多通道光量子傳感器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

張昕昱，徐景宏，何子力，張放心，李 明，劉 文

(1.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)先進(jìn)技術(shù)研究院，安徽 合肥 230088；2.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理學(xué)院，安徽 合肥 230026)

多通道光量子傳感器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

張昕昱1，2，徐景宏1，何子力1，2，張放心1，2，李 明1，2，劉 文1，2

(1.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)先進(jìn)技術(shù)研究院，安徽 合肥 230088；2.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理學(xué)院，安徽 合肥 230026)

對(duì)植物生長(zhǎng)的光環(huán)境的測(cè)量是LED植物工廠等都市農(nóng)業(yè)研發(fā)和生產(chǎn)的基礎(chǔ)。目前，人工光源植物照明多使用藍(lán)光、紅光、遠(yuǎn)紅光等單色LED，而光合有效輻射(PAR)光量子傳感器測(cè)量400～700 nm波段的光量子通量密度，無(wú)法同時(shí)測(cè)量這幾種單色LED的光量子通量密度，因而無(wú)法實(shí)現(xiàn)光質(zhì)比的實(shí)時(shí)測(cè)量及與其他系統(tǒng)的反饋控制，為此我們提出一種多通道光量子傳感器來(lái)解決該問(wèn)題。我們闡述了該傳感器的設(shè)計(jì)原理及結(jié)構(gòu)；推導(dǎo)出不同通道的標(biāo)定系數(shù)表達(dá)式，隨后應(yīng)用基于DMX512協(xié)議的控制器搭建標(biāo)定裝置，并以紅光通道與藍(lán)光通道為例對(duì)文章所設(shè)計(jì)傳感器定標(biāo)，結(jié)果表明該傳感器擁有很好的線性響應(yīng)度；最后利用該傳感器設(shè)計(jì)了一套能夠控制總光量子通量密度及光質(zhì)比的智能光環(huán)境控制系統(tǒng)。

多通道；PAR；傳感器；植物工廠；標(biāo)定；光環(huán)境控制

引言

PAR(Photosynthetically Active Radiation)光量子傳感器是目前用于植物生長(zhǎng)光環(huán)境測(cè)量的最常用的傳感器。1972年，Mc.Cree等發(fā)現(xiàn)植物的光合作用、色素形成、光周期現(xiàn)象等主要受400～700 nm波段光的影響，并將該波段光定義為光合有效輻射(PAR)，PAR傳感器即測(cè)量單位時(shí)間內(nèi)該波段光通量[1-2]。Rabinowitch研究發(fā)現(xiàn)光合作用生成的分子數(shù)近似與光合有效輻射吸收的光子數(shù)相關(guān)，與光子能量無(wú)關(guān)[3]，所以目前業(yè)界普遍采用光合有效光量子通量密度(Photosynthetic Photon Flux Density：PPFD)來(lái)表征測(cè)量結(jié)果。后續(xù)研究還表明，植物葉綠素的吸收光譜有兩個(gè)主吸收峰，分別位于藍(lán)光波段和紅光波段[4-5]，導(dǎo)致這兩種光的光合效率最高[6]。此外，遠(yuǎn)紅光也影響植物從發(fā)芽到營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)再到開(kāi)花的整個(gè)過(guò)程[7-8]。

1 多通道光量子傳感器原理及結(jié)構(gòu)

1.1 LED植物照明光環(huán)境測(cè)量

自20世紀(jì)50年代開(kāi)始，人們就試圖使用人工光源種植植物。近年來(lái)隨著LED技術(shù)日趨成熟，以LED植物工廠和LED補(bǔ)光溫室為代表的都市農(nóng)業(yè)快速發(fā)展[9]，人工光源植物照明技術(shù)進(jìn)入了一個(gè)新階段。如圖1所示，根據(jù)植物的光合特性，目前植物工廠中廣泛使用峰值波長(zhǎng)450 nm的藍(lán)光LED、峰值波長(zhǎng)660 nm的紅光LED和峰值波長(zhǎng)735 nm的遠(yuǎn)紅光LED作為植物照明光源[10]。在LED植物照明的實(shí)際應(yīng)用中，不僅需測(cè)量照射到植物表面的總光量子通量密度，還需測(cè)量不同光質(zhì)光量子通量密度及其比例(光質(zhì)比)，光質(zhì)比(R/Fr、R/B)對(duì)植物生長(zhǎng)、發(fā)育、生理特性有重要影響[11-14]。

