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植物冠层光合有效辐射微气候测量的传感器

农业科学、皇家兽医和农业大学园艺部，

托尔瓦尔第57号，DK-1871，丹麦Frederiksberg C。

丹麦农业科学院观赏植物研究所，

Aarslev dk - 5792,丹麦

英国皇家兽医与农业大学物理、数学与物理学系，

托尔瓦尔第40号，DK-1871，丹麦Frederiksberg C。

收到1999年1月11日;1999年6月1日收到修订表格;接受1999年6月8日

文摘

本文介绍并测试了一种光合作用辐射(PAR)传感器，该传感器体积小，可以直接放置在树冠上的一片叶子上。它的生产成本低廉，可以同时在树冠中使用几个，以获得对辐照度分布的实际测量。它的特性满足标准传感器的要求，而且与标准商业传感器的相关性优于0.97，描述了光谱响应、余弦关系、稳定性和校准，以及电子学问题。1999 Elsevier Science B.V.版权所有。

关键词:光合成有效辐射;光电二极管;微气候;便宜的PAR传感器

1. 介绍

当对植物过程进行建模时，如光合作用、呼吸和蒸腾作用，或叶片温度等微气候参数，确定植物冠层的辐射是很重要的。然而，由于商业上可用的标准量子传感器相对较大，因此很难在不同水平的树冠层中对单个叶片的光环境进行原位测量。正常的做法是测量树冠上方的辐射，用标准模型来模拟光的吸收。尽管，这是可以做到的。

对于植物冠层整体而言(Spitters et al.， 1986)和/或单个叶层使用根据Beer定律开发的模型(Johnson, 1994)，这通常是不够的。光合有效辐射(PAR)最好直接在植物冠层和几个地点进行测量。PAR辐射(mmol my2 sy1)表示为每单位面积和单位时间(Jones, 1992)波段400 - 700nm波段的光子数。光谱是很重要的。一个PAR传感器的响应是很好的。近似理想的量子响应，它遵循Lambert的余弦定律。

《农业与森林气象学》(1999)第96 - 197页

如果PAR传感器提供的是微气候，描述植物内部的光分布。则树冠被设计直接安装在叶子上，且必须足够小，不能有引起叶片倾斜的任何变化。根据研究的目的和实验的设置，必须能够根据兰伯特的余弦定律来调整传感器的特性。传感器必须是便宜的，这样可以同时在植物的树冠上使用几个传感器。

一些商业上可用的砷化镓，磷化光二极管满足上述设计标准，并已用于研究(Gutschick et al.，1985;Pontailler,1990;O gren和Sjo m, 1990;汉森,1993;汉森和Hoslash;gh-Schmidt,1996)。古斯奇克等人(1985)描述了一种便携式太阳辐射监测仪，它在叶片上安装了几个光电二极管的辐照直方图。OgrenSjom(1990)，描述了他们在研究现场的照片抑制时所使用的一个PAR传感器的构造，发现它的余弦和光谱响应都令人满意。另一种测量PAR辐射的方法是使用CCD传感器和带通滤波器。该技术由Palva等人(1998)在构建多点测量时使用。辐射的系统比一般的要贵当普通的光电二极管只需要几个标准的传感器时。

目前工作的目的是改进和分析O gren和Sjo m(1990)所描述的传感器，用于测量植物冠层中的PAR。它由砷化镓磷化光电二极管(G1125-02，从日本的Hamamatsu Photonics, Solid StateDivision，日本)组成，其传感器上安装了一个白色的丙烯酸酯扩散盘(1毫米厚)。圆盘的边缘部分被透明胶带蒙住了，把上面的0.4毫米的光露出来了。对传感器的构造、扩散器和电子器件进行了描述和讨论，以及它的光谱特性、余弦响应和校准。

2 材料和方法

2.1光电二极管和扩散器

PAR传感器的光敏部分是来自滨松光子学(日本固态部门)的一个小型砷化镓磷化(GaAsP)光电二极管。使用G1125-02和G1126-02两组光电二极管。两者都是GaAsP类型(肖特基)，并用于测量紫外光和高uv灵敏性的可见光。G1126-02的外径为9.1 mm，光敏面为5.2 mm2;G1125-02的相应测量值为5.4 mm和1.0 mm2。一个蛋白石聚碳酸酯扩散器(聚碳酸酯Margard,蛋白石白,颜色编号为82103,通用电气、美国),使用以达到良好的余弦响应,要么是一个3毫米厚盘放置在顶部的G1126-02光电二极管在光电二极管(系带)或3毫米厚帽子顶部周围的G1125-02光电二极管(图1(a,B))。这个盖子是一个与光电二极管相同大小的沉孔的圆盘。直接放在叶子上。光电二极管有两个薄的连接通过叶片和安装在一个普通的光电二极管插座。当连接被推过叶子时，就会有电流泄漏的风险。在我们的实验中没有观察到这一点，但在某些情况下，例如，有多汁的叶子，可能有必要使连接的一开始与就某种漆绝缘。

