光纤荧光型植物叶温测量仪的设计

陈端阳等

摘要：为研究植物生理特性和叶片温度之间的关系，设计了精度高、便携式的叶温测量仪，该叶温测量仪的传感器选用光纤荧光式温度传感器，并设计专用夹具，实现了对叶片温度信息的采集；设计了信号调理电路，实现了对采集的叶片温度信息转换、存储、显示等。仪器标定试验结果表明，在0～70 ℃范围内，仪器的最大示值误差为0.32 ℃，线性度小于0.4%，分辩力为0.01 ℃，灵敏度为0.018 V/℃。

关键词：叶温测量仪；光纤传感器；荧光效应

中图分类号：S126 文献标识码：A 文章编号：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

植物的冠层温度是指植物不同高度叶片表面温度的平均值，可以很好地反映植物的水分盈缺状态。在农业生产上，冠层温度可以用来指导作物灌溉，实现水资源的高效利用[1-3]。对禾本科、豆科等作物冠层温度的研究表明，作物冠层温度存在明显差异，而这种差异与作物的经济产量及抗旱性密切相关，冠层温度也逐步成为指导作物品种选育和栽培管理的重要指标。叶温还可用于预测作物的生长状况，如基于小麦叶温与小麦的霜冻害关系的研究，可以为防御霜害、减少小麦产量提供科学依据[4]。

常见的用于叶温测量的方法包括红外热成像检测法、热电偶法、铂电阻法等。在各类方法中，红外热成像检测法具有无损、非接触、遥测、高灵敏度的优点，可以获得叶片的温度，但由于不同被测叶片表面的发射率不同，该方法的通用性不强；铂电阻法可以实现对叶片温度的测量，但铂电阻传感器的热响应慢，不能快速获得叶片温度值，该方法采用接触式测量，传感器与叶片接触的感温面积较大，易对叶片温场造成较大干扰，使得测量不准确[5]。光纤荧光式温度传感器具有灵敏度高、耐腐蚀、可挠曲、体积小、结构简单及抗电磁干扰等特点。测量叶片温度时，可以快速获得叶片温度，并可以减小对叶片的干扰，具有更高的准确性[5]。

为了更准确地获取植物叶片温度信息，以研究植物生理特性和叶片温度之间的关系，本研究设计了基于光纤荧光式温度传感器的叶温测量仪，该叶温测量仪通过机械结构设计、硬件电路设计及软件开发，在保证叶温准确测量显示的前提下，具有响应速度快、分辨力高、低功耗的特性。光纤荧光式温度传感器感温面积小，测量叶片温度时对叶片的生理活动干扰很小，更能反映叶片的真实温度。

1 植物叶片温度测量仪设计

1.1 仪器的性能要求

结合智能仪器设计的要求及植物叶温变化测量的需求，叶温测量仪的测温范围应满足0～70 ℃，分辨力为0.1 ℃，最大示值误差≤0.5 ℃。夹具要求除安装使用方便外，还应该尽量减小对叶片生理活动的干扰。

1.2 仪器的总体设计

综合仪器的性能要求，仪器由箱体、光纤荧光式温度传感器、支架和叶片夹具组成。箱体内装有供电电源模块、MSP430F149型单片机控制模块、LCD液晶显示器。支架上安装有波纹管，用于支撑叶片夹具，夹具内安装有光纤荧光式温度传感器。MSP430F149型单片机控制模块包括荧光解调模块、电流电压转换电路、A/D转换电路、MSP430F149型单片机控制电路及串口通讯电路。

2 叶温测量仪主要组成部分

2.1 温度传感器

光纤荧光式温度传感器由光纤和荧光物质组成。荧光物质在受到一定波长的光激发后，能够辐射出荧光能量，激发撤消后荧光余晖的持续性取决于荧光物质特性、环境温度等因素。这种受激发产生的荧光通常是按指数方式衰减的，其衰减时间常数称为荧光寿命或荧光余晖时间。在不同的环境温度下，荧光寿命也不同，因此通过测量荧光寿命的长短，就可以得知当时的环境温度。

光纤荧光测温系统一般采用石英光纤作为传感探头和传输介质，其通过光信号的调制，信号幅值损耗低，具有高灵敏度、高响应和高分辨力等特点，并且能将信号传离现场的恶劣环境，使光电器件稳定运行，大大降低了环境对温度测量的影响，提高了测量温度的可靠性。

2.2 机械结构

植物叶片温度测量仪的机械结构包括箱体、支架、波纹管及夹具等。

箱体内集装有仪器的硬件电路部分，箱体的前面板安装有LCD液晶显示器，用来显示叶片实时温度值，箱体的后面板安装有电源开关按钮、电源充电接口、RS232串口通讯接口、传感器接口等；支架用来固定波纹管，波纹管在支架上可以自由移动，可用于个体较大的植株叶片温度测量，如玉米等，而对于个体较小的植株，如花生、棉花等，则可以不使用支架，直接将波纹管固定在仪器上，这样就扩大了仪器的使用范围；夹具可用于保证传感器探头与叶片的有效接触，夹具越轻巧，与叶片接触的面积越小，对叶片的生理活动干扰越小，测得的叶温值越可靠。为便于传感器的装夹及保证叶片温度测量的准确性，夹具采用结构如图1所示。

