植物培養箱內LED光源均勻性的研究

武禮賓，曹 立，陳美香，劉銀春

(福建農林大學機電工程學院，福建 福州 350002)

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植物培養箱內LED光源均勻性的研究

武禮賓，曹 立，陳美香，劉銀春

(福建農林大學機電工程學院，福建 福州 350002)

比較了LED排列方式以及勻光板對植物培養箱內輻射照度分布均勻性的影響。在培養箱內安裝了四種LED面光源：燈珠環形排列無勻光板(H0)、燈珠環形排列有勻光板(H1)、燈珠矩形排列無勻光板(J0)以及燈珠矩形排列有勻光板(J1)。然后采用太陽分光輻射計(S-2441型)測量培養箱內72×6=432個測試點的輻射照度值，即每層受光面72個點，共6層。四個實驗組各水平受光面的輻射照度均勻性采用標準差計算，其結果是：J1(1.004)

輻射照度均勻性；LED照明；光合有效輻射；光合光量子通量密度；標準差

引言

LED照明在各種培養箱內的應用日益增加，特別是用于研究植物特征光譜的LED植物培養箱[1]。LED照明均勻性的探測和計量存在輻射度學和光度學兩套不同的單位體系[2]。光度學體系是以人眼視覺函數為標準，只適合于人眼照明的場合。目前有不少對LED照度均勻性的研究[3-7]，比如王加文[3]通過構建一個均勻度評價函數，采用模擬退火算法對LED集成圓形陣列、4×4和4×5的矩形陣列進行優化，提高照度均勻性；還有丁紓姝[4]對于大功率LED均勻照明設計理論的研究及對于均勻照明設計方法的探討，針對的都是室內及室外一般LED照明。在研究光照對植物生長的影響時，應采用輻射度學的單位體系來計量，比如光合有效輻射(PAR)及光合作用光量子通量密度(PPFD)。培養箱一般是封閉的長方體結構，其光均勻性的分析也與一般的照明不同。也有些針對植物照明均勻性的仿真研究[8-11]，例如張寧[8]討論了圓環排列對于LED面光源照度均勻性的影響，是通過模擬軟件Tracepro來分析圓環半徑，光源到受光面的距離等因素對照度均勻性的影響，還有周德濤等[11]也是通過Tracepro對照射平面進行輻射照度均勻性分析。但是仿真的結果與實際情況可能存在較大差異。而LED植物培養箱內光分布的不均勻性不僅會造成植株之間生長發育的差異，而且會影響研究結果的可靠性。所以，本文采用太陽分光輻射計對培養箱內不同空間位置的輻射照度進行實際測量，對比分析培養箱內輻射照度的分布情況，其結果對植物照明在實際的應用中有重要的意義。

1 實驗與方法

1.1 LED面光源設計

LED均采用某公司型號為SBCROAOV-TO3的芯片，尺寸40mm×40mm，1W的COB封裝，發散角為140°，發散角越大均勻性越好，本實驗采用高發散角而不采用120°及以下的發散角。本文研究的是單色LED面光源的輻射照度的均勻性，而影響輻射照度均勻性的主要因素是LED的排列形式，可不考慮波長的影響。實驗選用電學參數相同、顆數相等，波長分別為630nm和660nm，半波寬度小于20nm的單色LED分別設計成矩形排列及環形排列的LED面光源。設計了四種常見的LED面光源：燈珠矩形排列無勻光板，用J0表示；燈珠矩形排列有勻光板，用J1表示；燈珠環形排列無勻光板，用H0表示；燈珠環形排列無有勻光板，用H1表示。勻光板采用上海某公司生產的PC擴散板。首先是LED單元的設計：4顆LED燈珠焊在同一鋁質條形電路基板上，形成一塊最小的LED單元，散熱良好又方便更換；其次是LED單元的排布，對常見的環形及矩形排布進行對比。設計結果如圖1和圖2所示。

