CN103954562B - 一种基于光纤传感器的光合作用仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于光纤传感器的光合作用仪。包括一个光纤传感器，它有多个探头，分布在叶室内不同位置，能在不均匀光照环境下精确地测量叶片表面的光质和光强；它还有一个光栅和一个CCD阵列探测器，可测量叶片表面的光谱；包括各种单色和混色LED光源，通过控制系统调节，可在叶室内实现各种光照条件，用于植物特征光谱研究；还包括测量CO₂和H₂O浓度、温度和空气流量等参数的测量系统和控制这些参数的自动控制系统；能自动作出光谱和光合曲线图。本发明提供了一种适合教学和科研使用的高精度、便携式、多功能的智能化光合作用仪。

Description

一种基于光纤传感器的光合作用仪

技术领域

本发明涉及一种光合作用测量系统，特别是一种基于光纤传感器的光合作用仪。

背景技术

光合作用是绿色植物吸收阳光的能量，同化CO₂和水，制造有机物并释放氧的过程，是植物生长的基础，也是研究植物生长的一个重要方面。研究植物光合作用常用的仪器之一是光合作用仪，目前，国内外应用最多最普遍的光合作用仪都有一个光量子传感器，如Li-6400系列光合作用仪使用硅光电池做光量子传感器。外置的光量子传感器探头距离叶室3~5cm，内置的光量子传感器探头距离叶室也有1~2cm，传感器探头直径大约1cm。供植物生长的光源有自然光（如太阳光）和人工光（如LED灯的光）。传统的光合作用仪常用于测量太阳光下植物的光合作用，由于太阳距离我们很遥远，把照到地面的太阳光看成是均匀的，而把照到光量子传感器探头的光看成是照到叶片表面的光是可以的，误差不会太大。但是，近年来被广大研究者用作植物生长灯的LED灯，它点光源的发光特征从理论上决定了它发出的光在空间上是很不均匀的。实验也发现，在LED灯照明空间，相距只有1cm的两点上传统的光合作用仪测得的PAR值（光合有效辐射值，表光强）相差几个到一二十个μmol·m^-2·s^-1，有的甚至更多。在这种情况下，传统的光合作用仪的光量子传感器探头距离叶室的距离太长，测量时把入射到探头的光看成是入射到叶片表面的光是很粗糙甚至是不对的。

再有，传统光合作用仪的光量子传感器测定的是入射到叶片表面的总的PAR值，却无法同时测定入射光在叶片表面的光谱。如果另外使用其它仪器如光谱仪来测叶片表面的光谱，由于很难准确地找到刚测过的叶片表面的点供光谱仪测量，所以很难测到和PAR值对应的点的光谱，因此给研究带来不便。

另外，传统光合作用仪提供的光源都是宽波段的，如Li-6400系列光合作用仪提供的是宽波段的红蓝光源，光质单一。大量研究表明，不同光质对植物光合作用和生长有不同的影响。传统光合作用仪无法提供不同的光质，也给这方面的研究带来不便。

因此，需要发明一种光合作用仪，其光量子传感器距离叶室很近，即使光照不均匀，它也能精确地测定入射到叶片表面的光谱、光质和光强（PAR值），能用于测量近紫外到近红外所有波段的光对植物的光合作用，还能提供各种光照条件供植物特征光谱研究使用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种光合作用仪，它的光量子传感器距离叶室很近，且有多个传感器探头，分布在叶室内不同位置，即使光照不均匀，也能通过多点测量后平均的方法，精确地测定入射到叶片表面的光谱、光质和光强（PAR值），能用于测量近红外到近紫外所有波段的光对植物的光合作用，还能提供各种光照条件供植物特征光谱研究使用。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种基于光纤传感器的光合作用仪，包括矩形叶室和矩形暗室；所述矩形叶室内设置有一矩形叶片夹放空间，该叶片夹放空间由设置于矩形叶室内的隔离框隔离而成；所述隔离框的外壁周侧设置有若干光纤传感器的传感器探头；所述光纤传感器探头的入光口和叶片平面处于同一高度；所述矩形暗室内设置有球面镜、会聚球面镜以及光纤传感器的光栅和CCD阵列探测器；所述矩形叶室内的传感器探头采集的光经一光纤束传输至矩形暗室中，光纤束出口的光经球面镜反射后变成平行光，该平行光入射至光栅，经光栅反射发生衍射形成衍射光束，衍射光束通过会聚球面镜会聚后，照射于CCD阵列探测器，并由该CCD阵列探测器传输至处理芯片进行处理。