實(shí)線為植物葉綠素a吸收光譜，虛線為植物葉綠素b吸收光譜圖1 植物葉綠素吸收光譜及典型植物照明LED光譜[15]Fig.1 Absorption spectra of Plant chlorophyll and typical LED spectrums of plant lighting[15]

目前的測(cè)量手段是通過(guò)PAR光量子傳感器分別測(cè)量單色光單獨(dú)照明時(shí)的光量子通量密度，再計(jì)算比值，但這樣無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)光環(huán)境的實(shí)時(shí)測(cè)量和動(dòng)態(tài)反饋調(diào)節(jié)，已無(wú)法滿足光生物學(xué)研究和植物工廠生產(chǎn)的實(shí)際需要[16]。與此同時(shí)，目前PAR傳感器的高端產(chǎn)品基本被國(guó)外公司壟斷[17]，例如LI-COR、KIPP & ZONEN等，其售價(jià)高昂，且一般需每?jī)赡晁突卦a(chǎn)國(guó)校準(zhǔn)一次[18]。針對(duì)以上問(wèn)題，項(xiàng)目組提出了一種通過(guò)多通道設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)對(duì)不同波段光動(dòng)態(tài)測(cè)量的傳感器，不僅能夠測(cè)量不同波段光量子通量密度及其光質(zhì)比，還能通過(guò)與控制系統(tǒng)建立通信實(shí)現(xiàn)對(duì)光環(huán)境的實(shí)時(shí)控制。

1.2 光量子通量密度的計(jì)算

現(xiàn)階段有兩種評(píng)價(jià)植物光照效果的基本測(cè)量方法——輻射能量法和光子數(shù)法[19]。輻射能量法測(cè)量單位時(shí)間單位面積內(nèi)400～700 nm波段內(nèi)輻射的總能量值，可視其為輻照度(單位：W/m2)；光子數(shù)法則測(cè)量該波段內(nèi)單位時(shí)間單位面積內(nèi)照射到植物上的光子數(shù)量，即光合有效光量子通量密度(以下簡(jiǎn)稱PPFD)(單位：μmol·m-2·s-1)。目前主要使用第二種方法[20]，Mc.Cree也通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明相比于測(cè)量輻照度，光子數(shù)法測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確度提高2/3[21-22]。PPFD可以表示為

其中E(λ)是波長(zhǎng)λ的入射光的能量(光譜輻照度)，h是Planck常量(h=6.63×10-34W·s),c是光速(c=3×108m·s-1)，NA是阿伏加德羅常數(shù)(1 μ·mol·s-1·m-1=6.022×1017photons·s-1·m-1)，γ=NAhc(γ=119.8 W·s·nm·μmol-1)。PPFD可由理想PAR光量子傳感器測(cè)量，實(shí)際操作中我們用LI-190S、PQS-1等傳感器替代理想PAR光量子傳感器[23]。

根據(jù)目前植物工廠等植物照明場(chǎng)景中實(shí)際使用藍(lán)光、紅光、遠(yuǎn)紅光LED的典型峰值和譜寬，傳感器設(shè)置藍(lán)光通道(450±15)nm、紅光通道(660±20)nm和遠(yuǎn)紅光(735±20)nm通道分別測(cè)量藍(lán)光、紅光和遠(yuǎn)紅光的光量子通量密度。上述藍(lán)光、紅光、遠(yuǎn)紅光通道的光量子通量密度PPFDB、PPFDR、PPFDFr可以分別寫(xiě)為

