光纖熒光型植物葉溫測量儀的設計

陳端陽等

摘要：為研究植物生理特性和葉片溫度之間的關系，設計了精度高、便攜式的葉溫測量儀，該葉溫測量儀的傳感器選用光纖熒光式溫度傳感器，并設計專用夾具，實現了對葉片溫度信息的采集；設計了信號調理電路，實現了對采集的葉片溫度信息轉換、存儲、顯示等。儀器標定試驗結果表明，在0～70 ℃范圍內，儀器的最大示值誤差為0.32 ℃，線性度小于0.4%，分辯力為0.01 ℃，靈敏度為0.018 V/℃。

關鍵詞：葉溫測量儀；光纖傳感器；熒光效應

中圖分類號：S126 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2015）12-3028-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.12.060

Design of Leaf Temperature Measuring Instrument Based

on Fiber Optical Fluorescence Sensor

CHEN Duan-yang， HU Jia-cheng， WANG Wei-qiang， YAO Jing-yuan， LI Dong-sheng

（College of Metrology Technology and Engineering， China Jiliang University， Hangzhou 310018， China）

Abstract：In order to study the relationship between plant physiological traits and leaf temperature，a leaf temperature measuring instrument of high precision and portable was developed. The fluorescence optical temperature sensor was used，and with the special fixture，the leaf temperature information was acquired；With the designed signal processing circuit，the temperature signal was converted， saved or displayed. The instrument was calibrated， with the result was as followed： in the range of 0 to 70 ℃，the biggest error value was 0.32 ℃，the linearity is less than 0.4%，the resolution was 0.01 ℃ and the sensitivity was 0.018 V/℃.

Key words： leaf temperature measuring instrument； fiber optical sensor； fluorescence effect

植物的冠層溫度是指植物不同高度葉片表面溫度的平均值，可以很好地反映植物的水分盈缺狀態。在農業生產上，冠層溫度可以用來指導作物灌溉，實現水資源的高效利用[1-3]。對禾本科、豆科等作物冠層溫度的研究表明，作物冠層溫度存在明顯差異，而這種差異與作物的經濟產量及抗旱性密切相關，冠層溫度也逐步成為指導作物品種選育和栽培管理的重要指標。葉溫還可用于預測作物的生長狀況，如基于小麥葉溫與小麥的霜凍害關系的研究，可以為防御霜害、減少小麥產量提供科學依據[4]。

常見的用于葉溫測量的方法包括紅外熱成像檢測法、熱電偶法、鉑電阻法等。在各類方法中，紅外熱成像檢測法具有無損、非接觸、遙測、高靈敏度的優點，可以獲得葉片的溫度，但由于不同被測葉片表面的發射率不同，該方法的通用性不強；鉑電阻法可以實現對葉片溫度的測量，但鉑電阻傳感器的熱響應慢，不能快速獲得葉片溫度值，該方法采用接觸式測量，傳感器與葉片接觸的感溫面積較大，易對葉片溫場造成較大干擾，使得測量不準確[5]。光纖熒光式溫度傳感器具有靈敏度高、耐腐蝕、可撓曲、體積小、結構簡單及抗電磁干擾等特點。測量葉片溫度時，可以快速獲得葉片溫度，并可以減小對葉片的干擾，具有更高的準確性[5]。

為了更準確地獲取植物葉片溫度信息，以研究植物生理特性和葉片溫度之間的關系，本研究設計了基于光纖熒光式溫度傳感器的葉溫測量儀，該葉溫測量儀通過機械結構設計、硬件電路設計及軟件開發，在保證葉溫準確測量顯示的前提下，具有響應速度快、分辨力高、低功耗的特性。光纖熒光式溫度傳感器感溫面積小，測量葉片溫度時對葉片的生理活動干擾很小，更能反映葉片的真實溫度。

1 植物葉片溫度測量儀設計

1.1 儀器的性能要求

結合智能儀器設計的要求及植物葉溫變化測量的需求，葉溫測量儀的測溫范圍應滿足0～70 ℃，分辨力為0.1 ℃，最大示值誤差≤0.5 ℃。夾具要求除安裝使用方便外，還應該盡量減小對葉片生理活動的干擾。

