基于红外测温的便携式光合仪的制作方法
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及实验检测仪器领域，具体涉及对植物光合生理检测仪器准确性的改进。
【背景技术】
[0002]L1-COR 6400便携式光合仪是一种多功能、高效的植物叶片生理特性检测仪器，是国际植物生理生态领域最被广泛认可的植物叶片光合和蒸腾以及气孔导度活体检测仪器。
[0003]植物进行光合作用需要吸收⑶2，而在为CO2提供气体通道的同时不可避免地导致了水分的蒸腾散失。根据由菲克定律衍生的气体扩散方程可知，叶片通过调整水汽散失的气孔导度gs,w控制着水分散失速率E(m0l H2O s—1Hf2):
[0004]E = gs,wA Xw= gs,w( W1-Wci) (2)
[0005]式中Δ Xw=Wi—Wo，Wi为叶片气孔中水汽的摩尔分数，W。为叶片环境中水汽的摩尔分数。
[0006]gs,w由空气中水蒸气的扩散系数、叶片水汽扩散距离以及横截面积等因素决定。由于植物自身能改变气孔处保卫细胞的大小和形状，故气孔处的水汽扩散以及气孔大小因植物而异。
[0007]固碳过程是通过与水汽扩散相同的气体通道进行的，固碳速率A(molCO2s-1Hf2)为:
[0008]A = gs,c AXc = gs,c(C1-C0) (3)
[0009]式中AXc = Ci — Cc1Ai为叶片环境中CO2的摩尔分数，C。为叶片胞间CO2的摩尔分数。
[0010]叶片吸收CO2和释放水汽是同一个通道，因此gs,W与gs,c之比为一常数，SP
[0011]gs,c = gs,w/l.4(4)
[0012]根据以上原理，L1-⑶R 6400便携式光合仪通过空气流量传感器和红外气体分析仪(IRGA)测量CO2和水分含量变化，从而计算出E和W。，根据T1 (叶温，即叶片温度)查饱和蒸汽密度表估算Wi,从而由式(2)估算gs,w;同理，直接通过空气流量传感器和IRGA测量出A和Lgs,c贝帳据式⑷由^,?.估算出，从而最终得到匕值。C1值的准确估算对于uA-C1 ”曲线分析极为重要。由此可见，叶温T1的精准测量是L1-COR 6400便携式光合仪检测方法体系的关键。
[0013]叶温1^的测量在L1-COR6400便携式光合仪的叶室内完成，但是研究结果表明，目前叶室采用热电偶探头来探测叶温存在以下不足:与叶片(厚度〈0.1mm)相比，热电偶探头的测量节点较厚(约为0.5mm)，由此导致探头与叶片的热接触往往不充分，热电偶大部分处于叶片温度与空气温度的临界层，测量精度低。并且由于热电偶测温法需要接触叶片，易损坏，位置不好掌握，有可能伤害叶片，造成测量值异常。因此导致光合和蒸腾相关参数的计算出现较大误差。
【发明内容】
[0014]本实用新型的目的在于提供一种基于红外测温的便携式光合仪。
[0015]为达到上述目的，本实用新型采用了以下技术方案:
[0016]该便携式光合仪包括叶室，所述叶室内设置有用于检测叶温的红外温度探头，所述红外温度探头包括红外温度传感器以及用于将红外温度传感器检测的温度数据输出至外部便携数据处理终端的接口电路。
[0017]所述红外温度传感器采用MLX90614芯片，MLX90614芯片的红外传感器上设置有镜头，镜头与所述红外传感器之间设置有滤光片。
[0018]所述接口电路采用USB串口与所述外部便携数据处理终端进行数据通信。
[0019]所述接口电路与红外温度传感器设置于基于Arduino平台的电路板上。
[0020]所述外部便携数据处理终端采用笔记本电脑。
[0021]所述叶室内设置有用于固定所述红外温度探头的铝合金板。
[0022]本实用新型的有益效果体现在:
[0023]本实用新型在叶室内增设红外温度探头，并利用红外温度探头对叶温进行非接触式测量，显著提高了叶温检测结果的准确性和可重复性，解决了光合和蒸腾相关参数的计算出现较大误差的问题。
【附图说明】
[0024]图1为红外温度探头在改进后的L1-COR6400便携式光合仪叶室内的安装示意图；图1中:I为叶室，2为叶片，3为红外温度探头，4为热电偶；
[0025]图2为现有L1-COR6400便携式光合仪叶室内热电偶与叶片接触状态示意图；图2中:2为叶片，4为热电偶；
[0026]图3为图1所示红外温度探头的工作原理示意图；图3中:5为镜头，6为滤光片，7为红外传感器，8为环境温度传感器，9为笔记本电脑；
[0027]图4为使用两种测温方式对桃树叶片进行的对比实验结果；图4中，X轴为光照强度，△ IY1^使用红外测温法测得的叶温与叶室内的空气温度之差；ATltc指使用热电偶测温法测得的叶温与叶室内的空气温度之差；gs(LiR)为基于红外测温法计算的气孔导度值；gsaTO为基于热电偶测温法计算的气孔导度值。
【具体实施方式】
[0028]下面结合附图和实施例对本实用新型做详细说明。
[0029]本实用新型所述基于红外测温的便携式光合仪是基于红外测温法对现有L1-C0R6400便携式光合仪的改进，改进部分在于叶温的测量方式改为红外测温(现有测量方式为热电偶测温法，基于热电偶4与植物叶片2的接触，但热电偶与叶片的热接触往往不充分，参见图2)，涉及的结构变化主要在于叶室I内，具体描述如下:
