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1、生物环境测试与数据分析,光环境检测,策划与制作人员：,王申丽,刘尚武,宗,睿,曹正茂,邱恒清,曾祥斐,刘同海,徐微微,疑问,5,1,3,2,辐射机理及度量,传感器类型及测量原理,ZD,照度传感器使用,传感器发展趋势,4,光照对农业生物的影响,主要表现在光强、光质、以及光照时间,光强的作用,：,生长发育、形态建构作用。典型,例子,植物黄化现象。,光质的作用,：,红光有利于糖的合成，蓝光有利,于蛋白质的合成。,光对动物生殖、体色变化、迁,徙、毛羽更换、生长发育有影响。,紫外光过强有,致死作用，波长,360nm,即开始有杀菌作用。,200-,300nm,的辐射下，杀菌力强，能杀灭空气中、水,面和各种
2、物体边面的微生物，这对于抑制自然界,的传染病病原体是极为重要的,。,光周期,4,1,、辐射机理及度量,一、光辐射（电磁辐射）,1,、太阳辐射能：太阳时刻不断地向周围空间放射,出巨大的能量即太阳辐射能。,2,、电磁波,3,、电磁辐射：电磁波能量传递,4,、电磁波谱,10,-8,10,-6,1,10,-4,10,2,10,4,10,-2,10,6,电磁波谱,波长,(,m,m ),X,射线,紫外线,红外线,可见光,太阳辐射,常温辐射,热射线,无线电波,g,射线,可见光：,0.38,0.76,m,太阳辐射：,0.2,3,m,（占太阳,辐射能总量,99%,）,常温物体的辐射：,3,100,m,热射线：,
3、0.1,100,m,5,波长（,nm,）,0,500,1500,1000,2000,3000,2500,2500,2000,1500,1000,500,0,辐射能（,W/m,2.,m,m,）,太阳辐射光谱,地面,大气层外缘,6000K,黑体辐射,可见光,红外线,紫外线,380,760,48.3%,8.7%,43.0%,二、农业中常用光照术语,辐射量,光合作用有效辐射,光度量,1,、辐射量及其单位,辐射能量,(,Q,e,),包括紫外辐射、可见光辐射和红外辐射的全部辐射能量。单位,J,。,辐射通量,(,e,),单位时间到达或通过某一面积的辐射能量。单位为,W,。,辐射强度,(Ie),点辐射源在单位
4、时间内在单位立体角内所发出辐射通量，单位为,W/sr,辐射照度,辐照度（,Ee,），单位面积上所接受的辐射通量。单位：,W/m,2,。,光谱辐照度,辐射亮度,(Le),单位面积的源辐射（散射）面发射（散射）的辐射强度。单位为,W/(m,2,sr),基本辐射度量的名称、符号和定义方程,名称,符号,单位,符号,辐射能,Q,e,焦耳,J,辐射通量，,辐射功率,e,瓦特,W,辐射强度,e,瓦特球面度,Wsr,-1,辐射亮度,e,瓦特球面度平方米,Wm,-2,sr,-1,辐射出射度,e,瓦特平方米,Wm,-2,辐射照度,e,瓦特平方米,Wm,-2,2,、光合有效辐射（,PAR,）及其单位,量子流密度,：
5、单位时间到达或通过单位面,积的摩尔量子流密度。,单位：,1mol/s*m,2,=1E/s*m,2,。,应用波长范围,:,400-700nm,。,3,、光度量及其单位,光度量和辐射度量的定义及其方程是一一对,应的，都是波长的函数，一般加下标,v,和,e,来,区分,如,e,，,e,，,I,e,，,M,e,，,E,e,等,v,，,v,，,I,v,，,L,v, M,v,，,E,v,等,所不同的只是光度量只适用于可见光区段,（,0.40 0.78m,），而光辐射度量在整个电,磁波谱范围内都有意义。,3,、光度量及其单位,发光强度,单位,Candela,，记作,cd,光通量,光源单位时间内所辐射的光能，单
6、位是流明,（,lm,），,1lm,是光强度为,1cd,的均匀点光源在,1sr,内发出的光通量。,（光）照度,照度只能在可见光区域。,指物体被照亮的程度，单位垂直面积所接受的光通,量来表示，单位为勒克斯,(Lux,lx),。,1,勒克斯等于,1,lm,的光通量均匀分布于,1m,2,面积上的光照度。,常用光度学量的名称、符号与单位,名称,符号,单位,符号,光量,Q,v,流明秒,lm,s,光通量,v,流明,lm,发光强度,v,坎德拉,cd,光亮度,v,坎每平方米,cd,m,-2,光出射度,v,流每平方米,lm,m,-2,光照度（光强度）,v,勒克司,Lx,3,、三度量间互算,根据以上三种计量单位中，
