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剖析LED植物照(zhào)明發展關鍵因素及測量技術(shù)

發布時間：

2019-08-05 09:17

來(lái)源：

随着設施農業的快(kuài)速發展，對植物照(zhào)明的研究越來(lái)越多，LED光(guāng)源以其特有的優勢，使其在植物照(zhào)明領域被廣泛應用。

由于植物生(shēng)長對光(guāng)環境的光(guāng)學參數有一定的要求，因此需要有相(xiàng)應的測量技術(shù)及儀器來(lái)精确測量光(guāng)環境的光(guāng)學參數是否符合相(xiàng)應植物的生(shēng)長需求，以此選擇出合适的光(guāng)源，确定光(guāng)源的數量及排布，根據植物對光(guāng)的合理(lǐ)需求爲光(guāng)源研制應用提供适宜的方案。

LED照(zhào)明産品在用于植物栽培照(zhào)明時，不僅要考量其基本的光(guāng)度、輻射度性能，還(hái)需根據植物的光(guāng)合作(zuò)用特性，在光(guāng)量子系統和植物光(guāng)度系統中考量植物受照(zhào)面的光(guāng)量子密度以及植物光(guāng)度學參數，從(cóng)而綜合評價植物照(zhào)明光(guāng)源的性能。

植物照(zhào)明的關鍵因素及對照(zhào)明産品的要求

首先，光(guāng)質。植物一般依靠葉片中的葉綠素吸收照(zhào)射光(guāng)，其吸收波段一般處于藍光(guāng)和紅(hóng)光(guāng)區域，如(rú)圖1所示。吸收光(guāng)在植物體(tǐ)内經光(guāng)合作(zuò)用轉換爲有機(jī)能量，用以生(shēng)長繁殖。

因此，對于植物照(zhào)明産品，首先應考量其吸收波段的輻照(zhào)度，一般爲400nm~500nm藍光(guāng)和600nm~700nm紅(hóng)光(guāng)波段的輻照(zhào)度，以及需要确定所選組合植物照(zhào)明的光(guāng)譜組成、範圍、峰值波長和色溫等。

其次，光(guāng)密度。植物接受光(guāng)密度不同，将直接影(yǐng)響植物的生(shēng)長發育和結構特征。如(rú)光(guāng)密度減弱時，會出現同作(zuò)物減少，花芽分(fēn)化推遲、子房(fáng)發育不良等現象。

由于，植物與人(rén)眼對光(guāng)譜的響應特性不同，人(rén)眼對光(guāng)的感知量一般在光(guāng)度系統中實現測量，而植物的光(guāng)合作(zuò)用則一般在光(guāng)量子系統和植物光(guāng)度系統中實現測量評價，評價參數爲光(guāng)量子通量密度(PPFD)。

Mc.Cree通過大(dà)量的研究表明在400~700nm之間，用光(guāng)量子通量密度評價光(guāng)合作(zuò)用的有效輻射能取得(de)與實際光(guāng)生(shēng)物效應符合較好的效果。

再次，光(guāng)均勻性。由于LED發光(guāng)具有較強的方向性，且可(kě)能存在空間光(guāng)色分(fēn)布均勻性，因此，在大(dà)面積種植場合，還(hái)應考察植物受照(zhào)面上輻射照(zhào)度均勻性，以獲得(de)高質量的均勻照(zhào)明環境。

最後，晝長。不同植物對光(guāng)譜的需求不同，不同生(shēng)長階段對光(guāng)譜的需求也不同，設施農業中的人(rén)工(gōng)補光(guāng)必須遵循植物的光(guāng)生(shēng)理(lǐ)特性，才能達到最佳的補光(guāng)效果。因此，不僅需要準确測量LED光(guāng)源的光(guāng)譜組成，還(hái)要能夠知悉照(zhào)度随時間變化的情況。

植物生(shēng)長用LED照(zhào)明産品的測量

以往在植物照(zhào)明領域，常使用光(guāng)量子計(jì)來(lái)進行測量，但(dàn)光(guāng)譜的匹配實際很難做到完美匹配，甚至失匹配會相(xiàng)對嚴重，對測量精度影(yǐng)響較大(dà)。随着光(guāng)譜測量技術(shù)的發展，基于光(guāng)譜法的測量技術(shù)和設備也日(rì)趨成熟，并逐步應用至植物照(zhào)明檢測領域。

植物光(guāng)合作(zuò)用的光(guāng)譜相(xiàng)應曲線與人(rén)眼的光(guāng)譜光(guāng)視效率曲線不同，因此在評價各種光(guāng)源的照(zhào)射效果時，需按照(zhào)植物的光(guāng)譜響應曲線評價照(zhào)射效果。而光(guāng)譜法不僅不存在任何失匹配問(wèn)題，而且可(kě)以在全光(guāng)譜範圍内對照(zhào)明産品的光(guāng)質、光(guāng)密度、光(guāng)照(zhào)均勻度各方面性能進行評價。

