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一種基于光纖傳感器的光合作用儀.pdf

摘要
申請專利號:

CN201410139280.4

申請日:

2014.04.09

公開號:

CN103954562A

公開日:

2014.07.30

當前法律狀態:

授權

有效性:

有權

法律詳情: 授權|||實質審查的生效IPC(主分類):G01N 21/17申請日:20140409|||公開
IPC分類號: G01N21/17; G01N21/25 主分類號: G01N21/17
申請人: 福建農林大學
發明人: 陳美香; 劉銀春; 徐永
地址: 350002 福建省福州市倉山區建新鎮金山學區
優先權:
專利代理機構: 福州元創專利商標代理有限公司 35100 代理人: 蔡學俊
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201410139280.4

授權公告號:

||||||

法律狀態公告日:

2016.02.24|||2014.08.27|||2014.07.30

法律狀態類型:

授權|||實質審查的生效|||公開

摘要

本發明涉及一種基于光纖傳感器的光合作用儀。包括一個光纖傳感器,它有多個探頭,分布在葉室內不同位置,能在不均勻光照環境下精確地測量葉片表面的光質和光強;它還有一個光柵和一個CCD陣列探測器,可測量葉片表面的光譜;包括各種單色和混色LED光源,通過控制系統調節,可在葉室內實現各種光照條件,用于植物特征光譜研究;還包括測量CO2和H2O濃度、溫度和空氣流量等參數的測量系統和控制這些參數的自動控制系統;能自動作出光譜和光合曲線圖。本發明提供了一種適合教學和科研使用的高精度、便攜式、多功能的智能化光合作用儀。

權利要求書

權利要求書
1.  一種基于光纖傳感器的光合作用儀,其特征在于:包括矩形葉室和矩形暗室;所述矩形葉室內設置有一矩形葉片夾放空間,該葉片夾放空間由設置于矩形葉室內的隔離框隔離而成;所述隔離框的外壁周側設置有若干光纖傳感器的傳感器探頭;所述光纖傳感器探頭的入光口和葉片平面處于同一高度;所述矩形暗室內設置有球面鏡、會聚球面鏡以及光纖傳感器的光柵和CCD陣列探測器;所述矩形葉室內的傳感器探頭采集的光經一光纖束傳輸至矩形暗室中,光纖束出口的光經球面鏡反射后變成平行光,該平行光入射至光柵,經光柵反射發生衍射形成衍射光束,衍射光束通過會聚球面鏡會聚后,照射于CCD陣列探測器,并由該CCD陣列探測器傳輸至處理芯片進行處理。

2.  根據權利要求1所述的一種基于光纖傳感器的光合作用儀,其特征在于:所述葉片夾放空間內還設有一用于測量葉片溫度并連接至處理芯片的葉溫傳感器探頭;所述葉溫傳感器探頭和葉片平面處于同一高度。

3.  根據權利要求1所述的一種基于光纖傳感器的光合作用儀,其特征在于:所述光纖束出口到球面鏡中心的距離為球面鏡的一倍焦距,即光纖束出口處為球面鏡的焦點。

4.  根據權利要求1或3所述的一種基于光纖傳感器的光合作用儀,其特征在于:所述CCD陣列探測器包括近紫外CCD探測器、可見光CCD探測器和近紅外CCD探測器。

5.  根據權利要求1所述的一種基于光纖傳感器的光合作用儀,其特征在于:所述矩形葉室為寬葉室;所述傳感器探頭的個數為5個;所述隔離框為由第一隔離片、第二隔離片和第三隔離片以及寬葉室的一壁包圍而成的矩形框;設所述寬葉室相鄰近矩形暗室的一壁為第一葉室壁;所述第一隔離片平行于第一葉室壁,所述第二隔離片平行于與第一葉室壁相鄰的第二葉室壁,所述第三隔離片平行于與第一葉室壁相鄰的第三葉室壁;第一傳感器探頭放置于第一隔離片外壁的中點位置;第二傳感器探頭和第三傳感器探頭分別放置于第二隔離片外壁的三分之一處和三分之二處;第四傳感器探頭和第五傳感器探頭分別放置于第三隔離片外壁的三分之一處和三分之二處。