7、辐照度、,照度、量子流密度与光谱能量分布密切相,关，它们之间并无固定关系。三者只有在,确定的光谱能量分布条件下（,光谱分布已,知,，且限于,可见光谱区,400-700nm,）才有,确定关系。,A,光量子转换为辐射度单位,将量子传感器的输出单位由,mol/sm,2,（,400700nm,）转换成辐射度单位,W/m,2,的过程非常复杂。,对于不同光源转换系数不同,必须知道辐射源的光谱分布曲线,1w/m,2,4.6 mol/sm,2,14,辐射度是,W,在,400700nm,波段的积分值,给定波长处每秒发射的光子数,因此,400700nm,波段范围内每秒发射的光,子数为,?,?,700,400,?,
8、?,d,W,W,T,（,4-1,）,?,?,/,hc,W,（,4-2,）,?,?,?,d,hc,W,?,700,400,/,（,4-3,）,这个积分可由量子传感器测量，如果,R,是以,mol/sm,2,1 mol/sm,2,6.022,10,17,光子,（,s,m,2,）为单位的量子传感器的读数，则,有,由式,与式,可得,16,?,?,?,d,hc,W,R,?,?,?,700,400,17,/,),(,10,022,.,6,（,4-4,）,（,4-1,）,（,4-4,）,?,?,?,?,700,400,700,400,17,),(,10,022,.,6,?,?,?,?,?,d,W,d,W,Rh
9、c,W,T,（,4-5,）,因为,W,同时在分子分母中，可以用标准曲,线,N,代替,式中：,为所取区间长度；,为各区间中,点处的波长；,N,i,为位于区间中点波长的,标准辐射输出。,17,?,?,?,?,?,i,i,i,i,i,T,N,N,Rhc,W,?,?,?,?,),(,10,022,.,6,17,（,4-6,）,最后得：,式中,R,的单位为,mol/sm,2,?,?,?,i,i,i,i,i,T,N,N,R,W,?,?,?,),(,8,.,119,（,4-7,）,),(,2,?,?,m,W,根据方程（,4-7,）分成如下,步骤计算,：,1,）将,400700nm,波段分成,i,个长度都为,
10、的区间；,2,）算出区间中点处的波长,i,；,3,）测算出每个区间中点处波长的标准辐射,N,i,；,4,）,；,5,）求,N,i,6,）求,；,7,）利用方程（,4-7,）求得,W,T,?,i,i,N,?,?,?,i,N,?,B,光子单位转换为光学度单位,将光子单位,mol/(s,m,2,),（,400-700nm,）转换,成光学度,Ws,的单位,lx,（,400-700nm,）的转换过,程除以下各步外与上相同。,1000lx19.5 mol/(sm,2),1,）用方程,Wx=683,代入方程（,4-,1,），,是,CIE,曲线的发光系数，在,550nm,处,y,=1,，,是光谱照度（,W/,
11、（,m,2,nm,）。,?,?,?,d,W,y,700,400,?,?,W,2,）用,=683*6.022*10,17,（,Rhc,）,代入,方程（,4-5,）。,3,）用,=683*6.022*10,17,（,Rhc,）,代入,方程（,4-6,）。,4,）用,=8.17*10,4,（,R,）,代入方程（,4-7,）,5,）首先用求各区间中点处的,乘以对应区间中,点处的,再求和得,后代入步骤,4,）,21,?,?,?,?,?,?,d,W,d,W,y,700,400,700,400,?,?,?,?,?,?,i,i,i,i,i,N,N,y,?,?,?,?,?,?,?,?,i,i,i,i,i,N,N
