基于紅外測(cè)溫的便攜式光合儀的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及實(shí)驗(yàn)檢測(cè)儀器領(lǐng)域，具體涉及對(duì)植物光合生理檢測(cè)儀器準(zhǔn)確性的改進(jìn)。
【背景技術(shù)】
[0002]L1-COR 6400便攜式光合儀是一種多功能、高效的植物葉片生理特性檢測(cè)儀器，是國(guó)際植物生理生態(tài)領(lǐng)域最被廣泛認(rèn)可的植物葉片光合和蒸騰以及氣孔導(dǎo)度活體檢測(cè)儀器。
[0003]植物進(jìn)行光合作用需要吸收⑶2，而在為CO2提供氣體通道的同時(shí)不可避免地導(dǎo)致了水分的蒸騰散失。根據(jù)由菲克定律衍生的氣體擴(kuò)散方程可知，葉片通過調(diào)整水汽散失的氣孔導(dǎo)度gs,w控制著水分散失速率E(m0l H2O s—1Hf2):
[0004]E = gs,wA Xw= gs,w( W1-Wci) (2)
[0005]式中Δ Xw=Wi—Wo，Wi為葉片氣孔中水汽的摩爾分?jǐn)?shù)，W。為葉片環(huán)境中水汽的摩爾分?jǐn)?shù)。
[0006]gs,w由空氣中水蒸氣的擴(kuò)散系數(shù)、葉片水汽擴(kuò)散距離以及橫截面積等因素決定。由于植物自身能改變氣孔處保衛(wèi)細(xì)胞的大小和形狀，故氣孔處的水汽擴(kuò)散以及氣孔大小因植物而異。
[0007]固碳過程是通過與水汽擴(kuò)散相同的氣體通道進(jìn)行的，固碳速率A(molCO2s-1Hf2)為:
[0008]A = gs,c AXc = gs,c(C1-C0) (3)
[0009]式中AXc = Ci — Cc1Ai為葉片環(huán)境中CO2的摩爾分?jǐn)?shù)，C。為葉片胞間CO2的摩爾分?jǐn)?shù)。
[0010]葉片吸收CO2和釋放水汽是同一個(gè)通道，因此gs,W與gs,c之比為一常數(shù)，SP
[0011]gs,c = gs,w/l.4(4)
[0012]根據(jù)以上原理，L1-⑶R 6400便攜式光合儀通過空氣流量傳感器和紅外氣體分析儀(IRGA)測(cè)量CO2和水分含量變化，從而計(jì)算出E和W。，根據(jù)T1 (葉溫，即葉片溫度)查飽和蒸汽密度表估算Wi,從而由式(2)估算gs,w;同理，直接通過空氣流量傳感器和IRGA測(cè)量出A和Lgs,c貝帳據(jù)式⑷由^,?.估算出，從而最終得到匕值。C1值的準(zhǔn)確估算對(duì)于uA-C1 ”曲線分析極為重要。由此可見，葉溫T1的精準(zhǔn)測(cè)量是L1-COR 6400便攜式光合儀檢測(cè)方法體系的關(guān)鍵。
[0013]葉溫1^的測(cè)量在L1-COR6400便攜式光合儀的葉室內(nèi)完成，但是研究結(jié)果表明，目前葉室采用熱電偶探頭來探測(cè)葉溫存在以下不足:與葉片(厚度〈0.1mm)相比，熱電偶探頭的測(cè)量節(jié)點(diǎn)較厚(約為0.5mm)，由此導(dǎo)致探頭與葉片的熱接觸往往不充分，熱電偶大部分處于葉片溫度與空氣溫度的臨界層，測(cè)量精度低。并且由于熱電偶測(cè)溫法需要接觸葉片，易損壞，位置不好掌握，有可能傷害葉片，造成測(cè)量值異常。因此導(dǎo)致光合和蒸騰相關(guān)參數(shù)的計(jì)算出現(xiàn)較大誤差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0014]本實(shí)用新型的目的在于提供一種基于紅外測(cè)溫的便攜式光合儀。
[0015]為達(dá)到上述目的，本實(shí)用新型采用了以下技術(shù)方案:
