实验箱，其特征在于：所述多种单色LED光源组合形成光波波长及其强度均为可调且光谱能够覆盖紫外光、可见光、红外光等接近标准太阳光谱的实验光源。
4.根据权利要求1所述的植物特征光谱实验箱，其特征在于：所述智能控制装置采用集成电路芯片，所述温度调节装置采用半导体制冷片对栽培室进行制冷或加热，所述湿度调节装置采用超声波加湿器维持栽培室的湿度。
5.根据权利要求4所述的植物特征光谱实验箱，其特征在于：所述超声波加湿器的加湿装置设置于箱体外，所述加湿装置通过多根并联的加湿管道分别通入各个栽培室内。
6.根据权利要求1所述的植物特征光谱实验箱，其特征在于：所述箱体内的两侧壁分别设置有用于支撑隔板两边以便推入隔板的支撑杆。
7.根据权利要求1所述的植物特征光谱实验箱，其特征在于：所述箱门上设置有多个对应于栽培室的观察窗以及用于启闭观察窗的推拉门。
8.一种植物特征光谱实验方法，其特征在于，按以下步骤进行：
（1）将需要实验的植物放在如权利要求1所述的植物特征光谱实验箱的某一栽培室，采用一定半波宽度的单色光照射植物的叶片，并用光谱辐射计测出该叶片处的光强，再用光合作用测定仪测量其光合作用的速率，获得植物光合作用的速率与该波长的光强的关系；
（2）改变光波的波长重复步骤（1），获得一系列波长对应的光强与植物光合作用的速率的关系，由此获得特定植物的特征光谱；
（3）将不同的植物重复步骤（1）、步骤（2）做实验，获得各种相应植物的特征光谱；
（4）采用由多种单色LED光源组合形成具有与步骤（1）、步骤（2）获得的植物特征光谱相同光谱的光源作为该植物的实验光源，进行植物栽培实验，获取光谱照射时间与植物光合作用速率及其产量的关系。
9.根据权利要求8所述的植物特征光谱实验方法，其特征在于：所述多种单色LED光源的分布采用矩阵结构、环形结构或边灯结构以形成均匀或接近均匀的面光源。
10.根据权利要求8所述的植物特征光谱实验方法，其特征在于：所述智能控制装置采用集成电路芯片实现各种单色LED光源的强度连续可调，并同时启动多种单色LED光源，用不同的强度进行组合，做各种复合光对植物生长的响应的实验。
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