专利名称：双通道叶片红外温度和光合作用同步测定叶室的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种双通道叶片红外温度和光合作用同步测定叶室。该叶室连接 LI-C0R6400便携式光合作用仪，根据叶室内C02、H2O的浓度变化来测定植株叶片的碳水通 量，叶室内安装有连接笔记本电脑的红外测温仪的微型传感头，在测定叶片碳水通量时，同 步测定并自动记录植被叶片上下表面的红外辐射温度，为叶片的辐射温度对其光合作用的 影响机理及其模型研究提供科学依据，提高NPP模型预测的精度，属于生物学研究仪器领 域。
技术背景随着遥感技术的发展，以遥感为主要数据源的碳循环遥感估算模式已经被国际社 会所接受，基于遥感的碳循环研究已经成为目前碳循环研究的重要方法。利用遥感来估算净第一生产力一般采用M0nteith(1972，1977)提出的光能利用 模式即植被吸收的光合有效辐射“IPAR” (Intercepted Photosynthetically Active Radiation)乘以某种植被的光能利用率ε，即:NPP = IPARX ε这里1 41 是地表光合有效辐射“？々1 ”( 110忉8711让6衍03117Active Radiation) 和植被冠层吸收的光合有效辐射的比率“FPAR”(Frection of Photosynthetically Active Radiation absorbed by thecanopy)的乘积，即I PAR = PAR X FPAR。ε 是生态系统的最 大光能利用率ε ^与温度、水分和大气中CO2浓度等光合作用限制因子的乘积，即ε = ε 0 X f (T) X f (W) X f (CO2)式中ε ^是最佳环境下的最大光能利用率，f (T)、f (W)和f (CO2)分别是光合作用 中的温度、水分和大气CO2浓度的限制函数。目前，遥感的NPP模型中，温度对光合作用限制的计算模型中的T是气温，是基于 气象站点监测的气温值，并通过内插将“点状”测量数据扩展到不同尺度的区域。那么，利 用这样一个气温观测值以及相应函数进行温度限制，会由于以下问题而给NPP的估算带来 误差首先，直接影响植被光合作用的温度不是气温，而是植被体本身的温度，但是准确测 定植被的表面温度用接触法很难甚至无法实现。第二，在估算NPP时所用的气温不能准确 反映植被表面的真实温度。第三，即使是气温，不同的时间尺度模型的选择上存在很大的差 异。第四，现有气象站点大多分布在距离城市较近的区域，而且百叶箱中获得的气温值相对 于野外陆地生态系统来说代表性比较差。而且就区域分布来说，气象站点的分布不均，森林 和草原生态系统区域的站点非常有限，而NPP的计算主要是在森林和草地地区。这些限制 因子的不确定性都会影响NPP的估算结果。而卫星遥感探测的温度是地表辐射温度，对植 被冠层来说就是植被表层辐射温度，它更接近植被本身的温度。而且，卫星遥感能瞬时获取 大区域和连续分布的植被温度，弥补了利用气温估算NPP的不足。把地表植被的辐射温度 应用于NPP模型中将能提高模型的准确性。植被的辐射温度与光合作用的关系以及对光合作用的影响过程，需要开展野外测量实验来探讨。其中温度的非接触测量，实际上就是利用辐射计的测量与温度的反演过程， 其基本的反演原理与卫星遥感温度类似，但目标更均一，大气的影响相对简单。在辐射温度 观测的同时，开展光合作用的测量，对研究辐射温度变化与光合作用变化的关系至关重要， 但是目前缺乏辐射温度和光合作用同步测定的试验设备。LI-6400便携式光合作用测量系统是世界著名植物生理生态仪器制造商LI-COR 公司的尖端产品，代表了当今国际上植物叶片光合作用测量仪器的最高水平，是生态学研 究领域上重要的必不可少的基础研究设备。单叶片的辐射温度测量可以利用辐射计获得， 因为辐射计的视场角较小，在辐射计镜头离叶片较近的时候，叶片将充分充满辐射计视场 从而获得叶片辐射温度。问题是利用现有的叶片叶室测定叶片的光合作用和辐射计的测量 不可能完全同步，势必会对试验结果带来误差。为了解决这个问题，必须对现有的叶室进行 相应改造，以便在LI-6400测量光合作用的同时获得所测叶片的表面辐射温度，进而提高 NPP模型预测的准确性。