[0016]該便攜式光合儀包括葉室，所述葉室內(nèi)設(shè)置有用于檢測(cè)葉溫的紅外溫度探頭，所述紅外溫度探頭包括紅外溫度傳感器以及用于將紅外溫度傳感器檢測(cè)的溫度數(shù)據(jù)輸出至外部便攜數(shù)據(jù)處理終端的接口電路。
[0017]所述紅外溫度傳感器采用MLX90614芯片，MLX90614芯片的紅外傳感器上設(shè)置有鏡頭，鏡頭與所述紅外傳感器之間設(shè)置有濾光片。
[0018]所述接口電路采用USB串口與所述外部便攜數(shù)據(jù)處理終端進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。
[0019]所述接口電路與紅外溫度傳感器設(shè)置于基于Arduino平臺(tái)的電路板上。
[0020]所述外部便攜數(shù)據(jù)處理終端采用筆記本電腦。
[0021]所述葉室內(nèi)設(shè)置有用于固定所述紅外溫度探頭的鋁合金板。
[0022]本實(shí)用新型的有益效果體現(xiàn)在:
[0023]本實(shí)用新型在葉室內(nèi)增設(shè)紅外溫度探頭，并利用紅外溫度探頭對(duì)葉溫進(jìn)行非接觸式測(cè)量，顯著提高了葉溫檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可重復(fù)性，解決了光合和蒸騰相關(guān)參數(shù)的計(jì)算出現(xiàn)較大誤差的問題。
【附圖說明】
[0024]圖1為紅外溫度探頭在改進(jìn)后的L1-COR6400便攜式光合儀葉室內(nèi)的安裝示意圖；圖1中:I為葉室，2為葉片，3為紅外溫度探頭，4為熱電偶；
[0025]圖2為現(xiàn)有L1-COR6400便攜式光合儀葉室內(nèi)熱電偶與葉片接觸狀態(tài)示意圖；圖2中:2為葉片，4為熱電偶；
[0026]圖3為圖1所示紅外溫度探頭的工作原理示意圖；圖3中:5為鏡頭，6為濾光片，7為紅外傳感器，8為環(huán)境溫度傳感器，9為筆記本電腦；
[0027]圖4為使用兩種測(cè)溫方式對(duì)桃樹葉片進(jìn)行的對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果；圖4中，X軸為光照強(qiáng)度，△ IY1^使用紅外測(cè)溫法測(cè)得的葉溫與葉室內(nèi)的空氣溫度之差；ATltc指使用熱電偶測(cè)溫法測(cè)得的葉溫與葉室內(nèi)的空氣溫度之差；gs(LiR)為基于紅外測(cè)溫法計(jì)算的氣孔導(dǎo)度值；gsaTO為基于熱電偶測(cè)溫法計(jì)算的氣孔導(dǎo)度值。
【具體實(shí)施方式】
[0028]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型做詳細(xì)說明。
[0029]本實(shí)用新型所述基于紅外測(cè)溫的便攜式光合儀是基于紅外測(cè)溫法對(duì)現(xiàn)有L1-C0R6400便攜式光合儀的改進(jìn)，改進(jìn)部分在于葉溫的測(cè)量方式改為紅外測(cè)溫(現(xiàn)有測(cè)量方式為熱電偶測(cè)溫法，基于熱電偶4與植物葉片2的接觸，但熱電偶與葉片的熱接觸往往不充分，參見圖2)，涉及的結(jié)構(gòu)變化主要在于葉室I內(nèi)，具體描述如下:
[0030]參見圖1，使用2*3(單位:cm)鋁合金板并在板正中位置安裝紅外溫度探頭3，然后將鋁合金板接入葉室I，即在原有葉室內(nèi)增設(shè)紅外溫度探頭3。紅外溫度探頭3連接外部筆記本電腦9進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。
