光合测定基本原理说明书.docx
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光合测定基本原理说明书
一、光合测定基本原理
地球上的植物均是以光合作用为基本物质生产过程，人类
和大多数的动物都是以植物这种基本生产过程所产生的一定形式物质，如果实、种子为生存条件的。
特别是人类赖以生存的粮食生产过程95%以上的物质均是通过作物将空气中CO2和根部吸收的水分，在太阳光所提供的能量和叶片的叶绿体中合成的有机物质，这种植物将CO2和水合成有机物质并放出氧气的过程称为光合作用。
如何测出光合作用的速率，对广大农业科技者和从事植物类研究人员是十分重要的。
测定光合速率的方法很多，如根据有机物的积累有半叶法，群体净同化率测定，根据O2的释放有气相O2释放法，吉尔森呼吸仪法，液相O2释放的化学滴定，氧电极法，但应用最多是根据CO2的吸收测定光合速率。
根据CO2的吸收测定光合速率有化学滴定法、PH法、同位素法，最常用的而且快速准确的方法是红外线CO2气体分析仪法。
ECA光合测定仪采用单片机的智能管理技术，除了监测光合作用过程中的CO2变化外，还同时监测蒸腾作用过程中的水分变化（RH）以及测定相应的光合有效辐射（PAR），温度（包括叶室温度（TC）和叶片温度（TL），并根据这些测定参数自动计算出相应的光合速率（Pn），蒸腾速率（Tr）水分利用效率（WE）、气孔导度（Cleaf）、胞间CO2浓度（CO2in）。
１、CO2测定
红外线气体分析根据由异原子组成的具有偶极矩的气体分子如CO2，CO，H2O，SO2，CH3，NH4，NO等在2.5~25um的红外光区都有特异的吸收带，CO2在中段红外区的吸收带有４处，其中４.26um的吸收带最强，而且不与H2O相互干扰。
红外线CO2分析就是通过检测CO2对４.26um光谱的吸收来测定光合作用过程中CO2的变化量。
因为CO2吸收的４.26um红外光能与其吸收系数（Ｋ）、气体的浓度（Ｃ）和测定的气室长度（Ｌ）有关，并服从比尔一兰伯特定律：
Ｅ＝Eoe-KCL
因为测定仪在设计过程中将确定了Eo（初级始发能量）和Ｌ（气室长度），-Ｋ，e为常数，而Ｅ（测定未端的能量）就有了与C（被测气体浓度）的对应关系，通过测定E就可测定出CO2浓度。
红外线CO2分析的优点：
①灵敏度高，可以测定到1.0、0.5甚至0.1uml.mlo-l（即ppm）的CO2浓度；②反应快速，响应时间短，可测定出光合速率瞬时变化；③易实现自动化，智能化的测定。
2、水分测定
植物在进行光合作用同时伴随着蒸腾过程发生。
水分通过气孔向周围空气环境释放水分。
通过监测湿度的变化计算出蒸腾速率。
湿度测定是采用进口传感器。
3、温度测定
温度是光合作用和蒸腾作用过程中的重要条件，同时是计算机光合速率和蒸腾速率的参数之一，也是在计算气孔阻抗中叶片温度（TL）和周围空气温度（TC）是重要能数。
温度测定原理为：
空气温度测量利用进口传感器，叶片温度测量利用热电偶元件，热电偶工作原理是基于赛贝克（seeback）效应,即两种不同成分的导体两端连接成回路时，如果两连接端温度不同，则会在回路内产生热电流的物理现象。
热电偶由两根不同导线（热电极）组成，它们的一端是互相焊接的，形成热电偶的测量端，（也称工作端）。
将它插入待测温度的介质中；而热电偶的另一端（参比端或自由端）则与显示仪表相连。
如果热电偶的测量端与参比端存在温度差，则显示仪表将指出热电偶产生的热电动势。
４、光合有效辐射测定
光合有效辐射（ＰＡＲ）是指植物吸收并参与光化学反应的太阳辐射光谱成份。
一般光谱范围欧美多采用400～760ｎｍ,俄、日等用380～710ｎｍ，ECA光合测定仪的ＰＡＲ是前者范围。
该技术原理为：
ＰＡＲ测定采用多层叠加滤光和光敏半导技术，即采用硅光电二极管，利用光生伏特效应将光能转化为电能，在光照照射下能在Ｐ区和Ｎ区之间形成光生电