在本发明一实施例中，所述叶片夹放空间内还设有一用于测量叶片温度并连接至处理芯片的叶温传感器探头；所述叶温传感器探头和叶片平面处于同一高度。

在本发明一实施例中，所述光纤束出口到球面镜中心的距离为球面镜的一倍焦距，即光纤束出口处为球面镜的焦点。

在本发明一实施例中，所述CCD阵列探测器包括近紫外CCD探测器、可见光CCD探测器和近红外CCD探测器。

在本发明一实施例中，所述矩形叶室为宽叶室；所述传感器探头的个数为5个；所述隔离框为由第一隔离片、第二隔离片和第三隔离片以及宽叶室的一壁包围而成的矩形框；设所述宽叶室相邻近矩形暗室的一壁为第一叶室壁；所述第一隔离片平行于第一叶室壁，所述第二隔离片平行于与第一叶室壁相邻的第二叶室壁，所述第三隔离片平行于与第一叶室壁相邻的第三叶室壁；第一传感器探头放置于第一隔离片外壁的中点位置；第二传感器探头和第三传感器探头分别放置于第二隔离片外壁的三分之一处和三分之二处；第四传感器探头和第五传感器探头分别放置于第三隔离片外壁的三分之一处和三分之二处。

在本发明一实施例中，所述矩形叶室为窄叶室；所述传感器探头的个数为4个；所述隔离框为由第一隔离片、第二隔离片、第三隔离片和第四隔离片包围而成的矩形框；设所述窄叶室相邻近矩形暗室的一壁为第一叶室壁；所述第一隔离片平行于第一叶室壁，所述第二隔离片平行于与第一叶室壁相邻的第二叶室壁，所述第三隔离片平行于与第一叶室壁相邻的第三叶室壁，所述第四隔离片平行于与第一叶室壁相对的第四叶室壁；第一传感器探头和第二传感器探头分别放置于第一隔离片外壁的四分之一处和四分之三处；第三传感器探头和第四传感器探头分别放置于第二隔离片外壁的四分之一处和四分之三处。

在本发明一实施例中，所述隔离片由透光材料制成。

在本发明一实施例中，所述隔离片为玻璃片。

在本发明一实施例中，所述光合作用仪还包括各种单色和混色LED光源。

在本发明一实施例中，所述光合作用仪还包括用于测量CO₂浓度、H₂O浓度、温度和空气流量的测量系统以及控制该测量系统的自动控制系统。

相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：

1、本发明提供的一种光合作用仪，它的光量子传感器距离叶室很近，且有多个传感器探头，分布在叶室内不同位置，即使光照不均匀，也能通过多点测量后平均的方法，精确地测定入射到叶片表面的光谱、光质和光强（PAR值），能用于测量近红外到近紫外所有波段的光对植物的光合作用，还能提供各种光照条件供植物特征光谱研究使用；

2、本发明的光合作用仪包括多种LED光源，通过控制电路调节，可实现各种光质配比，光源为叶室提供从0-3000μmol·m^-2·s^-1连续可调的光照强度，因此，LED光源可为叶室提供各种光照条件用于植物特征光谱研究；

3、本发明的光合作用仪内置四个独立的高精度非分散的红外线CO₂/H₂O传感器，分别测定参比和分析气路中CO₂和H₂O浓度，传感器可用于开放式或密闭式测定，气温用热敏电阻探头，叶温用辐射探头非接触测定，可自动或手动控制叶室内部的环境条件（CO₂和H₂O浓度、温度等）；

4、本发明的光合作用仪具有多个自动测量程序，能自动测量光谱曲线，光响应曲线和二氧化碳响应曲线等光合作用曲线；还包括报警系统，当智能控制系统正常运行却无法使叶室内的环境达到预设的要求时，发出报警。