6.  根據權利要求1所述的一種基于光纖傳感器的光合作用儀,其特征在于:所述矩形葉室為窄葉室;所述傳感器探頭的個數為4個;所述隔離框為由第一隔離片、第二隔離片、第三隔離片和第四隔離片包圍而成的矩形框;設所述寬葉室相鄰近矩形暗室的一壁為第一葉室壁;所述第一隔離片平行于第一葉室壁,所述第二隔離片平行于與第一葉室壁相鄰的第二葉室壁,所述第三隔離片平行于與第一葉室壁相鄰的第三葉室壁,所述第四隔離片平行于與第一葉室壁相對的第四葉室壁;第一傳感器探頭和第二傳感器探頭分別放置于第一隔離片外壁的四分之一處和四分之三處;第三傳感器探頭和第四傳感器探頭分別放置于第二隔離片外壁的四分之一處和四分之三處。

7.  根據權利要求5或6所述的一種基于光纖傳感器的光合作用儀,其特征在于:所述隔離片由透光材料制成。

8.  根據權利要求7所述的一種基于光纖傳感器的光合作用儀,其特征在于:所述隔離片為玻璃片。

9.  根據權利要求1所述的一種基于光纖傳感器的光合作用儀,其特征在于:還包括各種單色和混色LED光源。

10.  根據權利要求1所述的一種基于光纖傳感器的光合作用儀,其特征在于:還包括用于測量CO2濃度、H2O濃度、溫度和空氣流量的測量系統以及控制該測量系統的自動控制系統。