[0031]參見圖3，紅外溫度探頭3的電路板基于Arduino平臺(tái)，電路板上核心部分為板載MLX90614芯片，MLX90614芯片具有可編程的RAM和專用DSP(數(shù)字信號(hào)處理器)，它可以測(cè)量溫度數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)輸送到Arduino接收芯片(用于輸出數(shù)據(jù)至顯示模塊并帶有USB接口)?，F(xiàn)有MLX90614芯片的測(cè)溫原理如下:葉片2輻射的紅外光通過MLX90614芯片的紅外傳感器7采集，即通過自帶的鏡頭5采集葉片輻射的光線，然后經(jīng)由自帶的濾光片6濾去其它波段(指除紅外波段外的波段)的光線，后到達(dá)紅外傳感器7，通過測(cè)量與紅外線能量成正比的熱電勢(shì)，通過AMP以及A/D線路運(yùn)算放大，并通過環(huán)境溫度傳感器8測(cè)得的紅外溫度探頭3內(nèi)環(huán)境溫度作為補(bǔ)償信號(hào)，由微控制單元(M⑶)換算，得出相應(yīng)的溫度(葉溫以及探頭內(nèi)環(huán)境溫度)，并通過USB串口輸出葉溫以及探頭內(nèi)環(huán)境溫度至筆記本電腦9。獲得紅外溫度探頭檢測(cè)的葉溫?cái)?shù)據(jù)后，在筆記本電腦9中將導(dǎo)出自便攜式光合儀的電子表格(例如，Excel)中的葉溫?cái)?shù)據(jù)替換為上述葉溫?cái)?shù)據(jù)，電子表格根據(jù)內(nèi)建的函數(shù)公式即可更新基于葉溫計(jì)算的參數(shù)的結(jié)果O
[0032]L1-COR 6400便攜式光合儀原有的測(cè)溫方案為每秒鐘采樣10次并存儲(chǔ)其平均值，據(jù)此編程設(shè)定紅外傳感器7的工作模式以及反射率。編程并運(yùn)行調(diào)試，即可實(shí)時(shí)檢測(cè)葉溫，且相比于熱電偶測(cè)溫，紅外測(cè)溫法對(duì)于葉溫測(cè)量具有更高的精確度和可重復(fù)性，從而提高基于葉溫測(cè)量的相關(guān)參數(shù)的準(zhǔn)確性。
[0033]為驗(yàn)證紅外溫度探頭測(cè)溫(紅外測(cè)溫法)的準(zhǔn)確性，對(duì)桃樹葉片進(jìn)行光響應(yīng)曲線的測(cè)量。理論上，通過葉溫與葉室內(nèi)的空氣溫度的溫度差，可以反映出空氣溫度對(duì)于測(cè)溫法的影響程度，從圖4可以看出，溫度差A(yù)Tltc擬合線更偏向X軸，表明熱電偶測(cè)溫法受環(huán)境溫度影響更大。并且，若兩種測(cè)溫方法都受環(huán)境影響，則溫度差A(yù) TltWP △ Tlir擬合線將平行。而隨著光照強(qiáng)度的升高，葉溫隨之上升，當(dāng)葉溫等于環(huán)境溫度時(shí)，受環(huán)境溫度影響的測(cè)溫方法測(cè)得的溫度將與不受環(huán)境溫度影響的測(cè)溫方法測(cè)得的溫度相等，即A Tltc^P Δ 1^擬合線相交(如圖4所示)。由此驗(yàn)證了紅外溫度探頭測(cè)溫的準(zhǔn)確性，不受環(huán)境溫度影響。
[0034]同時(shí)基于紅外測(cè)溫法和熱電偶測(cè)溫法計(jì)算葉片的氣孔導(dǎo)度，以便得出這兩種測(cè)溫方法對(duì)于便攜式光合儀常規(guī)計(jì)算參數(shù)準(zhǔn)確性的影響。氣孔導(dǎo)度反應(yīng)了葉片氣孔的張開程度。理論上，對(duì)于C3植物(桃樹)而言，當(dāng)光照強(qiáng)度較低時(shí)，氣孔張開程度不高，氣孔導(dǎo)度應(yīng)該較低，隨著光強(qiáng)升高，氣孔導(dǎo)度隨之上升，但當(dāng)光強(qiáng)超過飽和光強(qiáng)后，氣孔導(dǎo)度有所下降。圖4中g(shù)s_)更符合這一趨勢(shì)。
