專利名稱：雙通道葉片紅外溫度和光合作用同步測定葉室的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種雙通道葉片紅外溫度和光合作用同步測定葉室。該葉室連接 LI-C0R6400便攜式光合作用儀，根據(jù)葉室內(nèi)C02、H2O的濃度變化來測定植株葉片的碳水通 量，葉室內(nèi)安裝有連接筆記本電腦的紅外測溫儀的微型傳感頭，在測定葉片碳水通量時，同 步測定并自動記錄植被葉片上下表面的紅外輻射溫度，為葉片的輻射溫度對其光合作用的 影響機(jī)理及其模型研究提供科學(xué)依據(jù)，提高NPP模型預(yù)測的精度，屬于生物學(xué)研究儀器領(lǐng) 域。
技術(shù)背景隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，以遙感為主要數(shù)據(jù)源的碳循環(huán)遙感估算模式已經(jīng)被國際社 會所接受，基于遙感的碳循環(huán)研究已經(jīng)成為目前碳循環(huán)研究的重要方法。利用遙感來估算凈第一生產(chǎn)力一般采用M0nteith(1972，1977)提出的光能利用 模式即植被吸收的光合有效輻射“IPAR” (Intercepted Photosynthetically Active Radiation)乘以某種植被的光能利用率ε，即:NPP = IPARX ε這里1 41 是地表光合有效輻射“？々1 ”( 110忉8711讓6衍03117Active Radiation) 和植被冠層吸收的光合有效輻射的比率“FPAR”(Frection of Photosynthetically Active Radiation absorbed by thecanopy)的乘積，即I PAR = PAR X FPAR。ε 是生態(tài)系統(tǒng)的最 大光能利用率ε ^與溫度、水分和大氣中CO2濃度等光合作用限制因子的乘積，即ε = ε 0 X f (T) X f (W) X f (CO2)式中ε ^是最佳環(huán)境下的最大光能利用率，f (T)、f (W)和f (CO2)分別是光合作用 中的溫度、水分和大氣CO2濃度的限制函數(shù)。目前，遙感的NPP模型中，溫度對光合作用限制的計算模型中的T是氣溫，是基于 氣象站點(diǎn)監(jiān)測的氣溫值，并通過內(nèi)插將“點(diǎn)狀”測量數(shù)據(jù)擴(kuò)展到不同尺度的區(qū)域。那么，利 用這樣一個氣溫觀測值以及相應(yīng)函數(shù)進(jìn)行溫度限制，會由于以下問題而給NPP的估算帶來 誤差首先，直接影響植被光合作用的溫度不是氣溫，而是植被體本身的溫度，但是準(zhǔn)確測 定植被的表面溫度用接觸法很難甚至無法實(shí)現(xiàn)。第二，在估算NPP時所用的氣溫不能準(zhǔn)確 反映植被表面的真實(shí)溫度。第三，即使是氣溫，不同的時間尺度模型的選擇上存在很大的差 異。第四，現(xiàn)有氣象站點(diǎn)大多分布在距離城市較近的區(qū)域，而且百葉箱中獲得的氣溫值相對 于野外陸地生態(tài)系統(tǒng)來說代表性比較差。而且就區(qū)域分布來說，氣象站點(diǎn)的分布不均，森林 和草原生態(tài)系統(tǒng)區(qū)域的站點(diǎn)非常有限，而NPP的計算主要是在森林和草地地區(qū)。這些限制 因子的不確定性都會影響NPP的估算結(jié)果。而衛(wèi)星遙感探測的溫度是地表輻射溫度，對植 被冠層來說就是植被表層輻射溫度，它更接近植被本身的溫度。而且，衛(wèi)星遙感能瞬時獲取 大區(qū)域和連續(xù)分布的植被溫度，彌補(bǔ)了利用氣溫估算NPP的不足。把地表植被的輻射溫度 應(yīng)用于NPP模型中將能提高模型的準(zhǔn)確性。植被的輻射溫度與光合作用的關(guān)系以及對光合作用的影響過程，需要開展野外測量實(shí)驗(yàn)來探討。