說明書

說明書一種基于光纖傳感器的光合作用儀
技術領域
本發明涉及一種光合作用測量系統,特別是一種基于光纖傳感器的光合作用儀。
背景技術
光合作用是綠色植物吸收陽光的能量,同化CO2和水,制造有機物并釋放氧的過程,是植物生長的基礎,也是研究植物生長的一個重要方面。研究植物光合作用常用的儀器之一是光合作用儀,目前,國內外應用最多最普遍的光合作用儀都有一個光量子傳感器,如Li-6400系列光合作用儀使用硅光電池做光量子傳感器。外置的光量子傳感器探頭距離葉室3~5cm,內置的光量子傳感器探頭距離葉室也有1~2cm,傳感器探頭直徑大約1cm。供植物生長的光源有自然光(如太陽光)和人工光(如LED燈的光)。傳統的光合作用儀常用于測量太陽光下植物的光合作用,由于太陽距離我們很遙遠,把照到地面的太陽光看成是均勻的,而把照到光量子傳感器探頭的光看成是照到葉片表面的光是可以的,誤差不會太大。但是,近年來被廣大研究者用作植物生長燈的LED燈,它點光源的發光特征從理論上決定了它發出的光在空間上是很不均勻的。實驗也發現,在LED燈照明空間,相距只有1cm的兩點上傳統的光合作用儀測得的PAR值(光合有效輻射值,表光強)相差幾個到一二十個μmol·m-2·s -1,有的甚至更多。在這種情況下,傳統的光合作用儀的光量子傳感器探頭距離葉室的距離太長,測量時把入射到探頭的光看成是入射到葉片表面的光是很粗糙甚至是不對的。
再有,傳統光合作用儀的光量子傳感器測定的是入射到葉片表面的總的PAR值,卻無法同時測定入射光在葉片表面的光譜。如果另外使用其它儀器如光譜儀來測葉片表面的光譜,由于很難準確地找到剛測過的葉片表面的點供光譜儀測量,所以很難測到和PAR值對應的點的光譜,因此給研究帶來不便。
另外,傳統光合作用儀提供的光源都是寬波段的,如Li-6400系列光合作用儀提供的是寬波段的紅藍光源,光質單一。大量研究表明,不同光質對植物光合作用和生長有不同的影響。傳統光合作用儀無法提供不同的光質,也給這方面的研究帶來不便。
因此,需要發明一種光合作用儀,其光量子傳感器距離葉室很近,即使光照不均勻,它也能精確地測定入射到葉片表面的光譜、光質和光強(PAR值),能用于測量近紫外到近紅外所有波段的光對植物的光合作用,還能提供各種光照條件供植物特征光譜研究使用。
發明內容
本發明的目的在于提供一種光合作用儀,它的光量子傳感器距離葉室很近,且有多個傳感器探頭,分布在葉室內不同位置,即使光照不均勻,也能通過多點測量后平均的方法,精確地測定入射到葉片表面的光譜、光質和光強(PAR值),能用于測量近紅外到近紫外所有波段的光對植物的光合作用,還能提供各種光照條件供植物特征光譜研究使用。
為實現上述目的,本發明的技術方案是:一種基于光纖傳感器的光合作用儀,包括矩形葉室和矩形暗室;所述矩形葉室內設置有一矩形葉片夾放空間,該葉片夾放空間由設置于矩形葉室內的隔離框隔離而成;所述隔離框的外壁周側設置有若干光纖傳感器的傳感器探頭;所述光纖傳感器探頭的入光口和葉片平面處于同一高度;所述矩形暗室內設置有球面鏡、會聚球面鏡以及光纖傳感器的光柵和CCD陣列探測器;所述矩形葉室內的傳感器探頭采集的光經一光纖束傳輸至矩形暗室中,光纖束出口的光經球面鏡反射后變成平行光,該平行光入射至光柵,經光柵反射發生衍射形成衍射光束,衍射光束通過會聚球面鏡會聚后,照射于CCD陣列探測器,并由該CCD陣列探測器傳輸至處理芯片進行處理。
在本發明一實施例中,所述葉片夾放空間內還設有一用于測量葉片溫度并連接至處理芯片的葉溫傳感器探頭;所述葉溫傳感器探頭和葉片平面處于同一高度。
在本發明一實施例中,所述光纖束出口到球面鏡中心的距離為球面鏡的一倍焦距,即光纖束出口處為球面鏡的焦點。
