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1、ECAPB0401 型光合测定仪说明书- 1 -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 和水合成有机物质放出氧气的过程称为光合作用。如何测定出光合作用的速率，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
2、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。、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，H2 O，SO 2，CH3 ，NH4，NO 等在 2.525um 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处，其中.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.26um 光谱的吸收来测定光合作用过程中
3、 CO2 的变化量。因为 CO2 吸收的.26um 红外光能与其吸收系数（） 、气体的浓度（）和测定的气室长度（）有关，并服从比尔一兰伯特定律：E oe-KCL因 为 测 定 仪 在设计过程中将确定了 Eo（初级始发能量）和（气室长度） ，-，e为常数，而（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：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；反应快速，响应时间短，可测定出光合速率瞬时变化；易实现自动化，智能化的测定。ECA 光合测定仪采用单片机的智能管理技术，除
4、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以及测定相应的光合有效辐射（PAR） ，温度（包括叶室温度（CT）和叶片温度（ LT） ） ，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（WUE） 、气孔阻抗 Sr。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。湿度测定是采用高分子湿敏电容技术。技术原理：高分子薄膜式湿敏元件应用的是平板电容器原理，在绝缘基片上依次形成下电极感湿膜，上电极感湿膜，膜是聚酰亚胺高分子聚合物，它吸收环境空气中的水分后，其介电常
5、数发生变化，从而引起电容量变化，达到反映湿度的目的。其中电容量与湿度的关系，可用一线性方程近似表达：c = a + b x c: 湿敏电容电容值a: 常数b: 湿敏电容与湿度的相关系数x: 相对湿度值ECAPB0401 型光合测定仪说明书- 2 -图 1 湿度测定电路示意图由于湿敏电容的高分子薄膜可以做得极薄（微米级） ，所以元件其中 BG1 和 BG2 组成间歇振荡器，振荡频率为 800KHZ，C2 为固定电容，C 1 湿敏电容，当 C1 发生变化时，振荡的频率和占容比将发生变化，将这种变化通过 Q1 进行缓冲放大，输出和湿度相对应的电压值，送到 A电路进行模数转换。3、温度测定温度是光合作
6、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（LT）和周围空气温度（CT）是重要能数。温度测定原理为：采用半导体温度二极管，利用 PN 结之间的电压随温度而变化特点，其温度系约为2mv/。其 PN 结端电压 V 随温度变化符合关系式：V0=Vg0-（KT/q）ln(aTr/lc)Vg0 为温度为 0 时 PN 结的端电压，K 为波尔兹曼常数，q 是电子电荷，T 是绝对温度a,r.为 PN 常数。 Ic 为流过结的电流，当 Ic 一定时，与在-50- 150时有近似线性关系。本光合仪采用直径为 0.5的半球形封装的半导体温度传感器，由于封装
7、体积很小，所以反应速度快，滞后性小，能较好的反映叶面温度和环境温度，具体实现电路如图： 图 温度测定电路示意图其中 为一恒流源，为 100u。 为缓冲放大器。通过缓冲放大，将50的温度变换为5.00的电压输出送到电路进行模数转换。、光合有效辐射测定光合有效辐射（ ） 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 400760,俄、日等用 380710，ECA 光合测定仪的是前者范围。该技术原理为：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C2Q1BG2BG1 C1VCCVoIoECAPB0401 型光合测定仪说明书- 3 -管，利用光生伏特效应将光能转化为电
8、能，在光照照射下能在区和区之间形成光生电动势，把结连接起来，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：Q1V0D1图 光合有效辐射测定电路示意图为硅光电二极管，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
9、对相应的 CO2 浓度、湿度、温度（LT、CT）和光合有效辐射（PAR）传感器信号进行采集，经数据处理计算出光合速率（Pn） ，蒸腾速率（Tr） ，水分利用效率（WUE）和气孔阻抗（SR） ，同时可显示打印，数据存储和计算机通讯（见图 4） 。光合过程 传感器信号感测 数据采集与处理图 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，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（LT）和叶室温度传感器（CT） ，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
10、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（0-2742uEem -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；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CO2H2OV LTCT红外线 CO2分析（CO2）湿度传感器（RH）温度传感器（LT）温度传感器（CL）光合有效辐射传感器（PAR ）显 示打印 数据存贮 多路 转换开关A/D转换CPU转换通讯+ECAPB0401 型光合测定仪说明书- 4 -CO2
11、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、CT、LT）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打印输出（或存贮并与计算机通讯） 。1 空气流量计 2 微型打印机 3 CPU 大型显示屏幕 4 功能键 5 电池盒 6 气路切换阀 7 气路进出口 8 碱石灰管 9 信号输入 10 电源开关 11 保险 12 CO2调零旋钮恢复键 13 CO2跨度调节旋钮 14 背光开关键盘 15 空气气泵开关 16 流量调节17 显示调节 18 充电插口 19 信
12、号线及气路管 20 手柄开关21 光合有效辐射探头 22 叶室图 5 ECA 光合测定系统整机结构三、 ECA 光合测定仪的性能及用途ECA 光合测定仪主要用于农作物、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，可实现多信息的菜单式显示和光标引导下的简便操作，显示器装有背景光可在弱光和黑暗下进行测定操作；仪器内嵌 24 字符微型打印机，可即时将测定过程及最终结果以 4 种可选择的方式打印出来，也可进行数据存储和与计算机通讯。b) 使用方便：体积小，重量轻，可
13、随身携带，单人操作，任意移动，气路和电路连接明确，操作方式及测定、计算结果以不同层次的菜单显示出来，可在光标引指下进行菜单界面参数输入、信息分析和结果输出的操作，叶室为自动弹启和锁紧方式，测定时装卸叶片十分方便。c) 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；可在开路或闭路，单叶或群体的任意选择状态下，同时测定光合速率（PH） 、蒸腾速率（TR） 、气孔阻抗（SR）和水分利用效率（WUE） ，以及二氧化碳浓度（CO2） 、相对湿度（RH） 、光合有效辐射（PAR）T 和温度（T）等项指标。d) 适用广泛：配有不同类
14、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。e) 技术参数：测定项目 测定量程 精度CO2 0-1000PPm 2PPmRH 0-100% 3%9 12212220191 2 345 67 8111316151810 14 1712ECAPB0401 型光合测定仪说明书- 5 -T 0-50 0.2%PAR 0-2742uEe-2S-1 12uEe-2S-1主机外形体积为：340255
15、120（mm）;四、 ECA 光合测定系统操作说明1启动与调解11 接通电源 在启动之前连接好气路和电路。气路连接见图 6。闭路测量叶室出气口接主机进气口，叶室进气口接主机出气口；开路测量叶室出气口接主机进气口，其它不连接。闭路 开路图 6 气路连接图1 1 1 将随机配套的 7.2V 电池装入电池盒内，打开主机电源开关. 1 1. 2 充电 每节电池可以连续工作 5 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。在电源上有两个充电插孔，一般情况应只充一块电池，特殊情况可充两块电池充电方式分常规电和快速充电。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。快速充电：先接通 220V 电源，指示灯亮，再接入电池。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。1 1. 背景光 当光线不足、屏幕菜单显示不清时，可拨动后面板上的背景光开关“