其中溫度的非接觸測量，實(shí)際上就是利用輻射計的測量與溫度的反演過程， 其基本的反演原理與衛(wèi)星遙感溫度類似，但目標(biāo)更均一，大氣的影響相對簡單。在輻射溫度 觀測的同時，開展光合作用的測量，對研究輻射溫度變化與光合作用變化的關(guān)系至關(guān)重要， 但是目前缺乏輻射溫度和光合作用同步測定的試驗(yàn)設(shè)備。LI-6400便攜式光合作用測量系統(tǒng)是世界著名植物生理生態(tài)儀器制造商LI-COR 公司的尖端產(chǎn)品，代表了當(dāng)今國際上植物葉片光合作用測量儀器的最高水平，是生態(tài)學(xué)研 究領(lǐng)域上重要的必不可少的基礎(chǔ)研究設(shè)備。單葉片的輻射溫度測量可以利用輻射計獲得， 因?yàn)檩椛溆嫷囊晥鼋禽^小，在輻射計鏡頭離葉片較近的時候，葉片將充分充滿輻射計視場 從而獲得葉片輻射溫度。問題是利用現(xiàn)有的葉片葉室測定葉片的光合作用和輻射計的測量 不可能完全同步，勢必會對試驗(yàn)結(jié)果帶來誤差。為了解決這個問題，必須對現(xiàn)有的葉室進(jìn)行 相應(yīng)改造，以便在LI-6400測量光合作用的同時獲得所測葉片的表面輻射溫度，進(jìn)而提高 NPP模型預(yù)測的準(zhǔn)確性。
發(fā)明內(nèi)容要解決的技術(shù)問題為了彌補(bǔ)現(xiàn)有的葉室不能對植物葉片的輻射溫度和光合作用同步測量的不足，本 實(shí)用新型發(fā)明自動記錄裝置，與Li Cor 6400連接，在測定葉片光合速率的同時，能同步對 葉片上、下表面的紅外輻射溫度進(jìn)行測量，為研究植物葉片的紅外輻射溫度與光合作用的 關(guān)系提供了科學(xué)數(shù)據(jù)，提高了 NPP模型預(yù)測的精度。這種葉室密封性好，簡單實(shí)用，操作方 便，數(shù)據(jù)能夠自動記錄。本實(shí)用新型解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是本實(shí)用新型提出的用于同步測定植物葉片上、下表面的輻射溫度和光合速率的葉 室，由雙通道紅外測溫儀和光合同化室組成。雙通道紅外測溫儀能同時對植物葉片上、下表 面的輻射溫度進(jìn)行測量并通過電腦自動記錄，光合同化室的功能是將被測葉片夾住，形成 固定被測空間和取樣，結(jié)合Li Cor 6400對植物葉片的光合速率進(jìn)行測量。光合同化室的內(nèi)徑尺寸長寬為2*3cm2，包括上蓋和下室，上蓋蓋子的材料為2mm厚 的有機(jī)玻璃，透光率為98%，由于有機(jī)玻璃對8-14um的紅外波透過率低，為了能精確地對 葉片上表面的輻射溫度進(jìn)行測量，在有機(jī)玻璃上嵌有一直徑為10mm、厚度為0. 5mm的Sum前 截止圓形濾光片做紅外測溫儀的窗口，上蓋內(nèi)部裝有一光合有效輻射傳感器PAR;下室內(nèi) 有一葉片溫度熱電偶，采用接觸法測量葉片下表面的溫度。雙通道紅外測溫儀由兩個微型 傳感頭、電器盒、電纜線和數(shù)據(jù)采集軟件組成，一個傳感頭用不銹鋼支架固定在上蓋的一個 角的斜上方，與上蓋的有機(jī)玻璃平面呈30°夾角，通過Sum前截止圓形濾光片測定短半軸 長為0. 9mm、長半軸長為Imm的橢圓形光斑的葉片上表面的輻射溫度，另一個微型傳感頭安 裝在下室內(nèi)，傳感頭表面距離葉片表面的距離為10mm，測量直徑為Imm的圓形光斑的葉片 下表面的輻射溫度；電器盒用于顯示雙通道輻射溫度值及提供通道接口、485通訊接口和 外接電源口 ；數(shù)據(jù)采集軟件為中文操作界面，可以對雙通道或單通道的數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，可以 設(shè)定記錄間隔，從而達(dá)到與光合速率測定的完全同步。本發(fā)明專利的有用效果是，可以在測定葉片光合速率的同時，方便地測定葉片上 下表面紅外輻射溫度，通過對雙通道紅外測溫儀進(jìn)行簡單設(shè)置，可以達(dá)到紅外輻射溫度和光合測定系統(tǒng)數(shù)據(jù)記錄的完全同步。測定數(shù)據(jù)全部自動記錄，方便快捷。以下結(jié)合附圖和實(shí)施方式進(jìn)一步說明本實(shí)用新型。