1.3 傳感器結(jié)構(gòu)及原理

我們所設(shè)計(jì)的多通道光量子傳感器主要由帶通濾波片、硅光電二極管、調(diào)理電路、余弦修正片[24]等結(jié)構(gòu)構(gòu)成，如圖2所示。

1—微處理器；2—陶瓷外殼；3—濾波片I；4—余弦修正片；5—濾波片Ⅱ；6—基座；7—調(diào)理電路PCB板；8—底座；9—數(shù)據(jù)線；10—硅光電二極管圖2 多通道光量子傳感器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure diagram of the multi-channel quantum sensor

入射光經(jīng)余弦修正片修正到達(dá)濾波片，濾波片將其帶寬范圍內(nèi)的光透射，并將其余光全反射，透射光到達(dá)硅光電二極管，經(jīng)光電轉(zhuǎn)化產(chǎn)生短路電流，電流經(jīng)過(guò)電流-電壓(I-U)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)化為電壓值，再通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，并通過(guò)數(shù)據(jù)線傳輸。

2 傳感器標(biāo)定

2.1 標(biāo)定系數(shù)關(guān)系

硅光電二極管在不同波長(zhǎng)光的激發(fā)下產(chǎn)生光載流子，從而形成感應(yīng)電流。入射光量子與光電傳感器產(chǎn)生的感應(yīng)電流I(λ)，及短路電流有如下關(guān)系：

聯(lián)立式(5)～式(7)得到光電傳感器短路電流I為

所以多通道光量子傳感器藍(lán)光、紅光、遠(yuǎn)紅光通道的短路電流依次為IB、IR、IFr，它們可以表示為

其中光譜在435～465 nm藍(lán)光波段的光譜響應(yīng)是一個(gè)定值，在640～680 nm紅光波段的光譜響應(yīng)是一個(gè)定值，在715～755 nm遠(yuǎn)紅光波段的光譜響應(yīng)是一個(gè)定值ηFr[25]。

為方便讀數(shù)，通過(guò)調(diào)理電路的I-V轉(zhuǎn)換，將短路電流轉(zhuǎn)化成電壓輸出，輸出電壓U滿足U=IR，其中R為定值電阻。根據(jù)式(2)～(4)、(9)～(11)得到藍(lán)光、紅光、遠(yuǎn)紅光通道的標(biāo)定系數(shù)εB、εR、εFr分別為

所以，通過(guò)將待標(biāo)定傳感器的輸出電壓值與真實(shí)PPFD進(jìn)行線性擬合即可得到標(biāo)定系數(shù)。

2.2 標(biāo)準(zhǔn)PAR光量子傳感器選擇

我們選取KIPP & ZONEN生產(chǎn)的PQS-1型傳感器作為標(biāo)準(zhǔn)傳感器為待標(biāo)定傳感器定標(biāo)[26]，該傳感器環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)且穩(wěn)定性好，靈敏度達(dá)(4～10)μV/μmol/m2·s，并于購(gòu)買(mǎi)后立即進(jìn)行標(biāo)定，從而避免其自身因使用而產(chǎn)生的誤差。

2.3 標(biāo)定裝置搭建

標(biāo)定時(shí)，需將待標(biāo)定傳感器和標(biāo)準(zhǔn)傳感器置于相同光環(huán)境下，并通過(guò)改變環(huán)境光通量來(lái)完成標(biāo)定。下面以紅光、藍(lán)光通道為例介紹標(biāo)定過(guò)程。該文采用臺(tái)灣光宏1 W、(660±20)nm大功率紅光LED構(gòu)成的紅光陣列標(biāo)定紅光通道，用1 W、(450±15)nm大功率藍(lán)光LED構(gòu)成的藍(lán)光陣列標(biāo)定藍(lán)光通道，它們的發(fā)散角均為140°，單顆光源呈朗伯分布，這兩種光源光譜與待標(biāo)定傳感器紅藍(lán)通道透過(guò)譜很好地吻合。