1.2 儀器的總體設計

綜合儀器的性能要求，儀器由箱體、光纖熒光式溫度傳感器、支架和葉片夾具組成。箱體內裝有供電電源模塊、MSP430F149型單片機控制模塊、LCD液晶顯示器。支架上安裝有波紋管，用于支撐葉片夾具，夾具內安裝有光纖熒光式溫度傳感器。MSP430F149型單片機控制模塊包括熒光解調模塊、電流電壓轉換電路、A/D轉換電路、MSP430F149型單片機控制電路及串口通訊電路。

2 葉溫測量儀主要組成部分

2.1 溫度傳感器

光纖熒光式溫度傳感器由光纖和熒光物質組成。熒光物質在受到一定波長的光激發后，能夠輻射出熒光能量，激發撤消后熒光余暉的持續性取決于熒光物質特性、環境溫度等因素。這種受激發產生的熒光通常是按指數方式衰減的，其衰減時間常數稱為熒光壽命或熒光余暉時間。在不同的環境溫度下，熒光壽命也不同，因此通過測量熒光壽命的長短，就可以得知當時的環境溫度。

光纖熒光測溫系統一般采用石英光纖作為傳感探頭和傳輸介質，其通過光信號的調制，信號幅值損耗低，具有高靈敏度、高響應和高分辨力等特點，并且能將信號傳離現場的惡劣環境，使光電器件穩定運行，大大降低了環境對溫度測量的影響，提高了測量溫度的可靠性。

2.2 機械結構

植物葉片溫度測量儀的機械結構包括箱體、支架、波紋管及夾具等。

箱體內集裝有儀器的硬件電路部分，箱體的前面板安裝有LCD液晶顯示器，用來顯示葉片實時溫度值，箱體的后面板安裝有電源開關按鈕、電源充電接口、RS232串口通訊接口、傳感器接口等；支架用來固定波紋管，波紋管在支架上可以自由移動，可用于個體較大的植株葉片溫度測量，如玉米等，而對于個體較小的植株，如花生、棉花等，則可以不使用支架，直接將波紋管固定在儀器上，這樣就擴大了儀器的使用范圍；夾具可用于保證傳感器探頭與葉片的有效接觸，夾具越輕巧，與葉片接觸的面積越小，對葉片的生理活動干擾越小，測得的葉溫值越可靠。為便于傳感器的裝夾及保證葉片溫度測量的準確性，夾具采用結構如圖1所示。

葉片夾具由上、下兩夾板組成，上、下兩夾板為薄壁裝置，上、下兩夾板用沉頭螺栓連接，沉頭螺栓嵌入在一扭轉彈簧里，上夾板前端開槽，用于放置光纖熒光式溫度傳感器探頭，探頭周圍固定有隔熱棉，減少環境溫度對傳感器的影響，上夾板中間部分開一長口通道，作為傳感器通道，中間部分與前端為圓孔通道，便于對傳感器進行固定，下夾板的左端開有一圓孔，用于與波紋管連接。

儀器使用時，首先將傳感器探頭從上夾板長口及通口穿過，調整放置于上夾板開槽中，然后將波紋管與夾具連接好，使波紋管自由移動至待測葉片，張開夾具并放置于葉片上即可測量葉片溫度。

2.3 硬件電路

硬件電路用于對傳感器的輸出信號進行采集處理，最終獲取葉片的實際溫度值。

光纖熒光式溫度傳感器將采集的葉片溫度信息輸送到熒光解調模塊，熒光解調模塊輸出電流信號，電流信號經A/D轉換電路輸出電壓信號送入單片機中。通過單片機控制處理，將信號在LCD液晶顯示器上顯示，也可以利用串口通訊電路，將信息傳到上位機顯示、儲存等。儀器的硬件電路框圖如圖2所示。