圖1 環形排列Fig.1 Oval-Shaped Arrangement

圖2 矩形排列Fig.2 Rectangular Arrangement

1.2 LED驅動電路的設計

本研究采用AMC7140恒流驅動芯片設計成多路恒流LED驅動電路，電路原理如圖3所示。采用高精度數字調光接口，具有過熱保護和欠壓保護功能，使恒流輸出穩定、紋波系數小、無浪涌現象。LED是電流型器件，實驗用的兩種波長的紅光芯片工作電壓均是1.9～2.2V。通過調整電流來改變LED發光強度，為了保證兩種排列方式的LED燈的發光強度相等，最后根據設定電阻值計算得到每顆LED工作電流都是0.326A。

圖3 AMC7140恒流驅動電路Fig.3 AMC7140 Constant-Current Drive Circuit

1.3 測量儀器及方法

測量儀器采用日本的Soma太陽分光輻射計，型號為S-2441，可在300～1100nm的波長范圍內，測量輻射照度(單位：μW·cm-2)和單位波長的輻射照度(單位：μW·cm-2·nm-1)。儀器可測量的波長范圍涵蓋了光合有效輻射(PAR)波長范圍，可根據需要將測得的輻射照度單位轉換成衡量植物需要的光合光量子通量密度(PPFD)單位，對比分析LED植物培養箱內光合有效輻射(PAR)分布的均勻性。

本實驗的植物培養箱內部尺寸為：長70cm，寬50cm，高40cm，取測試點的規律：水平方向長度方向9個，寬度方向8個，每層受光面有8×9=72個點；垂直方向取等間距的6個受光面。所以總共72×6=432個實驗點。測量方法：用一塊光滑平整的不銹鋼板當做受光面，大小等于培養箱的長與寬，并在分成等面積的72個格子。在培養箱內壁上有等距離的卡槽，將不銹鋼板放在這些卡槽上即可調節受光面與燈板的距離。本實驗由低到高，受光面與燈板的距離分別為h1=35cm，h2=30cm，h3=25cm，h4=20cm，h5=15cm，h6=10cm，依次逐點完成全部的測量。數據分析用Excel及Origin軟件。

2 結果與分析

2.1 輻射照度分布三維圖

用Origin軟件畫出輻射照度在培養箱內分布三維圖，如圖4(a)～圖7(a)。為了直觀比較6個不同高度受光面的輻射照度分布情況，把6層受光面平鋪顯示如圖4(b)～圖7(b)，圖上方為對應的俯視圖，顏色的變化也代表了輻射照度的變化。圖4(b)～圖7(b)中從左到右依次為第1層到第6層，由圖可以看出，距離燈板越近的受光面，輻射照度變化幅度越大，輻射照度分布越不均勻。由圖可知LED環形排列的培養箱內，在第4層及以下的受光面，輻射照度才有比較好的均勻性。而矩形排列的實驗組受光面的輻射照度，即使在離燈板最近的第6層輻射照度就有很好的均勻性。

2.2 輻射照度均勻性分析

培養箱內輻射照度均勻性可以用不同高度受光面之間以及同一高度受光面內的輻射照度變化幅度的大小來表示，變化的幅度越小越均勻。因此可以用垂直方向輻射照度的均勻度和水平方向的輻射照度的均勻度來量度。

圖4 環形排列無勻光板(H0)Fig.4 Oval-shaped arrangement without uniform plate

圖5 環形排列有勻光板(H1)Fig.5 Oval-Shaped arrangement with uniform plate

圖6 矩形排列無勻光板(J0)Fig.6 Rectangular arrangement without uniform plate

圖7 矩形排列有勻光板(J1)Fig.7 Rectangular arrangement with uniform plate

(1)垂直方向輻射照度的均勻性分析

為了分析垂直方向輻射照度變化趨勢，分別對6層受光面的輻射照度取平均值。采用受光面的輻射照度平均值隨其與燈板距離的變化率(即輻射照度的梯度)來表示垂直方向的均勻度。根據四個實驗組的測試結果，可以畫出四條輻射照度平均值隨高度的變化曲線，如圖8所示。通過對各曲線進行線性擬合分析，可獲得對應曲線的斜率，其值分別為：J1(1.066)

圖8 輻射照度與高度關系Fig.8 The Relation Between Irradiance and Height

(2)水平方向各受光面輻射照度均勻性分析

根據水平受光面上各點的輻射照度值具有離散性的特點，我們可以采用這些點輻射照度測量值的標準差來表示該受光面的均勻度。用Excel公式求總體樣本的標準差公式STDEVP