发明内容要解决的技术问题为了弥补现有的叶室不能对植物叶片的辐射温度和光合作用同步测量的不足，本 实用新型发明自动记录装置，与Li Cor 6400连接，在测定叶片光合速率的同时，能同步对 叶片上、下表面的红外辐射温度进行测量，为研究植物叶片的红外辐射温度与光合作用的 关系提供了科学数据，提高了 NPP模型预测的精度。这种叶室密封性好，简单实用，操作方 便，数据能够自动记录。本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是本实用新型提出的用于同步测定植物叶片上、下表面的辐射温度和光合速率的叶 室，由双通道红外测温仪和光合同化室组成。双通道红外测温仪能同时对植物叶片上、下表 面的辐射温度进行测量并通过电脑自动记录，光合同化室的功能是将被测叶片夹住，形成 固定被测空间和取样，结合Li Cor 6400对植物叶片的光合速率进行测量。光合同化室的内径尺寸长宽为2*3cm2，包括上盖和下室，上盖盖子的材料为2mm厚 的有机玻璃，透光率为98%，由于有机玻璃对8-14um的红外波透过率低，为了能精确地对 叶片上表面的辐射温度进行测量，在有机玻璃上嵌有一直径为10mm、厚度为0. 5mm的Sum前 截止圆形滤光片做红外测温仪的窗口，上盖内部装有一光合有效辐射传感器PAR;下室内 有一叶片温度热电偶，采用接触法测量叶片下表面的温度。双通道红外测温仪由两个微型 传感头、电器盒、电缆线和数据采集软件组成，一个传感头用不锈钢支架固定在上盖的一个 角的斜上方，与上盖的有机玻璃平面呈30°夹角，通过Sum前截止圆形滤光片测定短半轴 长为0. 9mm、长半轴长为Imm的椭圆形光斑的叶片上表面的辐射温度，另一个微型传感头安 装在下室内，传感头表面距离叶片表面的距离为10mm，测量直径为Imm的圆形光斑的叶片 下表面的辐射温度；电器盒用于显示双通道辐射温度值及提供通道接口、485通讯接口和 外接电源口 ；数据采集软件为中文操作界面，可以对双通道或单通道的数据进行记录，可以 设定记录间隔，从而达到与光合速率测定的完全同步。本发明专利的有用效果是，可以在测定叶片光合速率的同时，方便地测定叶片上 下表面红外辐射温度，通过对双通道红外测温仪进行简单设置，可以达到红外辐射温度和光合测定系统数据记录的完全同步。测定数据全部自动记录，方便快捷。以下结合附图和实施方式进一步说明本实用新型。

图1是本实用新型的整体结构示意图；图2是本实用新型叶室上盖的示意图；图3是本实用新型叶室下室的示意图；图4是本实用新型红外测温仪的电器盒背面结构示意图；图5是本实用新型的工作原理图；图1-4中，1为光合同化室上盖，2为光合同化室下室，3为密封垫，4为光合有效辐 射传感器，5为上盖盖子，6为Sum前截止滤光片，7为叶片温度热电偶，8、9为红外测温仪的 微型传感头，10为红外测温仪的电器盒，11为电缆线，12为不锈钢支架，13、14为双通道数 据线接口，15为485通讯口，16为电源接口。其中光合同化室上盖(1)、光合同化室下室(2)、密封垫(3)、光合有效辐射传感器 (4)、上盖盖子(5)、8um前截止滤光片(6)及叶片温度热电偶(7)组成了光合同化室；红外 测温仪的微型传感头(8、9)、电器盒(10)、电缆线11和数据采集软件共同组成了双通道红 外测温仪。
具体实施方式
参考图1-4，本实用新型的叶室由光合同化室和双通道红外测温仪两部分组成。光 合同化室的功能是将被测叶片夹住，形成固定被测空间和取样，包括上盖(1)和下室(2)两 部分，上盖和下室间相对口处各贴有密封垫(3)，以便测量时封闭叶片。上盖内装有光合有 效辐射传感器PAR(4)，上盖盖子(5)的材料采用透光率为98%、厚度为2mm厚的有机玻璃， 盖子上嵌有一直径为10mm、厚度为0. 5mm的Sum前截止圆形滤光片(6)做红外测温仪的窗 口 ；下室内装有叶片温度热电偶(7)，采用接触法测定叶片下表面温度。双通道红外测温仪 由两个微型传感头(8、9)、电器盒(10)、电缆线(11)和数据采集软件组成，功能为在测定叶 片光合速率的同时，对叶片上下表面的红外辐射温度同步进行测量，数据自动记录；红外测 温仪的一个传感头(8)通过一个不锈钢支架(12)安放在光合同化室上盖的一个角上，不锈 钢片与光合同化室上盖表面的夹角为30度，传感头表面离叶片上表面的距离为30mm，通过 8um前截止圆形滤光片(6)测定短半轴长为0. 