圖3 標(biāo)定裝置示意圖Fig.3 The schematic diagram calibration device

標(biāo)定裝置如圖3所示，基于DMX512協(xié)議的控制器通過(guò)PWM調(diào)制完成光通量控制，它根據(jù)計(jì)算機(jī)指令改變供電通道的電壓占空比[27]。當(dāng)外加36 V直流電源時(shí)，計(jì)算機(jī)將0～100%對(duì)應(yīng)的十六進(jìn)制指令發(fā)送至控制器，供電通道電壓占空比也將變?yōu)橄鄳?yīng)值，導(dǎo)致均值電壓在0～36 V間改變，從而改變與其串聯(lián)的LED陣列的光通量。

待標(biāo)定傳感器輸出的電壓信號(hào)通過(guò)數(shù)據(jù)線傳輸至計(jì)算機(jī)，并由為該傳感器專門(mén)設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)讀取軟件實(shí)時(shí)讀取。PQS-1傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù)由其自帶的LCD顯示器讀取。其余裝置還包括可調(diào)節(jié)高度的支架，測(cè)量尺等。

2.4 標(biāo)定過(guò)程及擬合

下面以紅光通道和藍(lán)光通道為例介紹標(biāo)定過(guò)程。標(biāo)定在標(biāo)準(zhǔn)暗室中進(jìn)行，單顆紅光LED加載2.2 V電壓，將其電壓占空比從0開(kāi)始每次上調(diào)5%直至100%，記錄待標(biāo)定傳感器讀數(shù)UR與PQS-1傳感器讀數(shù)PPFDR，并將數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合。之后更換藍(lán)光LED，單顆藍(lán)光LED加載3.2 V電壓，操作同上，記錄待標(biāo)定傳感器讀數(shù)UB與PQS-1傳感器讀數(shù)，并將數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合。

圖4 兩只待標(biāo)定傳感器紅光/藍(lán)光通道標(biāo)定擬合曲線Fig.4 Red/blue light channel’s fitting curve of two unregulated sensors

圖4是兩只待標(biāo)定傳感器(傳感器a和傳感器b)的標(biāo)定曲線，分析圖4(a)(b)可得，傳感器a的紅光通道、藍(lán)光通道擬合方程分別為

所以傳感器a的紅光、藍(lán)光通道標(biāo)定系數(shù)分別為εRa=0.756 8、εBa=0.821 2，式中βRa=4.008 8和βBa=0.161 8分別表示紅光、藍(lán)光通道的暗電流響應(yīng)。之后將式(15)、(16)寫(xiě)入傳感器a讀數(shù)軟件的顯示程序，并在顯示器輸出PPFDRa、PPFDBa。同理可得，傳感器b的紅光、藍(lán)光通道標(biāo)定系數(shù)分別為εRb=0.895 5、εBb=0.842 4，且紅光、藍(lán)光通道暗電流響應(yīng)分別為βRb=3.402 5和βBb=0.340 9。

標(biāo)定結(jié)果表明，本傳感器具有很好的對(duì)光通量的線性響應(yīng)度，滿足設(shè)計(jì)要求。同時(shí)，對(duì)比圖4(a)(b)可知，不同傳感器相同通道的標(biāo)定系數(shù)不同，主要是因?yàn)楣怆妭鞲衅鞯淖陨眄憫?yīng)差異和濾波片分裝等引起，所以每只傳感器都需單獨(dú)定標(biāo)，并在程序中寫(xiě)入對(duì)應(yīng)系數(shù)。完成標(biāo)定的傳感器經(jīng)過(guò)測(cè)試后即可密封外殼，成品如圖5所示。

