ECA光合测定仪说明书.doc

ECA－PB0401型光合测定仪说明书
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。
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。
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

C2
Q1
BG2
BG1
C1
VCC

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，C1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AＤ电路进行模数转换。
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（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ＰＮ结的电流，当Ic一定时，ＶＯ与Ｔ在-50℃-150℃时有近似线性关系。
本光合仪采用直径为0.5ｍｍ的半球形封装的半导体温度传感器，由于封装体积很小，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：
Vo
Io
＋
－
ＶＣＣ

Ｑ１

Ｖ１

Ｔ

图２ 温度测定电路示意图
其中Ｉ０为一恒流源，为100uＡ。Ｑ１为缓冲放大器。通过缓冲放大，将０－50℃的温度变换为０－5.00Ｖ的电压输出送到ＡＤ电路进行模数转换。
　 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Ｐ
Ｎ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
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　V0　　　

D1

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（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
CO2
H2O

V LT

CT
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
C
P
U
转
换
通讯

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，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（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；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、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）。
21
22
20
19
1
2
3
4
5
6
7
8
11
13
16
15
18
10
14
17
12

12
9

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
<2PPm
RH
0-100%
<3%
T
0-50℃
<0.2%
PAR
0-2742uEe-2·S-1
<12uEe-2·S-1
主机外形体积为：340×255×120（mm）;
四、 ECA光合测定系统操作说明
1．启动与调解
1．1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。

叶室
主机
叶室
主机
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。
①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。
②快速充电：先接通220V电源，指示灯亮，再接入电池。
③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。
1．1.３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“←→”至“开”一侧，以增加显示的清晰程度。
POWER
RESET
２.主机操作
2．1启动 当电源接通后，即可同时按下主机 的 键和 键（以下用↓表示按某键），这时屏幕上出现：
欢迎您使用ECA光合测定系统
益康农科技公司

09．15．09 No: =001
***MAIN MENU ***
1 INPUT DATA 4MEASURE ITEM
2 MODESETUP 5 CALCULATE
3 INPUT INDEX 6OUTPUT MODE
２.2进入主菜单

ESC

↓进入主菜单

２.3修改日期
**main menu**
在主菜单状态
1

↓
INPUT DATE
1． CURRENT DATE: 2003-12-08
2． CURRENT TIME: 09.15-20
3． NO: 007

3
1
2
ESC
修改日期 修改时间 修改样品号 返回主菜单
（例1） （例2） （例3）

例1：将2003年12月8日改为2004年02月10日
0
1
●
SHIFT
●
SHIFT
2
0
4
0
0
2

+ +
ESC
ENT

返回上一级菜单至主菜单

例2：将9点15分20秒改为10点30分
●
●
0
0
SHIFT
3
0
SHIFT
0
1

+ +
ENT
ESC

返回上一级菜单至主菜单

例3: 将样品007改为001
0
0
1
ENT
ESC

返回上一级菜单至主菜单

***main　menu***
2.4测定方式选择输入
在主菜单状态下
2

　　　　 进入测定方式设置　　　　
08.08.29 NO:001
MODE SET
PLEASE YOU CHOOSE
1 CANOPY 2 LEAF

2
1

群体测定　　 单叶测定
自动进入下级菜单
08.08.52 No:001
PLEASE YOU OPEN 1OPEN MEASURE
2 CLOSE MEASURE

2
1

开路测定　　闭路测定　
ENT

　　　　　　　　　　　　　认可
ESC

　　　　　　　　　　　　返回上一级菜单
ESC

　　　　　　　　　　　　　返回主菜单　　
2.5参数输入
在测定方式选择后，返回主菜单
***ｍain menu***　
3
在主菜单状态下

进入相应测定方式的参数输入

开路测定 闭路测定
08.10.01 No:001
INPUT PARAMETER
MEASURE MODE OF CLOSE
1.SYSTEM VOLUME=× ×.× × L
2.INTERVAL TIME=× ×.× × S
3.MEASURE AREA=（CM2）*
08.10.01 No:001
INPUT PARAMETER
MEASURE MODE OF OPEN
1.AIR FLOW=× ×.× × L/hr
2.MEASURE AREA× ×.× ×（CM2）*

3
2
1
2
1

输入空气流量 输入测定面积 输入系统体积 输入间隔时间 输入测定面积
*单叶为（cm2） 单叶0.2500L C3→3秒 *单叶为cm2
ENT
群体为（m2） C4→2秒 群体为m2
每输完一个参数都按 认可
2.6 测定及屏幕显示
日期，测定方式和参数确定后，在主菜单状态下进入测定
进入相应的测定过程 闭路测定
开路测定
***main menu***
4
1