动势，把ＰＮ结连接起来，电路中就有电流流过，电流大小与光照强度成相关性。
其优点是稳定性好和重现性好，动态范围宽，温湿度特性优良和几乎没有疲劳特性。
硅光电二极管的短路电流与光照强度有较好的线性关系，当选择适当的滤光片对光谱进行选择，则硅光电二极管输出电流即和所选光谱的光强呈线性关系。
具体电路为：
Q1
D1 V0
图３光合有效辐射测定电路示意图
Ｄ１为硅光电二极管，Ｑ１为电流电压转换电路,将O-2742uEm-2.s-1微爱因斯坦的光强转换为0-5V输出电压，送到AD电路进行模数转换。
二、ECA光合测定仪结构原理
1、工作原理
ECA光合测定仪是利用先进的单片机技术对相应的CO2浓度、湿度、温度和光合有效辐射传感器信号进行采集，经数据处理计算出光合速率，蒸腾速率，水分利用效率，气孔导度和胞间CO2浓度，同时可显示，数据存储并能与计算机通讯（见图4）。
光合过程感器信号感测 数据采集与处理
4 ECA光合测定仪工作原理示意图
2、系统结构（见图5）
系统主要由二个部分构成，①叶室（或同化箱），其功能将被测叶片（或群体）夹（封）住，形成固定被测空间和取样，同时内装有叶片温度传感器（TL）和叶室温度传感器（TC），在叶室柄内装有湿度传感器（RH），在叶室柄上方有光合有效辐射传感器（PAR）。
在测定光合作用和蒸腾作用过程中，叶室内的相对湿度变化量（0-100%）,光合有效辐射的变化量（0-2700uEem-2s-1）和叶室、叶片温度变化量（0-50℃），各传感器相对应的均是标准电压（0-5V）供处理中心，叶室通过叶室信号电缆和气路管与主机相连，进行相应的开路或闭路测定；②主机，机箱内装有二氧化碳分析系统和处理中心，前者主要测定光合作用过程中CO2的浓度变化，并将CO2浓度变化量（O-1000ppm）转化为AD电路所需的标准电压讯号（0-5V）；处理中心将输入的5种模拟量（CO2、RH、PAR、TC、TL）进行多路选择、模数（A/D）转换、数据采集与滤波，计算并将测定结果显示和存贮并与计算机通讯。
三、ECA光合测定仪的性能及用途
ECA光合测定仪主要用于作物、果蔬、牧草等植物以光合为主的多种生理指标和生态因子的测定，该仪器具有以下特点：
a）特殊配置：
选用先进的单片机对测定过程中各路变化的信号进行自动采集和处理，配置全点阵液晶宽屏显示器，中英文菜单，可实现多信息的菜单式显示和光标引导下的简便操作，结果数据存储并与计算机通讯。
使用方便：
体积小，重量轻，可随身携带，单人操作，任意移动，自动弹启和锁紧方式，测定时装卸叶片十分方便。
b）性能优良：
所用的传感器为最新研制的产品，AD转换精度高，测量的稳定性、精度、重视性和时间响应同于和优于国外同类先进仪器；
c）适用广泛：
配有不同类型的叶室、能广泛用于大田作物、果树、蔬菜、森木、牧草等多种植物不同形状叶片的测定。
配有标准化免维护电池，可进行交、直流两种方式供电，野外、室内均可使用。
还可以根据用户的需要，设计和制做特用的同化箱和呼吸反应器，测定群体光合作用和土壤、种子、昆虫等呼吸作用。
d）技术参数：
测定项目
测定量程
精度
CO2
0-1000PPm
<3PPm
RH
0-100%
<1.8%
T
0-50℃
<0.2%
PAR
0-2700umolm-2·S-1
<5umolm-2·S-1
☆主机外形体积为：
290×125×130（mm）;
☆工作环境：
温度0—50℃，相对湿度：
0-100%（没有水汽凝结）；
☆电源：
DC6V9AH可存电锂电池，可连续工作7—8小时；
☆数据存储：
2G
☆显示：
240×128点阵，中英文界面；
☆数据传输：
SD卡；
四、面板示意图
上面板示意图
1调零键，（此键不用）
2气泵键，用于气泵开关，在数据测量状态使用；
3复位键，任何状态下按此键显示回到开机界面；