圖5 多通道光量子傳感器實(shí)物圖Fig.5 Practicality picture of Multi-channel Quantum Sensor

3 應(yīng)用

本文所述多通道光量子傳感器的應(yīng)用場(chǎng)景廣泛，其中一種就是將其與光源建立反饋系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)植物照明光環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制，所以文章進(jìn)一步設(shè)計(jì)了一套植物照明通用的智能光環(huán)境控制系統(tǒng)。系統(tǒng)主要由傳感器、光源、控制電路、控制軟件和讀寫(xiě)屏幕構(gòu)成。其原理為：根據(jù)種植需求，使用者在控制軟件中設(shè)置不同波段光的PPFD目標(biāo)值(或設(shè)置總PPFD目標(biāo)值及光質(zhì)比)，此時(shí)置于工作區(qū)的傳感器將測(cè)量到的對(duì)應(yīng)波段的PPFD測(cè)量值傳輸?shù)娇刂齐娐?，處理器比?duì)目標(biāo)值和測(cè)量值，若二者不相等則自動(dòng)調(diào)節(jié)相應(yīng)波段的PPFD，直至測(cè)量值與目標(biāo)值相等。調(diào)光過(guò)程如圖6所示。

圖6 智能光環(huán)境控制系統(tǒng)流程圖Fig.6 Flow diagram of intelligent light environment control system

項(xiàng)目組將該系統(tǒng)安裝于一個(gè)三層植物生長(zhǎng)柜中，每層頂部分別安裝紅光LED陣列和藍(lán)光LED陣列，每個(gè)陣列都由基于DMX512協(xié)議的控制器的不同通道供電。首先，打開(kāi)顯示屏上的控制軟件，根據(jù)所種植植物的光照需求設(shè)置每層的紅光PPFD和藍(lán)光PPFD分別為IRi和IBi(i=1，2，3，分別表示生長(zhǎng)柜第1、2、3層)；置于植物柜每層種植盤(pán)邊緣的多通道光量子傳感器測(cè)量出本層的紅/藍(lán)光PPFD分別為ITRi和ITBi,該數(shù)據(jù)傳輸至控制系統(tǒng)后被與設(shè)置值比對(duì)，若某層測(cè)量值小于設(shè)置值，則控制器將該通道PWM信號(hào)減小1%，即該通道電壓占空比減小1%，使該通道供電的LED陣列光通量密度下降，反之PWM信號(hào)增加1%，LED陣列光通量密度上升，直至該通道測(cè)量值與設(shè)置值相等。通過(guò)這種方式，每層的紅、藍(lán)PPFD達(dá)到預(yù)定值。這樣即可精確調(diào)節(jié)出所需光環(huán)境。系統(tǒng)也可設(shè)置每層的總PPFD和光質(zhì)比，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)計(jì)算出對(duì)應(yīng)波段PPFD，并進(jìn)行調(diào)控。植物生長(zhǎng)柜中各層光環(huán)境參數(shù)如表1所示。

表1 植物生長(zhǎng)柜每層光環(huán)境參數(shù)對(duì)應(yīng)關(guān)系Table 1 Each layer’s light environment corresponding parameters of plant growth cabinet

以上所述系統(tǒng)具有通用性，能夠廣泛應(yīng)用于LED植物工廠、LED植物生長(zhǎng)柜、LED補(bǔ)光溫室等都市農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，擁有廣闊的市場(chǎng)前景。在LED植物工廠和LED植物生長(zhǎng)柜中，系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)智能化調(diào)光，從而實(shí)現(xiàn)不同層種植不同植物。在LED補(bǔ)光溫室中，當(dāng)系統(tǒng)測(cè)量到太陽(yáng)光中的光通量低于標(biāo)準(zhǔn)時(shí)即開(kāi)始自動(dòng)補(bǔ)光，同樣能調(diào)節(jié)補(bǔ)光燈的光通量及光質(zhì)比。

4 結(jié)語(yǔ)