附图说明

图1为本发明暗室的示意图。

图2为本发明矩形宽叶室示意图。

图3为本发明夹放宽叶型小叶片的示意图。

图4为本发明夹放宽叶型大叶片的示意图。

图5为本发明长方形窄叶室示意图。

图6为本发明夹放窄叶型小叶片的示意图。

图7为本发明夹放窄叶型大叶片的示意图。

图8为本发明光合作用仪的结构示意图。

图中，1~4、15为叶室壁，5为隔离框，6-1~6-5、16-1~16-4为传感器探头，7、17为叶温传感器探头，8、18为入射光方向，9为光纤束，10为球面镜，11为平面反射光栅，12为会聚球面镜，13为CCD阵列探测器，14为处理芯片，20为暗室。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。

本发明的一种基于光纤传感器的光合作用仪，包括矩形叶室和矩形暗室；所述矩形叶室内设置有一矩形叶片夹放空间，该叶片夹放空间由设置于矩形叶室内的隔离框隔离而成；所述隔离框的外壁周侧设置有若干光纤传感器的传感器探头；所述光纤传感器探头的入光口和叶片平面处于同一高度；所述矩形暗室内设置有球面镜、会聚球面镜以及光纤传感器的光栅和CCD阵列探测器；所述矩形叶室内的传感器探头采集的光经一光纤束传输至矩形暗室中，光纤束出口的光经球面镜反射后变成平行光，该平行光入射至光栅，经光栅反射发生衍射形成衍射光束，衍射光束通过会聚球面镜会聚后，照射于CCD阵列探测器，并由该CCD阵列探测器传输至处理芯片进行处理。

当所述矩形叶室为宽叶室时：所述传感器探头的个数为5个；所述隔离框为由第一隔离片、第二隔离片和第三隔离片以及宽叶室的一壁包围而成的矩形框；设所述宽叶室相邻近矩形暗室的一壁为第一叶室壁；所述第一隔离片平行于第一叶室壁，所述第二隔离片平行于与第一叶室壁相邻的第二叶室壁，所述第三隔离片平行于与第一叶室壁相邻的第三叶室壁；第一传感器探头放置于第一隔离片外壁的中点位置；第二传感器探头和第三传感器探头分别放置于第二隔离片外壁的三分之一处和三分之二处；第四传感器探头和第五传感器探头分别放置于第三隔离片外壁的三分之一处和三分之二处。

当所述矩形叶室为窄叶室时：所述传感器探头的个数为4个；所述隔离框为由第一隔离片、第二隔离片、第三隔离片和第四隔离片包围而成的矩形框；设所述窄叶室相邻近矩形暗室的一壁为第一叶室壁；所述第一隔离片平行于第一叶室壁，所述第二隔离片平行于与第一叶室壁相邻的第二叶室壁，所述第三隔离片平行于与第一叶室壁相邻的第三叶室壁，所述第四隔离片平行于与第一叶室壁相对的第四叶室壁；第一传感器探头和第二传感器探头分别放置于第一隔离片外壁的四分之一处和四分之三处；第三传感器探头和第四传感器探头分别放置于第二隔离片外壁的四分之一处和四分之三处。

所述隔离片由透光材料制成。

为让本领域技术人员更加了解本发明，以下结合附图讲述本发明的具体实施例。

如图1为本发明暗室的示意图，图2为本发明长方形宽叶室示意图，图中，1~4为叶室的四个壁，其中1、2、4为夹放叶片的壁，3为连着暗室20的壁；隔离框5（包括3片隔离片）外周侧为光纤传感器的传感器探头6-1~6-5，直径只有2~3毫米，5个光纤传感器探头6-1~6-5分布在紧靠隔离框5的不同位置，靠近壁2和壁4的传感器探头6-2~6-5分别处于隔离框5上下两个相对隔离片长度的三分之一和三分之二附近，靠近壁3的传感器探头6-1处于隔离框5中间隔离片的中点附近，隔离框把传感器探头6-1~6-5和叶片夹放空间隔开，隔离片可用玻璃或其它不影响叶室环境的材料做成；叶片夹放空间内还设有一用于测量叶片温度的叶温传感器探头7，叶温传感器探头7、传感器探头6-1~6-5的入光口和叶片平面处于同一高度；8代表入射光方向。