[0030]参见图1，使用2*3(单位:cm)铝合金板并在板正中位置安装红外温度探头3，然后将铝合金板接入叶室I，即在原有叶室内增设红外温度探头3。红外温度探头3连接外部笔记本电脑9进行数据传输。
[0031]参见图3，红外温度探头3的电路板基于Arduino平台，电路板上核心部分为板载MLX90614芯片，MLX90614芯片具有可编程的RAM和专用DSP(数字信号处理器)，它可以测量温度数据并将数据输送到Arduino接收芯片(用于输出数据至显示模块并带有USB接口)。现有MLX90614芯片的测温原理如下:叶片2辐射的红外光通过MLX90614芯片的红外传感器7采集，即通过自带的镜头5采集叶片辐射的光线，然后经由自带的滤光片6滤去其它波段(指除红外波段外的波段)的光线，后到达红外传感器7，通过测量与红外线能量成正比的热电势，通过AMP以及A/D线路运算放大，并通过环境温度传感器8测得的红外温度探头3内环境温度作为补偿信号，由微控制单元(M⑶)换算，得出相应的温度(叶温以及探头内环境温度)，并通过USB串口输出叶温以及探头内环境温度至笔记本电脑9。获得红外温度探头检测的叶温数据后，在笔记本电脑9中将导出自便携式光合仪的电子表格(例如，Excel)中的叶温数据替换为上述叶温数据，电子表格根据内建的函数公式即可更新基于叶温计算的参数的结果O
[0032]L1-COR 6400便携式光合仪原有的测温方案为每秒钟采样10次并存储其平均值，据此编程设定红外传感器7的工作模式以及反射率。编程并运行调试，即可实时检测叶温，且相比于热电偶测温，红外测温法对于叶温测量具有更高的精确度和可重复性，从而提高基于叶温测量的相关参数的准确性。
[0033]为验证红外温度探头测温(红外测温法)的准确性，对桃树叶片进行光响应曲线的测量。理论上，通过叶温与叶室内的空气温度的温度差，可以反映出空气温度对于测温法的影响程度，从图4可以看出，温度差ATltc拟合线更偏向X轴，表明热电偶测温法受环境温度影响更大。并且，若两种测温方法都受环境影响，则温度差A TltWP △ Tlir拟合线将平行。而随着光照强度的升高，叶温随之上升，当叶温等于环境温度时，受环境温度影响的测温方法测得的温度将与不受环境温度影响的测温方法测得的温度相等，即A Tltc^P Δ 1^拟合线相交(如图4所示)。由此验证了红外温度探头测温的准确性，不受环境温度影响。
[0034]同时基于红外测温法和热电偶测温法计算叶片的气孔导度，以便得出这两种测温方法对于便携式光合仪常规计算参数准确性的影响。气孔导度反应了叶片气孔的张开程度。理论上，对于C3植物(桃树)而言，当光照强度较低时，气孔张开程度不高，气孔导度应该较低，随着光强升高，气孔导度随之上升，但当光强超过饱和光强后，气孔导度有所下降。图4中gs_)更符合这一趋势。
[0035]通过实验对比，可以得出，与热电偶测温法相比，使用红外测温法不受环境温度的影响，提高了测量的准确性，且基于红外测温法测量的温度所计算的光合相关参数(气孔导度)更符合理论趋势，提高了光合相关参数计算准确性和精度。
[0036]本实用新型仅在叶室内增设体积较小的红外温度探头，不会对便携式光合仪的空气流量传感器以及红外分析仪造成影响。
【主权项】
1.一种基于红外测温的便携式光合仪，其特征在于:包括叶室(I)，所述叶室(I)内设置有用于检测叶温的红外温度探头(3)，所述红外温度探头(3)包括红外温度传感器以及用于将红外温度传感器检测的温度数据输出至外部便携数据处理终端的接口电路。2.根据权利要求1所述一种基于红外测温的便携式光合仪，其特征在于:所述红外温度传感器采用MLX90614芯片，MLX90614芯片的红外传感器(7)上设置有镜头(5)，镜头(5)与所述红外传感器(7)之间设置有滤光片(6)。3.根据权利要求1所述一种基于红外测温的便携式光合仪，其特征在于:所述接口电路采用USB串口与所述外部便携数据处理终端进行数据通信。4.根据权利要求1所述一种基于红外测温的便携式光合仪，其特征在于:所述接口电路与红外温度传感器设置于基于Arduino平台的电路板上。5.根据权利要求1所述一种基于红外测温的便携式光合仪，其特征在于:所述外部便携数据处理终端采用笔记本电脑(9)。6.根据权利要求1所述一种基于红外测温的便携式光合仪，其特征在于:所述叶室(I)内设置有用于固定所述红外温度探头(3)的铝合金板。
【专利摘要】本实用新型提供一种基于红外测温的便携式光合仪：包括叶室，所述叶室内设置有用于检测叶温的红外温度探头，所述红外温度探头包括MLX90614芯片以及用于将MLX90614芯片检测的温度数据输出至外部便携数据处理终端的接口电路。本实用新型利用红外温度探头对叶温进行非接触式测量，大大提高了检测结果的准确性和可重复性，解决了光合和蒸腾相关参数的计算出现较大误差的问题。
【IPC分类】G01J5/10
【公开号】CN205246222
【申请号】CN201521095973
【发明人】张玲玲, 梅尔文·T·泰里, 王瑞庆, 张胜
【申请人】西北农林科技大学
【公开日】2016年5月18日
【申请日】2015年12月24日