作為植物照明領(lǐng)域的一項(xiàng)基礎(chǔ)技術(shù)，專門(mén)針對(duì)植物研發(fā)的光環(huán)境測(cè)量設(shè)備是后續(xù)研究和生產(chǎn)工作的重中之重。我們針對(duì)目前PAR光量子傳感器無(wú)法同時(shí)測(cè)量不同波段光量子通量密度及光質(zhì)比從而無(wú)法滿足植物工廠需求等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種多通道光量子傳感器。該傳感器通過(guò)設(shè)置藍(lán)光、紅光、遠(yuǎn)紅光通道實(shí)現(xiàn)了對(duì)相應(yīng)波段光量子通量密度及其比例的實(shí)時(shí)測(cè)量；我們推導(dǎo)出了不同通道的標(biāo)定系數(shù)表達(dá)式，進(jìn)一步還應(yīng)用DMX控制器搭建標(biāo)定裝置，并采用PQS-1傳感器對(duì)該傳感器定標(biāo)，求出了定標(biāo)系數(shù)，測(cè)試結(jié)果表明該傳感器擁有很好的線性響應(yīng)度；最后，通過(guò)將多通道光量子傳感器與光源建立反饋控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了一套通用的能夠控制總光量子通量密度及光質(zhì)比的智能光環(huán)境控制系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)“數(shù)字化”、“精準(zhǔn)化”植物照明，為最大限度地提升都市農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率奠定了基礎(chǔ)。

[1] MCCREE K J.Photosynthetically active radiation[M].Springer Berlin Heidelberg，1981.

[2] MCCREE K J.Agricultural Meteorology A solar meter for measuring photosynthetically active radiation[M].1966.

[3] Леонов Н Д.Photosynthesis and related processes.[M].Изд-во Иностр.лит.，1951.

[4] GOINS G D，YORIO N C，SANWO M M，et al.Photo morphogenesis，photosynthesis，and seed yield of wheat plants grown under light emitting diodes(LEDs)with or without supplemental blue lighting[J].J Exp Bot，1997，48：1407-1413.

[5] 盧東昱，崔新圖，黃鏡榮，等.葉綠素吸收光譜的觀測(cè)[J].大學(xué)物理，2006，25(1)：50-53.

[6] SABZALIAN M R，HEYDARIZADEH P，ZAHEDI M，et al.High performance of vegetables，flowers，and medicinal plants in a red-blue LED incubator for indoor plant production[J].Agronomy for Sustainable Development，2014，34(4):879-886.

[7] BROWN Christopher S，SCHUERGER Andrew，et al.Growth and photomorphogenesis of pepper plants under red LEDs with supplemental blue or far-red lighting[J].AMER.SOC.HORT.SCI.1995，120(5)：808-813.

[8] CRAIG D S，RUNKLE E S.A Moderate to High Red to Far-red Light Ratio from Light-emitting Diodes Controls Flowering of Short-day Plants[J].Journal of the American Society for Horticultural Science American Society for Horticultural Science，2013，138(3):167-172.

[9] KOZAI T.Plant Factory in Japan-Current situation and perspectives[J].Chronica Horticulturae，2013，53(53(2)):8-11.

[10] 劉文科，楊其長(zhǎng).植物工廠LED照明應(yīng)用的幾點(diǎn)思考[J].照明工程學(xué)報(bào)，2015，26(4):98-102.

[11] CRAIG D S.EFFECTIVE RATIOS OF RED AND FAR-RED LIGHT FROM LIGHT-EMITTING DIODES THAT CONTROL FLOWERING OF PHOTOPERIODIC ORNAMENTAL[D].Michigan：Michigan State University.2012.

[12] 胡洋，江沙，李潔，等.光強(qiáng)和光質(zhì)對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育的影響[J].內(nèi)蒙古大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，30(4)：296-300.

[13] 聞婧，鮑順淑，楊其長(zhǎng)，等.LED光源R/B對(duì)葉用萵苣生理狀態(tài)品質(zhì)的影響[J].中國(guó)農(nóng)業(yè)氣象，2009(3)：303-308.

[14] 徐文棟，劉曉英，焦學(xué)磊，等.不同紅藍(lán)配比的LED光調(diào)控黃瓜幼苗的生長(zhǎng)[J].植物生理學(xué)報(bào)，2015,51(8):1273-1279.