长方形宽叶室的叶片夹放的方法有两种，如图3和图4所示，其中，图3是夹放宽叶型小叶片的方法，小叶片不会遮挡住传感器探头6-1~6-5，最后LCD显示屏上显示的是5个探测器探测到的光的平均；图4是夹放宽叶型大叶片的方法，只露出3个传感器探头6-1、6-2和6-4，最后LCD显示屏上显示的是3个探头探测到的光的平均值。

图5为长方形窄叶室，叶室壁15连着暗室20，4个传感器探头16-1~16-4分别位于较长的两条隔离片长度的四分之一和四分之三附近，18代表入射光方向；图6是夹放窄叶型小叶片的方法，和前面夹放宽叶型小叶片的方法相似，小叶片不会遮挡住传感器探头16-1~16-4，最后LCD显示屏上显示的是4个探头探测到的光的平均值；图7是夹放窄叶型大叶片的方法，同夹放宽叶型大叶片的方法相似，只露出2个传感器探头16-1及16-2，最后LCD显示屏上显示的是2个探头探测到的光的平均值，17代表窄叶型叶室叶温传感器探头。

如图1为本发明暗室的示意图，其中，叶室中光纤传感器探测到的光经光纤束9传输至暗室20，光纤束9出口到球面镜10中心的距离为球面镜10的一倍焦距，即光纤束9出口处为球面镜10的焦点，按照球面反射原理，焦点发出的光经球面镜10反射后将变成平行光，平行光均匀地入射到平面反射光栅11上，经平面反射光栅11发生衍射，衍射光将按波长在空间依次排开，衍射光束比较分散，让它通过一个会聚球面镜12，会聚后的光照在图中的CCD阵列探测器13上，由于不同波长的衍射光会聚在阵列上不同位置的CCD上，阵列CCD能把光按波长分开探测，CCD探测器包括近紫外CCD、可见光CCD、近红外CCD探测器，因此能探测近紫外光、可见光和近红外光；探测结果传输到处理芯片14上，经处理就得到光谱，测量数据也可通过传输线即时传输到外接电脑终端；处理芯片14的软件能画出光谱曲线和统计出所要求波长范围内的PAR值，并由此得到光质；例如，实验中要求叶片表面的红橙光（波长600nm~700nm）、绿色光（波长500nm~600nm）和兰紫光（波长400nm~500nm）组成的光质，则在操作界面光质一栏中填入三个波长范围600nm~700nm、500nm~600nm和400nm~500nm，软件就会自动统计出这三个波长范围内的PAR值各是多少μmol·m^-2·s^-1，而这三个PAR值的比，就是现有研究中常用来表示光质的光强比，光谱曲线、光质和总的PAR值都能在LCD液晶显示屏上显示，让使用者一目了然。

由于最后得到的光谱、光质和光强是各点测得值的平均，所以，即使是在不均匀光照环境下测量，测得的光谱、光质和光强也是最接近实际值的，因此实验结果最为可靠，误差也最小。

图8为本发明的光合作用仪的结构示意图，测量系统由光谱测量单元、CO₂浓度测量单元、H₂O浓度测量单元、温度测量单元和气体流量测量单元组成，内置四个独立的高精度非分散的红外线CO₂/H₂O传感器，分别测定参比和分析气路中CO₂和H₂O浓度，传感器可用于开放式或密闭式测定，气温用热敏电阻探测，叶温可用辐射探头非接触测定，测得的数据传送给处理芯片，处理芯片能根据测量值算出光质、光强和各光合参数，并通过软件画出光谱曲线，光响应曲线和二氧化碳响应曲线等光合作用曲线。图8中的智能控制系统用于控制叶室内的光质、光强、CO₂和H₂O浓度、温度和流量，在操作界面上输入各控制参数值后，智能控制系统能自动运行调光质、光强、CO₂和H₂O浓度、温度和流量的辅助设备，使叶室内的光质、光强、CO2和H₂O浓度、温度和流量很快达到设定的值。

本发明还包括多种LED光源，单色LED光源波长从近紫外到近红外各个波段都有，每个波段光波半波宽度小于30nm，混色LED光源通过智能控制系统调节，可实现各种光谱，光源为叶室提供从0-3000μmol·m^-2·s^-1连续可调的光强，因此，通过控制，LED光源可为叶室提供各种光照条件用于植物特征光谱研究。