[0035]通過實(shí)驗(yàn)對(duì)比，可以得出，與熱電偶測(cè)溫法相比，使用紅外測(cè)溫法不受環(huán)境溫度的影響，提高了測(cè)量的準(zhǔn)確性，且基于紅外測(cè)溫法測(cè)量的溫度所計(jì)算的光合相關(guān)參數(shù)(氣孔導(dǎo)度)更符合理論趨勢(shì)，提高了光合相關(guān)參數(shù)計(jì)算準(zhǔn)確性和精度。
[0036]本實(shí)用新型僅在葉室內(nèi)增設(shè)體積較小的紅外溫度探頭，不會(huì)對(duì)便攜式光合儀的空氣流量傳感器以及紅外分析儀造成影響。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種基于紅外測(cè)溫的便攜式光合儀，其特征在于:包括葉室(I)，所述葉室(I)內(nèi)設(shè)置有用于檢測(cè)葉溫的紅外溫度探頭(3)，所述紅外溫度探頭(3)包括紅外溫度傳感器以及用于將紅外溫度傳感器檢測(cè)的溫度數(shù)據(jù)輸出至外部便攜數(shù)據(jù)處理終端的接口電路。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種基于紅外測(cè)溫的便攜式光合儀，其特征在于:所述紅外溫度傳感器采用MLX90614芯片，MLX90614芯片的紅外傳感器(7)上設(shè)置有鏡頭(5)，鏡頭(5)與所述紅外傳感器(7)之間設(shè)置有濾光片(6)。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種基于紅外測(cè)溫的便攜式光合儀，其特征在于:所述接口電路采用USB串口與所述外部便攜數(shù)據(jù)處理終端進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種基于紅外測(cè)溫的便攜式光合儀，其特征在于:所述接口電路與紅外溫度傳感器設(shè)置于基于Arduino平臺(tái)的電路板上。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種基于紅外測(cè)溫的便攜式光合儀，其特征在于:所述外部便攜數(shù)據(jù)處理終端采用筆記本電腦(9)。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種基于紅外測(cè)溫的便攜式光合儀，其特征在于:所述葉室(I)內(nèi)設(shè)置有用于固定所述紅外溫度探頭(3)的鋁合金板。
【專利摘要】本實(shí)用新型提供一種基于紅外測(cè)溫的便攜式光合儀：包括葉室，所述葉室內(nèi)設(shè)置有用于檢測(cè)葉溫的紅外溫度探頭，所述紅外溫度探頭包括MLX90614芯片以及用于將MLX90614芯片檢測(cè)的溫度數(shù)據(jù)輸出至外部便攜數(shù)據(jù)處理終端的接口電路。本實(shí)用新型利用紅外溫度探頭對(duì)葉溫進(jìn)行非接觸式測(cè)量，大大提高了檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可重復(fù)性，解決了光合和蒸騰相關(guān)參數(shù)的計(jì)算出現(xiàn)較大誤差的問題。
【IPC分類】G01J5/10
【公開號(hào)】CN205246222
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201521095973
【發(fā)明人】張玲玲, 梅爾文·T·泰里, 王瑞慶, 張勝
【申請(qǐng)人】西北農(nóng)林科技大學(xué)
【公開日】2016年5月18日
【申請(qǐng)日】2015年12月24日