叶片夹具由上、下两夹板组成，上、下两夹板为薄壁装置，上、下两夹板用沉头螺栓连接，沉头螺栓嵌入在一扭转弹簧里，上夹板前端开槽，用于放置光纤荧光式温度传感器探头，探头周围固定有隔热棉，减少环境温度对传感器的影响，上夹板中间部分开一长口通道，作为传感器通道，中间部分与前端为圆孔通道，便于对传感器进行固定，下夹板的左端开有一圆孔，用于与波纹管连接。

仪器使用时，首先将传感器探头从上夹板长口及通口穿过，调整放置于上夹板开槽中，然后将波纹管与夹具连接好，使波纹管自由移动至待测叶片，张开夹具并放置于叶片上即可测量叶片温度。

2.3 硬件电路

硬件电路用于对传感器的输出信号进行采集处理，最终获取叶片的实际温度值。

光纤荧光式温度传感器将采集的叶片温度信息输送到荧光解调模块，荧光解调模块输出电流信号，电流信号经A/D转换电路输出电压信号送入单片机中。通过单片机控制处理，将信号在LCD液晶显示器上显示，也可以利用串口通讯电路，将信息传到上位机显示、储存等。仪器的硬件电路框图如图2所示。

荧光解调模块的输出信号为电流信号，为便于后续信号处理，采用RCV420芯片将电流信号转换成电压信号，其原理如图3所示。

Ain为电流信号输入端，电流信号经转换及分压后从Vout端输出，该电路实现4～20 mA标准电流信号转换为0～5 V电压信号的功能。

2.4 软件开发

采用TI公司生产的MSP430F149型单片机作为仪器的控制核心器件，该款单片机具有优越的超低功耗特性，且运行速度快、工作稳定，满足仪器的工作需求。软件的开发环境为IAR Embedded Workbench IDE，采用C语言编程，程序执行是从主函数开始，然后对时钟模块、A/D转换模块、LCD液晶显示器模块等初始化，将采集到的温度信号经电流电压模块转换、A/D转换读取到MSP430F149单片机，单片机对输入信号进一步运算处理，输出到LCD液晶显示器，或与上位机通信，将数据送入上位机处理。仪器的软件流程图如图4所示。

3 仪器标定与校准

仪器在使用前需要先进行标定和校准，以获取仪器的静态参数，并检验仪器是否满足使用要求。采用分辨力为0.01 ℃的恒温槽作为标准热源，采用精度为0.1 ℃的二等标准水银温度计对仪器进行标定，对标定数据拟合得出的温度与电压之间的函数关系如式（1）所示：

y=0.018x+0.547 （1）

式中，x为温度，单位℃，y为电压，单位V。

叶温测量仪的标定曲线如图5所示。对仪器进行校准试验，其校准曲线如图6所示。

试验结果表明，在10～70 ℃范围内，仪器的最大示值误差为0.32 ℃，线性度小于0.4%，分辨力为0.01 ℃，灵敏度为0.018 V/℃。

4 总结

本研究设计了基于光纤荧光式温度传感器的叶温测量仪具有操作简便、适用性广、响应速度快等特点，在实现对叶片温度测量的同时，对叶片的生理活动干扰小，能够更好地获取叶片真实温度值。在0～70 ℃范围内，该仪器的线性度小于0.4%，最大示值误差为0.32 ℃，分辨力为0.01 ℃，灵敏度为0.018 V/℃，能够满足对叶片温度测量的要求，为精确测量植物叶片温度提供了新方法，为研究植物生理特性与叶片温度之间的关系提供支持。

参考文献：

[1] 袁国富，唐登银，罗 毅，等.基于冠层温度的作物缺水研究进展[J].地球科学进展，2001，16（1）：49-53.

[2] 李东升，郭 琳，郭冲冲，等.叶温测量仪的研制及其在叶片参数测量中的应用[J].农业工程学报，2012，28（5）：139-144.

[3] 邓强辉，潘晓华，石庆华.作物冠层温度的研究进展[J].生态学杂志，2009，28（6）：1162-1165.

[4] 冯玉香，何维勋，饶敏杰，等.冬小麦拔节后霜冻害与叶温的关系[J].作物学报，2000，26（6）：707-712.

[5] 王红萍.铂电阻温度传感器测温研究[J].抚顺石油学院学报，2003，23（2）：58-60.

[6] 郑子伟.红外测温技术概述[J].计量与测试技术，2006，33（10）：22-23.

[7] 周广丽，鄂书林，邓文渊.光纤温度传感器的研究和应用[J].光通信技术，2007（6）：54-57.

[8] 胡春海.光纤荧光温度传感器理论和实验研究[D].河北秦皇岛：燕山大学，2004.

[9] 周艳明.紫外激发荧光光纤温度计的研究[D].长沙：湖南大学，2004.

[10] 郭冲冲，白瑞琴，吴俊杰，便携式烟叶厚度电子测量仪的研制[J].中国农学通报，2012，28（18）：286-290.

[11] 刘九庆，蒋云飞.植物叶片厚度微增量精确测量系统的研究设计[J].森林工程，2008，24（6）：18-21.