圖1是本實(shí)用新型的整體結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本實(shí)用新型葉室上蓋的示意圖；圖3是本實(shí)用新型葉室下室的示意圖；圖4是本實(shí)用新型紅外測溫儀的電器盒背面結(jié)構(gòu)示意圖；圖5是本實(shí)用新型的工作原理圖；圖1-4中，1為光合同化室上蓋，2為光合同化室下室，3為密封墊，4為光合有效輻 射傳感器，5為上蓋蓋子，6為Sum前截止濾光片，7為葉片溫度熱電偶，8、9為紅外測溫儀的 微型傳感頭，10為紅外測溫儀的電器盒，11為電纜線，12為不銹鋼支架，13、14為雙通道數(shù) 據(jù)線接口，15為485通訊口，16為電源接口。其中光合同化室上蓋(1)、光合同化室下室(2)、密封墊(3)、光合有效輻射傳感器 (4)、上蓋蓋子(5)、8um前截止濾光片(6)及葉片溫度熱電偶(7)組成了光合同化室；紅外 測溫儀的微型傳感頭(8、9)、電器盒(10)、電纜線11和數(shù)據(jù)采集軟件共同組成了雙通道紅 外測溫儀。
具體實(shí)施方式
參考圖1-4，本實(shí)用新型的葉室由光合同化室和雙通道紅外測溫儀兩部分組成。光 合同化室的功能是將被測葉片夾住，形成固定被測空間和取樣，包括上蓋(1)和下室(2)兩 部分，上蓋和下室間相對口處各貼有密封墊(3)，以便測量時封閉葉片。上蓋內(nèi)裝有光合有 效輻射傳感器PAR(4)，上蓋蓋子(5)的材料采用透光率為98%、厚度為2mm厚的有機(jī)玻璃， 蓋子上嵌有一直徑為10mm、厚度為0. 5mm的Sum前截止圓形濾光片(6)做紅外測溫儀的窗 口 ；下室內(nèi)裝有葉片溫度熱電偶(7)，采用接觸法測定葉片下表面溫度。雙通道紅外測溫儀 由兩個微型傳感頭(8、9)、電器盒(10)、電纜線(11)和數(shù)據(jù)采集軟件組成，功能為在測定葉 片光合速率的同時，對葉片上下表面的紅外輻射溫度同步進(jìn)行測量，數(shù)據(jù)自動記錄；紅外測 溫儀的一個傳感頭(8)通過一個不銹鋼支架(12)安放在光合同化室上蓋的一個角上，不銹 鋼片與光合同化室上蓋表面的夾角為30度，傳感頭表面離葉片上表面的距離為30mm，通過 8um前截止圓形濾光片(6)測定短半軸長為0. 9mm、長半軸長為Imm的橢圓形光斑的葉片上 表面的輻射溫度；另一微型傳感頭(9)放置在葉室的下室內(nèi)，與葉片溫度熱電偶并排放置， 傳感頭表面距離葉片表面的距離為10mm，測量直徑為Imm的圓形光斑的葉片下表面的輻射 溫度；傳感頭采用德國Optris CT技術(shù)，尺寸為28mmX 14mm，存儲溫度為-40_85°C，光譜范 圍為8-14um;電器盒(10)正面為數(shù)據(jù)顯示窗口，背面為通道數(shù)據(jù)線接口(13、14)、485通訊 口(15)和供電電源插頭(16)組成，具有雙路顯示和RS485數(shù)字通信接口，用外部12V電源 供電；雙通道紅外測溫儀配有采集軟件，可以根據(jù)需求對雙通道或單通道的數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄， 可以設(shè)置數(shù)據(jù)保存周期，達(dá)到與光合速率數(shù)據(jù)的同步記錄，設(shè)定數(shù)據(jù)保存的文件夾和文件 名，存取的文件可以用Excel軟件打開進(jìn)行編輯。上述紅外測溫儀的數(shù)據(jù)采集軟件采用RS485通信總線，半雙工通信方式。波特率