熒光解調模塊的輸出信號為電流信號，為便于后續信號處理，采用RCV420芯片將電流信號轉換成電壓信號，其原理如圖3所示。

Ain為電流信號輸入端，電流信號經轉換及分壓后從Vout端輸出，該電路實現4～20 mA標準電流信號轉換為0～5 V電壓信號的功能。

2.4 軟件開發

采用TI公司生產的MSP430F149型單片機作為儀器的控制核心器件，該款單片機具有優越的超低功耗特性，且運行速度快、工作穩定，滿足儀器的工作需求。軟件的開發環境為IAR Embedded Workbench IDE，采用C語言編程，程序執行是從主函數開始，然后對時鐘模塊、A/D轉換模塊、LCD液晶顯示器模塊等初始化，將采集到的溫度信號經電流電壓模塊轉換、A/D轉換讀取到MSP430F149單片機，單片機對輸入信號進一步運算處理，輸出到LCD液晶顯示器，或與上位機通信，將數據送入上位機處理。儀器的軟件流程圖如圖4所示。

3 儀器標定與校準

儀器在使用前需要先進行標定和校準，以獲取儀器的靜態參數，并檢驗儀器是否滿足使用要求。采用分辨力為0.01 ℃的恒溫槽作為標準熱源，采用精度為0.1 ℃的二等標準水銀溫度計對儀器進行標定，對標定數據擬合得出的溫度與電壓之間的函數關系如式（1）所示：

y=0.018x+0.547 （1）

式中，x為溫度，單位℃，y為電壓，單位V。

葉溫測量儀的標定曲線如圖5所示。對儀器進行校準試驗，其校準曲線如圖6所示。

試驗結果表明，在10～70 ℃范圍內，儀器的最大示值誤差為0.32 ℃，線性度小于0.4%，分辨力為0.01 ℃，靈敏度為0.018 V/℃。

4 總結

本研究設計了基于光纖熒光式溫度傳感器的葉溫測量儀具有操作簡便、適用性廣、響應速度快等特點，在實現對葉片溫度測量的同時，對葉片的生理活動干擾小，能夠更好地獲取葉片真實溫度值。在0～70 ℃范圍內，該儀器的線性度小于0.4%，最大示值誤差為0.32 ℃，分辨力為0.01 ℃，靈敏度為0.018 V/℃，能夠滿足對葉片溫度測量的要求，為精確測量植物葉片溫度提供了新方法，為研究植物生理特性與葉片溫度之間的關系提供支持。

參考文獻：

[1] 袁國富，唐登銀，羅 毅，等.基于冠層溫度的作物缺水研究進展[J].地球科學進展，2001，16（1）：49-53.

[2] 李東升，郭 琳，郭沖沖，等.葉溫測量儀的研制及其在葉片參數測量中的應用[J].農業工程學報，2012，28（5）：139-144.

[3] 鄧強輝，潘曉華，石慶華.作物冠層溫度的研究進展[J].生態學雜志，2009，28（6）：1162-1165.

[4] 馮玉香，何維勛，饒敏杰，等.冬小麥拔節后霜凍害與葉溫的關系[J].作物學報，2000，26（6）：707-712.

[5] 王紅萍.鉑電阻溫度傳感器測溫研究[J].撫順石油學院學報，2003，23（2）：58-60.

[6] 鄭子偉.紅外測溫技術概述[J].計量與測試技術，2006，33（10）：22-23.

[7] 周廣麗，鄂書林，鄧文淵.光纖溫度傳感器的研究和應用[J].光通信技術，2007（6）：54-57.

[8] 胡春海.光纖熒光溫度傳感器理論和實驗研究[D].河北秦皇島：燕山大學，2004.

[9] 周艷明.紫外激發熒光光纖溫度計的研究[D].長沙：湖南大學，2004.

[10] 郭沖沖，白瑞琴，吳俊杰，便攜式煙葉厚度電子測量儀的研制[J].中國農學通報，2012，28（18）：286-290.

[11] 劉九慶，蔣云飛.植物葉片厚度微增量精確測量系統的研究設計[J].森林工程，2008，24（6）：18-21.