(1)

表1 水平方向受光面輻射照度均勻性分析Table 1 Irradiance uniformity

2.3 光合有效輻射換算

以上分析均是針對300～1100nm內所有波長的輻射照度E進行分析的結果。植物培養箱針對的是植物照明，綠色植物進行光合作用時，被葉綠素吸收并參與光化學反應的太陽輻射光譜成分，稱為光合有效輻射(PAR)，PAR的波譜為380～710nm,也有采用400～760nm[12]。將上述結果轉換成光合光量子通量密度(PPFD，單位：μmol·m-2·s-)的計算方法如下：

以光合有效輻射波長380～710nm的標準為例，并設單色光的輻射照度為Eλ(W/m2)。對380～710nm的輻射照度進行求和可得光合有效輻射ER為

(2)

由愛因斯坦光子能量公式，可得單個光子能量E為

(3)

設光合光量子通量密度(PPFD)的值為ED，有

(4)

其中NA為阿伏伽德羅常數，代入測量得到的λ及對應的Eλ即可得到ED。

3 結果與討論

本文分析了LED排列方式及勻光板對輻射照度分布均勻性的影響。通過實際測量并用Origin畫出輻射照度的空間分布三維圖，直觀比較輻射照度的均勻性。然后數值分析輻射照度變化情況，水平方向各受光面的輻射照度均勻性采用標準差的公式進行計算，垂直方向的輻射照度變化采用輻射照度梯度(即曲線斜率)的方法進行計算。分析結果表明：(1)矩形排列的LED光源的均勻性優于環形排列，隨著受光面與光源之間的距離增大均勻性變好。但矩形排列的LED光源的輻射照度平均值比較小，這是由于矩形排列的LED燈珠分布較分散，使輻射照度值有所降低；(2)增加勻光板的優點是可以在一定程度上提高均勻性也可保護LED燈珠，缺點是會降低輻射照度及容易引起散熱問題，如散熱差導致結溫升高而產生波峰偏移等。實際應用時，若LED光源的均勻度達不到要求，可以增加勻光板；若光源的均勻度已經達到要求，則不必加勻光板，以提高光的利用率。最后本文提供了一種將光合有效輻射照度E轉換成衡量植物的PPFD的計算方法，在研究植物照明時有一定的參考價值。

本次實驗僅針對單色LED光源，其研究的方法及實驗的結果具有一定的普遍性。如果采用單色光的組合形成的復色光照明(如RGB組合)，則光譜會隨空間位置的變化而不同。因此，研究不同波長的LED的組合光源的均勻性問題，包括了光譜空間分布的均勻性和輻射照度的均勻性兩個方面，有待進一步研究。

[1] 劉銀春，吳金華，吳運銓. 一種植物特征光譜實驗箱：中國，ZL201320334674.6[P]. 2013-12-11.

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Study on Uniformity of LED Lights in Plant Growth Chamber

Wu Libin, Cao Li, Chen Meixiang, Liu Yinchun

(CollegeofMechanicalandElectronicEngineering,FujianAgricultureandForestryUniversity,Fuzhou350002,China)

This paper studies the influence of LED arrangement and uniform plate on the irradiance uniformity of LED lights in Plant Growth Chamber. The LED lights in the research are designed in 4 kinds: oval-shape arrangement without uniform plate(H0), oval-shape arrangement with uniform plate(H1),rectangular arrangement without uniform plate(J0)and rectangular arrangement with uniform plate(J1). Then it measured the irradiance of 72×6=432 spatial points(6 layers and 72 points in each layer)in the plant growth chamber by Sun Spectroradiometer(S-2441).The standard deviation of the horizontal plane’s irradiation in the four experimental groups: J0(1.004)

irradiance uniformity; LED lighting; photosynthetic active radiation; photosynthetic photon flux density; standard deviation

福建省高校產學合作重大科技項目(項目編號：2012N5002) 通信作者：劉銀春，E-mail:lyc@fafu.edu.cn

TM923

A

10.3969/j.issn.1004-440X.2015.02.022