5為9600bps，地址為01和02 (十六進(jìn)制)。通信時，主機(jī)發(fā)送從機(jī)的地址，表示要獲取數(shù)據(jù)。 從機(jī)接收到數(shù)據(jù)后先判斷地址是否正確，確認(rèn)正確后，立即發(fā)送數(shù)據(jù)。將RS485通信電纜連 接測溫儀和計算機(jī)，電纜通過RS485轉(zhuǎn)RS232連接到PC的串口。 參照圖5，使用時，將改進(jìn)后的葉室與Li_Cor6400光合儀相連，雙通道紅外測溫 儀的微型傳感頭與電器盒連接，然后將紅外測溫儀與電腦相連，打開配置軟件，設(shè)置好文件 夾、文件名、數(shù)據(jù)保存周期；將被測葉片夾入葉室，同步測定葉片的光合速率、蒸騰速率、葉 片溫度和葉片上下表面的紅外輻射溫度，光合速率等生理生態(tài)參數(shù)由光合測定儀自動記 錄，紅外輻射溫度由采集軟件同步記錄。該裝置操作簡便、數(shù)據(jù)自動記錄，適用于對植物葉 片上下表面紅外輻射溫度和光合速率、蒸騰速率等生理生態(tài)參數(shù)的測量，為科學(xué)準(zhǔn)確地研 究紅外輻射溫度對光合作用、蒸騰作用的影響提供科學(xué)數(shù)據(jù)。
權(quán)利要求一種雙通道葉片紅外溫度和光合作用同步測定葉室，其特征是，它包括雙通道紅外測溫儀和光合同化室兩部分，雙通道紅外測溫儀由微型傳感頭、電器盒和電纜線組成；光合同化室分為上蓋和下室，在下室內(nèi)裝有葉片溫度熱電偶，上蓋內(nèi)部裝有光合有效輻射傳感器PAR；雙通道的紅外測溫儀的兩個傳感頭分別安放在葉室上蓋一個角的斜上方和下室內(nèi)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的葉室，其特征是，所述雙通道紅外測溫儀的一個微型傳感頭 通過不銹鋼支架安裝在光合同化室上蓋的一個角上，與上蓋呈30°夾角，傳感頭表面離葉 片上表面的距離為30mm，測量短半軸長為0. 9mm、長半軸長為Imm的橢圓形光斑的葉片輻射 溫度；另一個傳感頭安裝在光合同化室下室內(nèi)，與葉片溫度熱電偶并排放置，傳感頭表面距 離葉片表面的距離為10mm，測量直徑為Imm的圓形光斑的葉片輻射溫度；傳感頭采用德國 optris CT技術(shù)，尺寸為28mmX 14mm,存儲溫度為-40_85°C，光譜范圍為8_14um。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的葉室，其特征是，所述雙通道紅外測溫儀的電器盒正面為數(shù) 據(jù)顯示窗口，背面為雙通道數(shù)據(jù)線接口、485通訊口和供電電源插頭。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的葉室，其特征是，所述雙通道紅外測溫儀的上蓋的材料為2mm 的有機(jī)玻璃，透光率98 %，有機(jī)玻璃上有一直徑為IOmm的Sum前截止圓形濾光片。
專利摘要一種雙通道葉片紅外溫度和光合作用同步測定葉室。它由雙通道紅外測溫儀和光合同化室兩部分組成。雙通道紅外測溫儀由微型傳感頭、電器盒及電纜線組成，光合同化室包括上蓋和下室兩部分，上蓋蓋子的材料為2mm厚的有機(jī)玻璃，蓋子上嵌有一直徑為10mm的8um前截止圓形濾光片做紅外測溫儀的窗口，上蓋、下室內(nèi)分別裝有光合有效輻射傳感器和葉片溫度熱電偶。紅外測溫儀的兩個傳感頭分別安放在葉室上蓋一個角的斜上方和下室內(nèi)。本裝置連接LI-COR6400可以對葉片上下表面的紅外輻射溫度及葉片的光合速率進(jìn)行同步測定，數(shù)據(jù)自動記錄，方便快捷，為研究植被輻射溫度對光合作用的影響機(jī)理及其模型提供科學(xué)依據(jù)。
文檔編號G01K7/02GK201622119SQ20092027089
公開日2010年11月3日 申請日期2009年12月2日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月2日
發(fā)明者嚴(yán)俊霞, 陳良富 申請人:中國科學(xué)院遙感應(yīng)用研究所