在本發明一實施例中,所述CCD陣列探測器包括近紫外CCD探測器、可見光CCD探測器和近紅外CCD探測器。
在本發明一實施例中,所述矩形葉室為寬葉室;所述傳感器探頭的個數為5個;所述隔離框為由第一隔離片、第二隔離片和第三隔離片以及寬葉室的一壁包圍而成的矩形框;設所述寬葉室相鄰近矩形暗室的一壁為第一葉室壁;所述第一隔離片平行于第一葉室壁,所述第二隔離片平行于與第一葉室壁相鄰的第二葉室壁,所述第三隔離片平行于與第一葉室壁相鄰的第三葉室壁;第一傳感器探頭放置于第一隔離片外壁的中點位置;第二傳感器探頭和第三傳感器探頭分別放置于第二隔離片外壁的三分之一處和三分之二處;第四傳感器探頭和第五傳感器探頭分別放置于第三隔離片外壁的三分之一處和三分之二處。
在本發明一實施例中,所述矩形葉室為窄葉室;所述傳感器探頭的個數為4個;所述隔離框為由第一隔離片、第二隔離片、第三隔離片和第四隔離片包圍而成的矩形框;設所述寬葉室相鄰近矩形暗室的一壁為第一葉室壁;所述第一隔離片平行于第一葉室壁,所述第二隔離片平行于與第一葉室壁相鄰的第二葉室壁,所述第三隔離片平行于與第一葉室壁相鄰的第三葉室壁,所述第四隔離片平行于與第一葉室壁相對的第四葉室壁;第一傳感器探頭和第二傳感器探頭分別放置于第一隔離片外壁的四分之一處和四分之三處;第三傳感器探頭和第四傳感器探頭分別放置于第二隔離片外壁的四分之一處和四分之三處。
在本發明一實施例中,所述隔離片由透光材料制成。
在本發明一實施例中,所述隔離片為玻璃片。
在本發明一實施例中,所述光合作用儀還包括各種單色和混色LED光源。
在本發明一實施例中,所述光合作用儀還包括用于測量CO2濃度、H2O濃度、溫度和空氣流量的測量系統以及控制該測量系統的自動控制系統。
相較于現有技術,本發明具有以下有益效果:
1、本發明提供的一種光合作用儀,它的光量子傳感器距離葉室很近,且有多個傳感器探頭,分布在葉室內不同位置,即使光照不均勻,也能通過多點測量后平均的方法,精確地測定入射到葉片表面的光譜、光質和光強(PAR值),能用于測量近紅外到近紫外所有波段的光對植物的光合作用,還能提供各種光照條件供植物特征光譜研究使用;
2、本發明的光合作用儀包括多種LED光源,通過控制電路調節,可實現各種光質配比,光源為葉室提供從0-3000μmol·m-2·s -1連續可調的光照強度,因此,LED光源可為葉室提供各種光照條件用于植物特征光譜研究;
3、本發明的光合作用儀內置四個獨立的高精度非分散的紅外線CO2/H2O傳感器,分別測定參比和分析氣路中CO2和H2O濃度,傳感器可用于開放式或密閉式測定,氣溫用熱敏電阻探頭,葉溫用輻射探頭非接觸測定,可自動或手動控制葉室內部的環境條件(CO2和H2O濃度、溫度等);
4、本發明的光合作用儀具有多個自動測量程序,能自動測量光譜曲線,光響應曲線和二氧化碳響應曲線等光合作用曲線;還包括報警系統,當智能控制系統正常運行卻無法使葉室內的環境達到預設的要求時,發出報警。
附圖說明
圖1為本發明暗室的示意圖。
圖2為本發明矩形寬葉室示意圖。
圖3為本發明夾放寬葉型小葉片的示意圖。
圖4為本發明夾放寬葉型大葉片的示意圖。
圖5為本發明長方形窄葉室示意圖。
圖6為本發明夾放窄葉型小葉片的示意圖。
圖7為本發明夾放窄葉型大葉片的示意圖。
圖8為本發明光合作用儀的結構示意圖。
圖中,1~4、15為葉室壁,5為隔離框,6-1~6-5、16-1~16-4為傳感器探頭,7、17為葉溫傳感器探頭,8、18為入射光方向,9為光纖束,10為球面鏡,11為平面反射光柵,12為會聚球面鏡,13為CCD陣列探測器,14為處理芯片,20為暗室。
具體實施方式
下面結合附圖,對本發明的技術方案進行具體說明。