[15] KOZAI T，KAZUHIRO Fujiwara.LED Lighting for Urban Agriculture[M].Singapore：Springer，2016.

[16] MASSA G D，KIM H H，WHEELER R M，et al.Plant Productivity in Response to LED Lighting[J].Hortscience，2008，43(7):1951-1956.

[17] 張杰，熊顯名，張馨，等.光合有效輻射傳感器及其調(diào)理電路設(shè)計(jì)[J].儀器儀表裝置.2012(6)：12-15.

[18] BARNES Charles，TIBBETT Theodore，SAGER John，et al.Accuracy of Quantum Sensors Measuring Yield Photon Flux and Photosynthetic Photon Flux[J].HORTSCIENCE.1993，28(12):1197-1200.

[19] 高鴻磊，諸定昌.人眼光度學(xué)與植物光度學(xué)的單位轉(zhuǎn)化[J].燈與照明.2007，31(2)：34-36.

[20] 楊炳忠，莫月琴，楊云.現(xiàn)代氣象輻射測(cè)量技術(shù)[M].北京：氣象出版社，2008.

[21] MCCREE K J.The action spectrum，absorptance and quantum yield of photosynthesis in crop plants[J].Agricultural Meteorology，1972，9：191-216.

[22] 劉慧，趙偉強(qiáng)，劉建，等.植物光合有效光輻射測(cè)量技術(shù)的現(xiàn)狀與需求[J].中國(guó)照明電器，2015(8)：35-39.

[23] ROSS J，SULEV M.Source of errors in measurements of PAR[J].Agricultural and Forest Meteorology，2000,100：103-125.

[24] 鄭茹，張國(guó)玉，高越,等.太陽(yáng)輻射觀測(cè)儀余弦誤差修正方法[J].光子學(xué)報(bào)，2016，45(1):91-96.

[25] 錢(qián)大憨，劉文，劉路青，等.多通道光合有效輻射傳感器[J].照明工程學(xué)報(bào)，2016，27(2)：29-33.

[26] Instruction Sheet-PAR Quantum Sensor PQS1.http://www.kippzonen.com/Product/184/PQS-1-PAR-Quantum-Sensor#.WOucGHqEBqI.

[27] 黃以華,廖世文,劉燕林,等.基于DMX512協(xié)議的LED燈具控制系統(tǒng)[J].照明工程學(xué)報(bào)，2009,20(4)：48-53

DesignandApplicationsofMulti-channelQuantumSensor

ZHANG Xinyu1，2，XU Jinghong1，HE Zili1，2，ZHANG Fangxin1，2，LI Ming1，2，LIU Wen1,2
(1.InstituteofAdvancedTechnology，UniversityofScienceandTechnologyofChina，Hefei230088,China；2.SchoolofPhysicalSciences，UniversityofScienceandTechnologyofChina，Hefei230026,China)

The measurement of plant growth’s luminous environment is the basis of urban agriculture，such as LED plant factory.The PAR quantum sensors，which measure the photon flux of radiation in the spectral interval 400～700 nm，can’t measure the several intervals which are used in plant lighting simultaneously，but the LED plant factory needs these data and their ratios by far.Therefore,a type of multi-channel quantum sensor is designed to solve this problem.Firstly，the paper expounds the design principle and structure of the sensor.It then elicits the calibration coefficient expression of the sensor’s different channels，and calibrates the unregulated sensors by the PQS-1 sensor under the calibration device constructed by controller based on DMX512 protocol.Results indicate that the linear response of sensors is good.The article finally designs a set of light environment control system，which can auto control the photon fluxes and light quality ratios，based on the sensors.

multi-channel；PAR；sensor；plant factory；calibration；light environment control

安徽省科技廳科技重大專項(xiàng)項(xiàng)目“設(shè)施農(nóng)業(yè)光照傳感器及智能光照控制系統(tǒng)”(編號(hào)16030701093)

劉文，Email：wenliu@ustc.edu.cn

TN29

A

10.3969/j.issn.1004-440X.2017.06.018