但(dàn)一般的光(guāng)譜測量存在線性較差和雜散光(guāng)影(yǐng)響等問(wèn)題，從(cóng)另一方面限制了測試精度，也對測量設備提出了新的要求。遠(yuǎn)方手持式SPIC-200光(guāng)譜彩色照(zhào)度計(jì)即可(kě)解決上述問(wèn)題。

SPIC-200照(zhào)度計(jì)解決了傳統照(zhào)度計(jì)及色度計(jì)的光(guāng)譜失配困擾，實現零失配，采用具有國(guó)際專利的SBCT(分(fēn)光(guāng)-積分(fēn)相(xiàng)結合)技術(shù)，大(dà)幅拓寬了光(guāng)度測量範圍和提高精度，該方法将積分(fēn)法和光(guāng)譜法相(xiàng)結合，通過對光(guāng)譜測量絕對值的精确修正來(lái)提升光(guāng)譜測量的線性，以獲得(de)LED植物照(zhào)明産品準确的性能參數，是世界公認的光(guāng)度/輻射度測量的最高精度的方法。其照(zhào)度精度保證在4%以内，其實際照(zhào)度測量範圍更是擴展爲0.1lx～200klx，最低可(kě)測量0.1lx， f1’≈0，是當今世界同類儀器最高水平。

此外，采用專利的複變矩陣雜散光(guāng)校(xiào)正技術(shù)，使光(guāng)譜測量中的雜散光(guāng)控制能力提高1~2個數量級，雜散光(guāng)的影(yǐng)響做到了≤0.3%。

主要技術(shù)指标

波長範圍：380nm～760nm

波長準确度：±0.5nm

照(zhào)度測量範圍：0.1lx～200klx

照(zhào)度準确度：±4%(讀(dú)數+1個字)

雜散光(guāng)：≤0.3%

色品坐(zuò)标準确度：±0.001(相(xiàng)對于溯源至NIM的穩定度優于±0.0001的标準光(guāng)源)

通過具有空間餘弦相(xiàng)應的接收頭和智能分(fēn)析軟件(jiàn)，可(kě)以方便實現多個系統之間的換算，準确獲得(de)相(xiàng)對光(guāng)譜功率分(fēn)布、光(guāng)合輻照(zhào)度、光(guāng)量子密度、色品坐(zuò)标、光(guāng)照(zhào)均勻性、峰值波長、主波長、各波段輻射照(zhào)度比、色溫、顯色指數等參數。

可(kě)測量一般參數

　　1) 相(xiàng)對光(guāng)譜功率分(fēn)布P(λ)

　　2) 光(guāng)譜輻照(zhào)度E(λ)

　　3) 色品坐(zuò)标：(x，y)、(u，v)、(u’，v’)

　　4) 相(xiàng)關色溫Tc

　　5) 顯色指數Ra，Ri (i=1～15)

　　6) 色容差SDCM(麥克亞當橢圓、矩形框以及CIE u’v’圓)

　　7) 峰值波長、半寬度

　　8) 色純度，主波長

　　9) 紅(hóng)色比

　　10) 光(guāng)照(zhào)度E、輻射照(zhào)度Ee

　　11) 更多測量功能可(kě)定制

可(kě)測量植物照(zhào)明參數

對于精度要求較高的現場測量，需要體(tǐ)積小巧、測量速度快(kuài)的測量儀器，以便于随身(shēn)攜帶、随時對地讀(dú)取數據。SPIC-200擁有4.2 寸觸控屏、設計(jì)精巧，極具手機(jī)握感，一鍵操作(zuò)，一步完成實地測量與分(fēn)析，真正稱得(de)上是數據實時讀(dú)取，毫秒級精準測量。

内置大(dà)容量SD 移動存儲卡、智能操作(zuò)系統等現代科(kē)技，通過高速WIFI傳輸，可(kě)借由智能手機(jī)APP在手機(jī)上以及電腦上顯示各個參數，并且數據可(kě)以通過excel，jpg等多種格式輸出。

也就(jiù)是說(shuō)，與光(guāng)量子測量儀相(xiàng)比，SPIC-200波長測量範圍更寬、測量精度更高，植物測量的适用性更廣，可(kě)廣泛應用于植物工(gōng)廠(chǎng)、無土(tǔ)栽培、溫室等植物生(shēng)長中光(guāng)輻射的現場監控。

小結

LED植物照(zhào)明産品的性能評價涉及多個計(jì)量系統，評價參數較多，且其光(guāng)譜較窄，無論是對測試硬件(jiàn)還(hái)是軟件(jiàn)，都(dōu)有較高要求，如(rú)光(guāng)輻射探測器的匹配問(wèn)題以及光(guāng)譜測量的精度等。

LED植物照(zhào)明廠(chǎng)商以及相(xiàng)關科(kē)研機(jī)構應根據自(zì)身(shēn)或标準要求，以光(guāng)照(zhào)對植物的影(yǐng)響爲依據，選擇合适的測量方案，全面而客觀地評價LED植物照(zhào)明産品的各項性能，進而設計(jì)植物生(shēng)長照(zhào)明系統或補光(guāng)方案，做到綠色照(zhào)明、高效照(zhào)明。