本發明的一種基于光纖傳感器的光合作用儀,包括矩形葉室和矩形暗室;所述矩形葉室內設置有一矩形葉片夾放空間,該葉片夾放空間由設置于矩形葉室內的隔離框隔離而成;所述隔離框的外壁周側設置有若干光纖傳感器的傳感器探頭;所述光纖傳感器探頭的入光口和葉片平面處于同一高度;所述矩形暗室內設置有球面鏡、會聚球面鏡以及光纖傳感器的光柵和CCD陣列探測器;所述矩形葉室內的傳感器探頭采集的光經一光纖束傳輸至矩形暗室中,光纖束出口的光經球面鏡反射后變成平行光,該平行光入射至光柵,經光柵反射發生衍射形成衍射光束,衍射光束通過會聚球面鏡會聚后,照射于CCD陣列探測器,并由該CCD陣列探測器傳輸至處理芯片進行處理。
當所述矩形葉室為寬葉室時:所述傳感器探頭的個數為5個;所述隔離框為由第一隔離片、第二隔離片和第三隔離片以及寬葉室的一壁包圍而成的矩形框;設所述寬葉室相鄰近矩形暗室的一壁為第一葉室壁;所述第一隔離片平行于第一葉室壁,所述第二隔離片平行于與第一葉室壁相鄰的第二葉室壁,所述第三隔離片平行于與第一葉室壁相鄰的第三葉室壁;第一傳感器探頭放置于第一隔離片外壁的中點位置;第二傳感器探頭和第三傳感器探頭分別放置于第二隔離片外壁的三分之一處和三分之二處;第四傳感器探頭和第五傳感器探頭分別放置于第三隔離片外壁的三分之一處和三分之二處。
當所述矩形葉室為窄葉室時:所述傳感器探頭的個數為4個;所述隔離框為由第一隔離片、第二隔離片、第三隔離片和第四隔離片包圍而成的矩形框;設所述寬葉室相鄰近矩形暗室的一壁為第一葉室壁;所述第一隔離片平行于第一葉室壁,所述第二隔離片平行于與第一葉室壁相鄰的第二葉室壁,所述第三隔離片平行于與第一葉室壁相鄰的第三葉室壁,所述第四隔離片平行于與第一葉室壁相對的第四葉室壁;第一傳感器探頭和第二傳感器探頭分別放置于第一隔離片外壁的四分之一處和四分之三處;第三傳感器探頭和第四傳感器探頭分別放置于第二隔離片外壁的四分之一處和四分之三處。
所述隔離片由透光材料制成。
為讓本領域技術人員更加了解本發明,以下結合附圖講述本發明的具體實施例。
如圖1為本發明暗室的示意圖,圖2為本發明長方形寬葉室示意圖,圖中,1~4為葉室的四個壁,其中1、2、4為夾放葉片的壁,3為連著暗室20的壁;隔離框5(包括3片隔離片)外周側為光纖傳感器的傳感器探頭6-1~6-5,直徑只有2~3毫米,5個光纖傳感器探頭6-1~6-5分布在緊靠隔離框5的不同位置,靠近壁2和壁4的傳感器探頭6-2~6-5分別處于隔離框5上下兩個相對隔離片長度的三分之一和三分之二附近,靠近壁3的傳感器探頭6-1處于隔離框5中間隔離片的中點附近,隔離框把傳感器探頭6-1~6-5和葉片夾放空間隔開,隔離片可用玻璃或其它不影響葉室環境的材料做成;葉片夾放空間內還設有一用于測量葉片溫度的葉溫傳感器探頭7,葉溫傳感器探頭7、傳感器探頭6-1~6-5的入光口和葉片平面處于同一高度;8代表入射光方向。
長方形寬葉室的葉片夾放的方法有兩種,如圖3和圖4所示,其中,圖3是夾放寬葉型小葉片的方法,小葉片不會遮擋住傳感器探頭6-1~6-5,最后LCD顯示屏上顯示的是5個探測器探測到的光的平均;圖4是夾放寬葉型大葉片的方法,只露出3個傳感器探頭6-1、6-2和6-4,最后LCD顯示屏上顯示的是3個探頭探測到的光的平均值。
圖5為長方形窄葉室,葉室壁15連著暗室20,4個傳感器探頭16-1~16-4分別位于較長的兩條隔離片長度的四分之一和四分之三附近,18代表入射光方向;圖6是夾放窄葉型小葉片的方法,和前面夾放寬葉型小葉片的方法相似,小葉片不會遮擋住傳感器探頭16-1~16-4,最后LCD顯示屏上顯示的是4個探頭探測到的光的平均值;圖7是夾放窄葉型大葉片的方法,同夾放寬葉型大葉片的方法相似,只露出2個傳感器探頭16-1及16-2,最后LCD顯示屏上顯示的是2個探頭探測到的光的平均值,17代表窄葉型葉室葉溫傳感器探頭。