聚碳酸酯扩散器和安装插座的传感器分别重约1.1和1.6 g，分别用于g1125 -02和G1126-02。

2.2电子电路

由光电二极管产生的电流在照明时可以直接测量，只要数据采集系统有这种能力，或者它可以通过电阻转化为电压。在转换过程中，重要的是将电压保持在较低的水平，因为光电二极管的电流和转换电压之间的关系在较高电压下是非线性的。在电子噪音环境中，例如温室，最好采用放大器(如图2所示)，采用50hz降噪系统。有这样一个放大器，来自标准传感器的输出在0 - 2800 mV，从0到2000mu;mol m^(-2) s^(-1)更容易。

2.3实验概述

进行了几次测试传感器特点的实验。(1)在第一组实验中考察了二极管的光谱特性。这包括实验装置的再现性测试，传感器光谱特性，以及商业可用的量子传感器的光谱特性。(2)在第二组实验中，研究了不同类型扩散器的传感器的余弦响应。(3)在最终组中，对传感器的标定进行了研究。对不同的标定方法进行了测试。研究了不同的光源和辐射过滤对不同光源的校正效果。并对校准的长期稳定性进行了测试。

实验中使用了两种不同的商用量子传感器，分别是来自美国Li-Cor公司的LI-190和来自英国Sky的skp215，两者都有近似理想的光谱响应(图3(a)) (Li-Cor, 1979;Sky,1999)。在实验前，他们用Li-cor 180002光学辐射校准仪(Li-cor Inc.，美国)进行了校准。

2.4光谱性质

在一个由卤素灯、一系列过滤器、不同辐射传感器的支架和一个LiCor LI-1800便携式光谱辐射计(Li-Cor Inc.，USA)组成的实验装置中，研究了聚碳酸酯扩散器的光敏二极管的光谱响应。使用干扰滤光器(法国梅勒斯·格里奥)，将卤素灯的连续光谱进行了改变，在400、450、500、550、600、650和700 nm处指定了峰值传输。2。电噪声环境中用于测量光电二极管电流的电路(G112502/G112602)。通过改变电阻器(Rx)的值可以改变传感器信号的放大，图3所示。

(A)G1125-02/G1126-02光电二极管的相对光谱响应(实线，1994年Hamamatsu的数据)和扩散材料的相对透射率(Lexan Margard)(断线，来自GEP/SPE, 1996)。(B) Li-cor LI-190量子传感器(实心三角形)和opal聚碳酸酯扩散器(open triangle)的G1125-02光电二极管的测量光谱响应。数据点是三个值的平均值。粗实线代表理想的光谱响应。滤波器的带宽是约50 nm。条形表示标准差。J.M.Aaslyng等人/农业和森林气象学96（1999）189-197 191波段宽度35-40纳米。此外，还有一个透明玻璃滤波器用于350和750纳米的传输带。利用li 1800分光辐射计和卤素辐射源，确定了辐照度(Ei)、峰波长(li)和传输带后的传输带。

灯、过滤器和传感器的位置(LI-1800和光电二极管)固定，以确保在不经过过滤器的照射下，它们可以被改变。这是在再现性测试中进行的，在此测试中，来自以下组合的信号被记录下来：没有过滤器的LI-1800，没有过滤器的光电二极管，有过滤器的LI-1800，以及具有滤波器的光电二极管。这些测量重复了五次。

光谱反应是通过记录来测量的，三个传感器的信号使用上述干扰过滤器。这些测量结果进行了三次。使用了LI-1800便携式光谱辐射计(Li-Cor Inc.， USA)， LI-190量子传感器(Li-Cor Inc.， USA)和G1125-02光电二极管与聚碳酸酯扩散器。

使用相同的过滤器，从光电二极管和LI-190量子传感器的传感器信号(ki)。计算每个过滤器的响应值(Sri)(参见Eq.(1))。

Sri =ki/Ei (1)

每个传感器的相对响应谱是由不同峰值波长(li)的Sri值计算出来的。

2.5余弦响应

使用传感器测量余弦响应。支架可以固定在不同的角度，用一盏带卤素灯的幻灯机的光束。传感器的中心与光源保持相同的位置，独立于传感器与光源和传感器类型之间的夹角。这些测量是在一个没有窗户的黑屋子里进行的，那里的墙壁和天花板上覆盖着黑色的织物，以消除漫射光的影响。对量子传感器(SKP 215, Sky, United Kingdom)和G1126-02传感器进行了不同类型的扩散器的响应。扩散剂类型为nacked, opal聚碳酸酯，以及在圆盘边缘有黑色胶带的opal聚碳酸酯。