9mm、长半轴长为Imm的椭圆形光斑的叶片上 表面的辐射温度；另一微型传感头(9)放置在叶室的下室内，与叶片温度热电偶并排放置， 传感头表面距离叶片表面的距离为10mm，测量直径为Imm的圆形光斑的叶片下表面的辐射 温度；传感头采用德国Optris CT技术，尺寸为28mmX 14mm，存储温度为-40_85°C，光谱范 围为8-14um;电器盒(10)正面为数据显示窗口，背面为通道数据线接口(13、14)、485通讯 口(15)和供电电源插头(16)组成，具有双路显示和RS485数字通信接口，用外部12V电源 供电；双通道红外测温仪配有采集软件，可以根据需求对双通道或单通道的数据进行记录， 可以设置数据保存周期，达到与光合速率数据的同步记录，设定数据保存的文件夹和文件 名，存取的文件可以用Excel软件打开进行编辑。上述红外测温仪的数据采集软件采用RS485通信总线，半双工通信方式。波特率
5为9600bps，地址为01和02 (十六进制)。通信时，主机发送从机的地址，表示要获取数据。 从机接收到数据后先判断地址是否正确，确认正确后，立即发送数据。将RS485通信电缆连 接测温仪和计算机，电缆通过RS485转RS232连接到PC的串口。 参照图5，使用时，将改进后的叶室与Li_Cor6400光合仪相连，双通道红外测温 仪的微型传感头与电器盒连接，然后将红外测温仪与电脑相连，打开配置软件，设置好文件 夹、文件名、数据保存周期；将被测叶片夹入叶室，同步测定叶片的光合速率、蒸腾速率、叶 片温度和叶片上下表面的红外辐射温度，光合速率等生理生态参数由光合测定仪自动记 录，红外辐射温度由采集软件同步记录。该装置操作简便、数据自动记录，适用于对植物叶 片上下表面红外辐射温度和光合速率、蒸腾速率等生理生态参数的测量，为科学准确地研 究红外辐射温度对光合作用、蒸腾作用的影响提供科学数据。
权利要求一种双通道叶片红外温度和光合作用同步测定叶室，其特征是，它包括双通道红外测温仪和光合同化室两部分，双通道红外测温仪由微型传感头、电器盒和电缆线组成；光合同化室分为上盖和下室，在下室内装有叶片温度热电偶，上盖内部装有光合有效辐射传感器PAR；双通道的红外测温仪的两个传感头分别安放在叶室上盖一个角的斜上方和下室内。
2.根据权利要求1所述的叶室，其特征是，所述双通道红外测温仪的一个微型传感头 通过不锈钢支架安装在光合同化室上盖的一个角上，与上盖呈30°夹角，传感头表面离叶 片上表面的距离为30mm，测量短半轴长为0. 9mm、长半轴长为Imm的椭圆形光斑的叶片辐射 温度；另一个传感头安装在光合同化室下室内，与叶片温度热电偶并排放置，传感头表面距 离叶片表面的距离为10mm，测量直径为Imm的圆形光斑的叶片辐射温度；传感头采用德国 optris CT技术，尺寸为28mmX 14mm,存储温度为-40_85°C，光谱范围为8_14um。
3.根据权利要求1所述的叶室，其特征是，所述双通道红外测温仪的电器盒正面为数 据显示窗口，背面为双通道数据线接口、485通讯口和供电电源插头。
4.根据权利要求1所述的叶室，其特征是，所述双通道红外测温仪的上盖的材料为2mm 的有机玻璃，透光率98 %，有机玻璃上有一直径为IOmm的Sum前截止圆形滤光片。
专利摘要一种双通道叶片红外温度和光合作用同步测定叶室。它由双通道红外测温仪和光合同化室两部分组成。双通道红外测温仪由微型传感头、电器盒及电缆线组成，光合同化室包括上盖和下室两部分，上盖盖子的材料为2mm厚的有机玻璃，盖子上嵌有一直径为10mm的8um前截止圆形滤光片做红外测温仪的窗口，上盖、下室内分别装有光合有效辐射传感器和叶片温度热电偶。红外测温仪的两个传感头分别安放在叶室上盖一个角的斜上方和下室内。本装置连接LI-COR6400可以对叶片上下表面的红外辐射温度及叶片的光合速率进行同步测定，数据自动记录，方便快捷，为研究植被辐射温度对光合作用的影响机理及其模型提供科学依据。
文档编号G01K7/02GK201622119SQ20092027089
公开日2010年11月3日 申请日期2009年12月2日 优先权日2009年12月2日
发明者严俊霞, 陈良富 申请人:中国科学院遥感应用研究所