12、,y,?,?,?,?,?,y,?,i,i,y,?,?,N,i,N,?,2,、,传感器及其测量原理,辐射传感器及测量原理,量子流密度传感器及测量原理,照度传感器及测量原理,一、辐射度的测量仪器,1,、直接测量太阳辐射的仪器,太阳辐射一方面是形成一定的气候生态环境的重要因素，另一,方面与植物的生活有多方面的直接关系,。,这就需要专门的仪,器测量太阳辐射。,2,、分光辐射测量的仪器,LI-1800,便携式分光辐射度仪能够迅速地，方便地获得,辐射光谱的分光数据。光谱数据是,LI-1800,关于辐射最,基本的测量。,LI-1800,的输出图像,其他分光辐射计,3,、辐射传感器工作原理,热电效应原理：,感
13、应元件采用,绕线电镀式热电堆,，其表,面涂有,高吸收率、高发射率,的,黑色涂层,，,其涂层可保证仪表的方位响应和余弦响应,的偏差很小。,热接点在感应面上，而冷结,点则位于机体内，,冷热接点产生温差电势,。,然后,换算成辐射通量密度,。,二、量子流密度的测量仪器,LI-191SA,线性光量子传感器和,LI-190SA,光量子传感器：,LI-191SA,线性光量子传感器主要应用在空间,不一致的环境中（如植物的树冠内部）测量,光合有效辐射（,PAR,）。,1.,感应波长为,400,700nm,2.,测量结果是,1,米空间内的,光合有效辐射,的,平均值,LI-190SA,光量子传感器主要测量空,气中、
14、植物生长箱和温室中的光合,作用,量子通量密度,。,三、照度传感器及测量原理,传感器类型,?,光通量传感器,?,光强度传感器,?,光照度传感器,主要仪器有,1,、自动量程照度计,2,、轻巧型照度计,测量光照强度,3,、弱光照度计,4,、照度记录仪等,流明,照度传感器结构及测量原理,选用,专业光接选器件,，对于可见光频段光谱吸,收后,转换,成电信号根据电信号的大小对应光照度,的强弱。,内装有滤光片，使可见光以外的光谱不,能到达光接收器，内部放大电路有可调放大器，,用于调制光谱接收范围，从而可实现不同光强度,的测量。,整个探测器所接受的,光通量,除以探测器的,面,积,，即为所测的光照度,E= /A,
15、照度计由带滤光器的光电探测器及电子放大,器和读数系统组成,3,、,ZD,照度传感器及其使用,一、,ZD,系列照度变送器,产品简介：,ZD,型照度变送器采用对,弱光也有较高灵敏度,的,硅蓝光伏探测器作为传感器，具有,测量范围宽,，,线性度好，,使用方便，便于安装，传输距离远,等特点，特别适用温室。,特点：,采用光敏探测器，将光照强度转换为电流信号，,再经过运算放大器转换为电压信号输出；当光,照强度超过测量范围时，报警指示灯点亮。,二、主要技术指标,供电电压：,12VDC,24VDC,9VDC,准,确,度：,7%,；,重复测试：,5%,；,温度特性：0.5%/；,感,光,体：带滤光片的硅蓝光伏探测
16、器；,波长测量范围：,380nm,730nm,；,测量范围：,0.01Lux,200000Lux,0.01Lux,20000Lux,输出范围：,4mA,20mA,、,0,5V,；,操作环境温湿度：,0,40、,0,70%RH,；,储存环境温湿度：,-,1050、,0,80%RH,。,三、工作原理,由于,光电二极管,的,输出与照度（光流量,/,感光,面积）成比例,，因此可以构成照度计（其它光,度值测量都可以采取相应办法将其变换为感光,面的照度进行测量）；再将光电流通过,通用运,放,进行,电流电压转换,。,四、外观简介,五、接线方法,电流输出（,ZD*AT*,）,供电,+,：,红线,供电,-,和电
17、流输出：,黑线,电压输出,+,：,绿线,电压输出（,ZD*VB*,）,注意事项：,在安装和使用本产品前，应做到：,仔细阅读产品使用说明书，,供电电源电压不得超,出产品的供电电压，,并注意电源极性；,勿在高温、高湿度场所下测量；,使用时，光检测器应保持干净。,4,、传感器在农业工程的应用前景,?,世界传感器市场正在以持续稳定的增长之势向前,发展，未来的发展趋势是向着,微型化、智能化、多,功能化、无线网络化。,?,在当今倡导工程技术创新的条件下，,多传感器,信息融合技术,在农业中将有广阔的应用前景。,?,在工厂化农业生产中，自动化是解决工厂化水平的,决定因子。传感器是自动化系统功能实现的基本元,器件，它们的,性能、质量、价格,决定了自动化系统,在农业生产领域应用的可能性和大面积应用推广的,发展前景。,5,、,问题,LI-1800,测出的值为,什么有负值？,生物环境测试与数据分析,