4关机键，按此键3秒钟关机；
5开机键，按此键3秒钟开机；
6数字键，按相应的数字（字母）键输入该数字（字母）；
7△▽键，上翻和下翻界面或光标，同时按两个键可进行数字与字母的输入切换；
8ESC键，除菜单显示意义外，按此键退回上一级菜单；
9ENT键，除菜单显示意义外，按此键确认当前操作，进入下一级菜单
保险管
电池盒盖5
充电口7
9
调
零
旋
钮10
六通阀4
出气口3
信号线2
进气口1
碱石灰8
螺钉6
9
左面板示意图
5电池盒盖，打开电池仓；
6螺钉，开关电池盖，逆时针旋转开；
7充电口，与充电器连接给机内电池充电
8碱石灰，逆时针旋开可更换碱石灰；
9保险管，逆时针旋开可更换仪器保险
10调零旋钮，CO2调零时使用
右面板示意图
1进气口，主机进气管接口；
2信号线，主机的信号线接口；
3出气口，主机出气管接口；
4六通阀，仪器CO2调零用，逆时针旋转调零状态，顺时针旋转测量状态；
四、ECA光合测定系统操作说明
1．仪器连接，
1-1随机所配的连接线是信号线与气路管一体线；
1-2将连接线的航空插头分别插到主机和叶室的信号线接口；
1-3将连接线的气路管分别安在主机和叶室的进气口和出气口；闭路测量和开路测量安装方法如图，
2电源启动
2-1接通电源
2-1-1 将随机配套的电池装入电池盒内，（一般新仪器电池已安在仪器内）
2-1-2充电 每节电池可以连续工作8小时左右。
当电压不足时，需及时充电。
ECA光合测定仪主机所配备电源是由GP0108充电器经对其结构和功能改进后作为ECA主机充电电源。
常规充电：
先接电池后接通220V电源，电源指示灯亮，电池指示灯闪烁，常亮充满。
电池维护：
电池使用前或长时间不用时都需要充电，仪器使用完毕后电池应及时充电，带电保存，长时间不使用时一个月充电一次，每三个月电池放电到无电、再充满一次。
3.主机操作
2-1此界面为主菜单，最上一行第一组数为年-月-日，中间一组数为时-分-秒，后面图形为电池电量，其它界面同此；
2-2★所在位置为该行功能选择，按ENT键便可进入该菜单，按△▽键可变更选择（其它界面此类操作相同）
3-1此界面为系统设置功能；
3-2日期设定依次输入年月日，如2008年1月10日依次输入数字0-8-0-1-1-0便可；
3-3时间设定操作同上，本仪器为24小时制；
3-4用户名称为使用者数据存储文件夹名，用户自己定义，同时按△▽键可切换数字输入和字母输入，使用时用户名必须输入；
3-5起始样品号为当前用户名下的下一个测量样品号，如为1时，该用户没有已测量的样品，为30时，该用户名下已保存了29个
五、仪器的维护和故障修理
测量结果，下一个样品为
30号。
3-6设置完成后按ESC键回到主菜单
4-1此界面为模式选择功能，气路模式分为闭路和开路，测量模式分单叶和群体；闭路和开路的气路连接方式不同（参考气路连接部分），单叶测量测量植物的单片叶子，群体测量测量一株或几株植物，需有同化箱配合使用。
4-2进入气路模式后，按△▽键选择“◆闭路”“◆开路”，按ENT键确认选择，闭路测量菜单为上界面，开路测量菜单为下面界面；
4-3进入测量模式后，按△▽键选择“◆单叶”“◆群体”，按ENT键确认选择；
4-4系统容积为测量系统的空气容积，包括叶室、气管及内部测量系统的容积，在使用本机
配置的标准叶室时，系统容积为0.25L，为本机默认值；当群体测量时需改变此值；
4-5测定面积为作物叶子在叶室夹紧后见光部分的面积，本机的标准叶室的透光口的面积为11平方厘米,叶子夹满透光口的可默认此值，未夹满的测量实际值输入
4-6间隔时间为系统内部自动采集时的间隔时间，一般C3作物设3秒，C4作物设2秒，也可根据具体情况自行设定；
4-7界面各参数全部设定后，按ESC键回到主菜单；
5-1此界面为数据测量功能菜单；