如圖1為本發明暗室的示意圖,其中,葉室中光纖傳感器探測到的光經光纖束9傳輸至暗室20,光纖束9出口到球面鏡10中心的距離為球面鏡10的一倍焦距,即光纖束9出口處為球面鏡10的焦點,按照球面反射原理,焦點發出的光經球面鏡10反射后將變成平行光,平行光均勻地入射到平面反射光柵11上,經平面反射光柵11發生衍射,衍射光將按波長在空間依次排開,衍射光束比較分散,讓它通過一個會聚球面鏡12,會聚后的光照在圖中的CCD陣列探測器13上,由于不同波長的衍射光會聚在陣列上不同位置的CCD上,陣列CCD能把光按波長分開探測,CCD探測器包括近紫外CCD、可見光CCD、近紅外CCD探測器,因此能探測近紫外光、可見光和近紅外光;探測結果傳輸到處理芯片14上,經處理就得到光譜,測量數據也可通過傳輸線即時傳輸到外接電腦終端;處理芯片14的軟件能畫出光譜曲線和統計出所要求波長范圍內的PAR值,并由此得到光質;例如,實驗中要求葉片表面的紅橙光(波長600nm~700nm)、綠色光(波長500nm~600nm)和蘭紫光(波長400nm~500nm)組成的光質,則在操作界面光質一欄中填入三個波長范圍600nm~700nm、500nm~600nm和400nm~500nm,軟件就會自動統計出這三個波長范圍內的PAR值各是多少μmol·m-2·s -1,而這三個PAR值的比,就是現有研究中常用來表示光質的光強比,光譜曲線、光質和總的PAR值都能在LCD液晶顯示屏上顯示,讓使用者一目了然。
由于最后得到的光譜、光質和光強是各點測得值的平均,所以,即使是在不均勻光照環境下測量,測得的光譜、光質和光強也是最接近實際值的,因此實驗結果最為可靠,誤差也最小。
圖8為本發明的光合作用儀的結構示意圖,測量系統由光譜測量單元、CO2濃度測量單元、H2O濃度測量單元、溫度測量單元和氣體流量測量單元組成,內置四個獨立的高精度非分散的紅外線CO2/H2O傳感器,分別測定參比和分析氣路中CO2和H2O濃度,傳感器可用于開放式或密閉式測定,氣溫用熱敏電阻探測,葉溫可用輻射探頭非接觸測定,測得的數據傳送給處理芯片,處理芯片能根據測量值算出光質、光強和各光合參數,并通過軟件畫出光譜曲線,光響應曲線和二氧化碳響應曲線等光合作用曲線。圖8中的智能控制系統用于控制葉室內的光質、光強、CO2和H2O濃度、溫度和流量,在操作界面上輸入各控制參數值后,智能控制系統能自動運行調光質、光強、CO2和H2O濃度、溫度和流量的輔助設備,使葉室內的光質、光強、CO2和H2O濃度、溫度和流量很快達到設定的值。
本發明還包括多種LED光源,單色LED光源波長從近紫外到近紅外各個波段都有,每個波段光波半波寬度小于30nm,混色LED光源通過智能控制系統調節,可實現各種光譜,光源為葉室提供從0-3000μmol·m-2·s -1連續可調的光強,因此,通過控制,LED光源可為葉室提供各種光照條件用于植物特征光譜研究。
本發明還包括報警系統,當智能控制系統正常運行卻無法使葉室內的環境達到預設的要求時,發出報警。
以上僅為本發明實施例中一個較佳的實施方案。但是,本發明并不限于上述實施方案,凡按本發明方案所做的任何均等變化和修飾,所產生的功能作用未超出本方案的范圍時,均屬于本發明的保護范圍。

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一種 基于 光纖 傳感器 光合作用
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