08.11.06 No:001
DATA DISPLAY
CO2=× × × ×PPM.CT=× ×.× ℃
RH=× ×.× %, LT=× × .× ℃
PAR=× ×.× u Em-2 s-1
No:001
OPEN MEASURE
PLEASE YOUCHOOSE:
1 MEASUREAIR
2 MEASURE LEAF-ROOM

1调零：将后面板气路切换阀旋到调零位置，拧开调零旋钮帽转动旋钮将屏幕CO2调到0（逆时针调小）每次重新开机都需调零。
2、测量：将气路切换阀旋到测量位置装入叶片，CO2稳定下降、RH稳定上升、其它测值相对稳定
1

08.11.00 Aair No:001
DATA DISPL
CO2=× × × PPM CT=× × .× ℃
RH=× × .× % LT=× × .× ℃
PAR=× ×.× × u Em-2 s-1

ENT

自动采集记时
ENT
稳定后
air ok
（同 上）

1
装叶片测叶室
ENT

cham
（同 上）

ENT

按间隔时间
采集7次
自动进入

稳定后

No:001
current 25.00（cm2）
Enter new area × ×.×（cm2）
键入新的叶面积后
如不改动叶面积可直接
ENT
ENT
08.12.01 No:001
RESULT DISPLAY
1 Pn=× × .± × × .C O2mgdm-2 h-1
2 Tr =× × × × ± × × × H2omgdm-2 h-1
3 WuE =× × × × ± × × mg/g
4 Sr=× ×. ×± × × cm/s

××××

ESC
ESC
认定测定
ESC
, 不认可
ESC
重测 ,进入上级菜单和主菜单

测定完毕退回主菜单
2.7 结果打印
***main menu***
6
08.12.41 No:001
OUTPUT MODE
PLEASE YOU CHOOSE:
1 PRINT OUTPUT
2 DATA STORE
3 COMMUNICATION
1

08.12.49 No:001
PRINT OUTPUT
1 ALL PRINT
2 NO PRINT ITEM
3 MEASURE AND RESULT
4 RESULT

打印
全部内容
打印计算结果不打印参数
打印
平均数 不打印参数
不打印参数
打印
全部内容
4
3
2
1

五、仪器的维护和故障修理
（一）仪器的日常维护及注意事项
1、 仪器测量时当低电压蜂鸣器报警时，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，应将样气进出口和零气进出口用橡胶管短接上，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（直到蜂鸣报警），再充满电放置，以免损坏电池。
一、 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
仪器低电压蜂鸣器长时间报警
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。

附 1 各种光强和光合单位的换算

一、同类光源单位间的换算
1） 照度单位
l lx=l lumen m-2
1 ft-c(candle)=l lumen ft-2
1 ft-c=10.7639 lx
2) 辐射照度单位
l ly(Langley)min-1=l cal cm-2min-1
l W(watt)m-2=l J(joule)m-2s-1=10-3 rge cm-2s-1
=1.433×10-3 cal cm-2min-1
l BTU(British thermal unit)ft-2h-1=4.521×10-3 cal cm-2min-1
3) 光量子辐射密度单位
l Ue(microeinstein)m-2sec-1=6.02×1017 Quanta m-2sec-1
=6.02×1017 photons m-2sec-1
二、 不同光源单位间的换算
1） 太阳光
10万lx≈0.57cal cm-2min-1
l mEm-2sec-1≈0.31 cal cm-2min-1
2) 太阳灯
10万lx≈0.51cal cm-2min-1
l mEm-2sec-1≈0.31 cal cm-2min-1
3） 氙气灯
10万lx≈0.51cal cm-2min-1
l mEm-2sec-1≈0.31 cal cm-2min-1
4） 白炽灯
10万lx≈0.58～0.60 cal cm-2min-1
l mEm-2sec-1≈0.29 cal cm-2min-1
5) 白色萤光灯
10万lx≈0.42～0.44 cal cm-2min-1
l mEm-2sec-1≈0.32 cal cm-2min-1

三、光合速率与蒸腾速率
l ngCO2dm-2h-1=0.6313 u molCO2m-2s-1
l umolCO2m-2s-1=1.584 mgCO2dm-2h-1
l ngH2Odm-2h-1=1.5432 unol H2Om-2s-1
l unalH2 m-2s-1=0.6480 H2Omgdm-2h-1

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