5-2样品号为当前测量样品的序号，CO2为叶室二氧化碳浓度值，Tc、TL分别为叶室和叶片温度值，PH为空气相对湿度值，PAR为光合有效辐射值；
5-3按下前面板气泵键，打开气泵，测量及调零均需要先打开气泵；
5-4调零操作，调零之前先打开气泵，再将侧面板上六通阀顺时针旋转到底进入调零状态，当CO2的值逐渐降到1，调零完毕（若CO2的值降到0或大于1时，再用旁边的调零旋钮调到1）。
随后将六通阀逆时针旋转到底进入监测状态（每次测量三个小时以上请再次调零）；
5-5测量：
5-5-1关闭叶室，手柄轻轻摆动，JIANCHACO2值稳定后准备下一步操作。
检查叶室是否漏气；
5-5-2选择要测量的叶片放到叶室内夹紧，把透光口对准阳光（屏幕上PAR值最大），CO2值平稳下降时按ENT键进行测量。
5-5-3测量状态，屏幕上部第二行中间的采集时间显示0开始自动走秒1、2、3一直到采集完毕自动进入下一级菜单。
5-6面积确认操作，此界面为本次测量的叶面积数，如果是原来设定值，直接按ESC键进入下一级菜单，如果需重新输入按ENT键后进入下一级菜单；
5-7面积修改操作，此界面在屏上■出输入本次测量叶片面积数，按ENT键进入测量结果菜单
5-8测量结果显示，Pn光合速率（umol/m2.s），Tr蒸腾速率（mmol/m2.s），Cleaf气孔导度（mmol/m2.s），CO2in胞间CO2浓度（ppm）,We水分利用率（%）
5-9按ENT键此次数据存储于机内，菜单进入测量状态，样品号自动加1，按ESC键，数据不存储，菜单进入测量状态，样品号不变；
5-10依次重复可进行多个样品的测量。
5-11在测量状态时可按ESC键退出测量操作，屏内弹出提示界面，按ENT键返回主菜单；
5-12如果选择了开路测量方式，先不夹叶片，打开叶室测量大气的各项参数，按ENT键采集，而后夹紧叶片，按ENT键采集叶室内各参数，进入面积修改菜单，其它操作同闭路测量；
开路空气测量菜单
6-1此为环境监测设置界面，在此可以设置CO2的监测间隔时间，和环境的容积。
6-2在设置完间隔时间和容积后，按ESC键进入环境监测界面。
在此界面中可以做为CO2键测记录仪使用，所有数据根据监测间隔时间保存到SD卡。
五、仪器的日常维护及注意事项
1、仪器测量时当电压显示两格时，表明电池电能已不足，应该及时关机，给电池存足电以后再用，过放电极易造成电池损坏，这一点使用时要特别注意。
2、仪器不用时，应将进气口和出气口用橡胶管短接上，形成闭环，以防止灰尘污染气室和减少碱石灰消耗。
并将仪器存放在防潮、防晒处。
3、仪器应避免安放在振动较大的环境中，携带现场使用过程中应避免强烈磕碰和跌撞，测量过程中应避免阳光长时间直射。
4、长时间不用时，每三个月电池深放电一次，再充满电放置，以免损坏电池。
5、本仪器是SD卡储存。
6、仪器故障
现象
故障原因
排除方法
开机屏幕无显示
单片机无复位
按复位键（Rest）
保险损坏
换保险
线路损坏
及时与经销商或制造商联系，更换或检修主机内线路板
显示值不变、调零不起作用
仪器内线路板
及时与经销商或制造商联系，更换或检修主机内线路板
测量时数值偏大或偏小
气室或气路漏气
检查叶室、气路管
屏幕测量数值不变或不显示
信号线短接
检查或更换信号线
仪器数据不稳或失常
电池电能不足
给电池充电
回零滞后
碱石灰失效
可在当地化学试剂商店购买或与制造商联系
（二）仪器运输和保管
1、仪器运输时要防雨淋、防爆晒、防强烈冲击。
2、仪器应放在阴凉处及湿度小于85%R.H的室内。
空气内无腐蚀气体。
（三）制造厂保证
在用户遵守保管和使用规则的情况下，以制造厂发货给用户之日起，十四个月内产品因质量不良而发生损坏或不能正常工作，制造厂将无偿地为用户修理或更换产品零部件。
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