3结果与讨论

3.1光谱性质

实验装置的再现性。确定光谱响应由192 J.M.Aaslyng等人/农业和森林气象96（1999）189-1970年进行，对其方差进行统计检验并记录值。模型将方差描述为滤波器的函数的相关性和重复的重复结果显示了使用的滤波器的高度显著作用以及重复的不显著影响(pgt;。0。4)由此得出结论，实验装置适合于进行实验。G1125-02和G1126-02光电二极管的光谱响应(数据来自于1994年)(图3(A))。吸收范围为190 ~ 680 nm，峰值为610nm。当扩散材料(Lexan Margard)在385 nm以下的波长上本质上是不透明的，它可以作为一个过滤器来切断UV(图3(B))。因此，组合光电二极管和扩散器的光谱响应是在385-680 nm之间，这与理想的400-700 nm的量子略有不同。在本实验中，使用聚碳酸酯滤光片的波长范围内没有光谱的原因。然而，由于自然光含有一些紫外线辐射，所以使用聚碳酸酯是必要的。当传感器在室外使用时，要切断400纳米以下的辐射。O gren(1990)使用丙烯酸酯过滤器作为扩散器。丙烯酸酯的光谱性质因品牌而异。对于大多数品牌光谱特性是未知的，或者很难获得，因此在使用前需要对它们进行控制。品牌与品牌的差异也很大。一些在400纳米以下的辐射(例如来自丹麦PSC的DS424)，而另一些则在250纳米以下。由于光敏二极管对400纳米以下的辐射敏感，所以选择一个滤除400纳米以下的辐射是非常重要的。

量子传感器的理想光谱响应和G1125-02型聚碳酸酯扩散器和Li-190量子传感器的实验响应如图3(B)所示。Li-190量子传感器和聚碳酸酯扩散器G1125-02传感器的响应均低于较低波长的理想响应。在400纳米以下的传感器中，没有一个具有明显的截止波长。在400纳米以下的波长，响应是0。在最好的情况下，但随后几乎线性增加到600纳米的最大响应，为LI-190的G1125-02和660 nm。从550到600 nm, G1125-02的响应高于理想，但从600 nm处过低。较高的截止波长介于650 - 700 nm之间，与理想的响应相比是低的。这种方法不可能对所使用的传感器显示清晰的响应谱;然而，该方法清楚地表明G1125-02和LI-190都能够测量PAR辐射。理想的反应谱并没有得到准确的结果，但近似是令人满意的。令人惊讶的是，LI-190量子传感器与理想的响应有很大的偏离。造成这种异常的原因有很多。更多的过滤器,特别是在截止波长和更小的带宽附近，会澄清传感器的反应。分光辐射计的不准确当然是造成偏差的另一个原因，但标准误差不能解释偏离理想响应的原因。在LI-190传感器中，光谱灵敏度也可能发生变化。

3.2传感器的余弦响应

光敏二极管的弱余弦响应，切断了508以上的发生率(开放三角形，图)。4)通过扩压器大大增强。如果扩散器的上边缘是左尖的，余弦的反应曲线会比10到808的概率低几个百分点(数据不显示)为了增加这些角度的输出，边缘的上0.5 mm用一个非常细的锉刀打磨。结果是一个图4的曲线。理想的余弦响应(固体粗线)和测量值的天空skp215量子传感器(交叉)和一个Hamamatsu G1126-02光电二极管与不同类型的扩散器。扩散器类型无扩散器(开三角形)，聚碳酸酯盘扩散器无黑色收缩膜(开环)，聚碳酸酯盘扩散器与黑色收缩膜。在边缘(实心圆)，数据点是10个值的平均值。J.M. Aaslyng et al。/农业和森林气象学96(1999)189 - 197 189适合数学余弦曲线发病率高达708,但尾巴上面的数学曲线在80年和908年(这是显示为打开圆圈图。4)。这尾巴时减少黑色的收缩薄膜在光电二极管应用到1毫米以下的上表面(封闭的圈子里,图4)。这个传感器的区别和商用量子传感器小(十字架,图4)。

如果是手工完成的，那么要注意尽可能的均匀(见图4)。最大的标准差是308，只有2.3%。这个非常小的标准偏差清楚地表明可以均匀地做角。

如果用胶带造成问题，另一种方法是紧固扩散器是使用帽模型(图1(A))的余弦响应被发现与没有带磁带的圆盘模型相同。扩散器可以修改依照不同的光线角度(图1)。如果直接辐射测量,

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