本发明还包括报警系统，当智能控制系统正常运行却无法使叶室内的环境达到预设的要求时，发出报警。

以上仅为本发明实施例中一个较佳的实施方案。但是，本发明并不限于上述实施方案，凡按本发明方案所做的任何均等变化和修饰，所产生的功能作用未超出本方案的范围时，均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于光纤传感器的光合作用仪，其特征在于：包括矩形叶室和矩形暗室；所述矩形叶室内设置有一矩形叶片夹放空间，该叶片夹放空间由设置于矩形叶室内的隔离框隔离而成；所述隔离框的外壁周侧设置有若干光纤传感器的传感器探头；所述光纤传感器探头的入光口和叶片平面处于同一高度；所述矩形暗室内设置有球面镜、会聚球面镜以及光纤传感器的光栅和CCD阵列探测器；所述矩形叶室内的传感器探头采集的光经一光纤束传输至矩形暗室中，光纤束出口的光经球面镜反射后变成平行光，该平行光入射至光栅，经光栅反射发生衍射形成衍射光束，衍射光束通过会聚球面镜会聚后，照射于CCD阵列探测器，并由该CCD阵列探测器传输至处理芯片进行处理。

2.根据权利要求1所述的一种基于光纤传感器的光合作用仪，其特征在于：所述叶片夹放空间内还设有一用于测量叶片温度并连接至处理芯片的叶温传感器探头；所述叶温传感器探头和叶片平面处于同一高度。

3.根据权利要求1所述的一种基于光纤传感器的光合作用仪，其特征在于：所述光纤束出口到球面镜中心的距离为球面镜的一倍焦距，即光纤束出口处为球面镜的焦点。

4.根据权利要求1或3所述的一种基于光纤传感器的光合作用仪，其特征在于：所述CCD阵列探测器包括近紫外CCD探测器、可见光CCD探测器和近红外CCD探测器。

5.根据权利要求1所述的一种基于光纤传感器的光合作用仪，其特征在于：所述矩形叶室为宽叶室；所述传感器探头的个数为5个；所述隔离框为由第一隔离片、第二隔离片和第三隔离片以及宽叶室的一壁包围而成的矩形框；设所述宽叶室相邻近矩形暗室的一壁为第一叶室壁；所述第一隔离片平行于第一叶室壁，所述第二隔离片平行于与第一叶室壁相邻的第二叶室壁，所述第三隔离片平行于与第一叶室壁相邻的第三叶室壁；第一传感器探头放置于第一隔离片外壁的中点位置；第二传感器探头和第三传感器探头分别放置于第二隔离片外壁的三分之一处和三分之二处；第四传感器探头和第五传感器探头分别放置于第三隔离片外壁的三分之一处和三分之二处。

6.根据权利要求1所述的一种基于光纤传感器的光合作用仪，其特征在于：所述矩形叶室为窄叶室；所述传感器探头的个数为4个；所述隔离框为由第一隔离片、第二隔离片、第三隔离片和第四隔离片包围而成的矩形框；设所述窄叶室相邻近矩形暗室的一壁为第一叶室壁；所述第一隔离片平行于第一叶室壁，所述第二隔离片平行于与第一叶室壁相邻的第二叶室壁，所述第三隔离片平行于与第一叶室壁相邻的第三叶室壁，所述第四隔离片平行于与第一叶室壁相对的第四叶室壁；第一传感器探头和第二传感器探头分别放置于第一隔离片外壁的四分之一处和四分之三处；第三传感器探头和第四传感器探头分别放置于第二隔离片外壁的四分之一处和四分之三处。

7.根据权利要求5或6所述的一种基于光纤传感器的光合作用仪，其特征在于：所述隔离片由透光材料制成。

8.根据权利要求7所述的一种基于光纤传感器的光合作用仪，其特征在于：所述隔离片为玻璃片。

9.根据权利要求1所述的一种基于光纤传感器的光合作用仪，其特征在于：还包括各种单色和混色LED光源。

10.根据权利要求1所述的一种基于光纤传感器的光合作用仪，其特征在于：还包括用于测量CO₂浓度、H₂O浓度、温度和空气流量的测量系统以及控制该测量系统的自动控制系统。