多通道光量子传感器的设计与应用

张昕昱，徐景宏，何子力，张放心，李 明，刘 文

(1.中国科学技术大学先进技术研究院，安徽 合肥 230088；2.中国科学技术大学物理学院，安徽 合肥 230026)

多通道光量子传感器的设计与应用

张昕昱1，2，徐景宏1，何子力1，2，张放心1，2，李 明1，2，刘 文1，2

(1.中国科学技术大学先进技术研究院，安徽 合肥 230088；2.中国科学技术大学物理学院，安徽 合肥 230026)

对植物生长的光环境的测量是LED植物工厂等都市农业研发和生产的基础。目前，人工光源植物照明多使用蓝光、红光、远红光等单色LED，而光合有效辐射(PAR)光量子传感器测量400～700 nm波段的光量子通量密度，无法同时测量这几种单色LED的光量子通量密度，因而无法实现光质比的实时测量及与其他系统的反馈控制，为此我们提出一种多通道光量子传感器来解决该问题。我们阐述了该传感器的设计原理及结构；推导出不同通道的标定系数表达式，随后应用基于DMX512协议的控制器搭建标定装置，并以红光通道与蓝光通道为例对文章所设计传感器定标，结果表明该传感器拥有很好的线性响应度；最后利用该传感器设计了一套能够控制总光量子通量密度及光质比的智能光环境控制系统。

多通道；PAR；传感器；植物工厂；标定；光环境控制

引言

PAR(Photosynthetically Active Radiation)光量子传感器是目前用于植物生长光环境测量的最常用的传感器。1972年，Mc.Cree等发现植物的光合作用、色素形成、光周期现象等主要受400～700 nm波段光的影响，并将该波段光定义为光合有效辐射(PAR)，PAR传感器即测量单位时间内该波段光通量[1-2]。Rabinowitch研究发现光合作用生成的分子数近似与光合有效辐射吸收的光子数相关，与光子能量无关[3]，所以目前业界普遍采用光合有效光量子通量密度(Photosynthetic Photon Flux Density：PPFD)来表征测量结果。后续研究还表明，植物叶绿素的吸收光谱有两个主吸收峰，分别位于蓝光波段和红光波段[4-5]，导致这两种光的光合效率最高[6]。此外，远红光也影响植物从发芽到营养生长再到开花的整个过程[7-8]。

1 多通道光量子传感器原理及结构

1.1 LED植物照明光环境测量

自20世纪50年代开始，人们就试图使用人工光源种植植物。近年来随着LED技术日趋成熟，以LED植物工厂和LED补光温室为代表的都市农业快速发展[9]，人工光源植物照明技术进入了一个新阶段。如图1所示，根据植物的光合特性，目前植物工厂中广泛使用峰值波长450 nm的蓝光LED、峰值波长660 nm的红光LED和峰值波长735 nm的远红光LED作为植物照明光源[10]。在LED植物照明的实际应用中，不仅需测量照射到植物表面的总光量子通量密度，还需测量不同光质光量子通量密度及其比例(光质比)，光质比(R/Fr、R/B)对植物生长、发育、生理特性有重要影响[11-14]。

实线为植物叶绿素a吸收光谱，虚线为植物叶绿素b吸收光谱图1 植物叶绿素吸收光谱及典型植物照明LED光谱[15]Fig.1 Absorption spectra of Plant chlorophyll and typical LED spectrums of plant lighting[15]

目前的测量手段是通过PAR光量子传感器分别测量单色光单独照明时的光量子通量密度，再计算比值，但这样无法实现对光环境的实时测量和动态反馈调节，已无法满足光生物学研究和植物工厂生产的实际需要[16]。与此同时，目前PAR传感器的高端产品基本被国外公司垄断[17]，例如LI-COR、KIPP & ZONEN等，其售价高昂，且一般需每两年送回原产国校准一次[18]。针对以上问题，项目组提出了一种通过多通道设计实现对不同波段光动态测量的传感器，不仅能够测量不同波段光量子通量密度及其光质比，还能通过与控制系统建立通信实现对光环境的实时控制。

1.2 光量子通量密度的计算

现阶段有两种评价植物光照效果的基本测量方法——辐射能量法和光子数法[19]。辐射能量法测量单位时间单位面积内400～700 nm波段内辐射的总能量值，可视其为辐照度(单位：W/m2)；光子数法则测量该波段内单位时间单位面积内照射到植物上的光子数量，即光合有效光量子通量密度(以下简称PPFD)(单位：μmol·m-2·s-1)。目前主要使用第二种方法[20]，Mc.Cree也通过实验证明相比于测量辐照度，光子数法测量结果准确度提高2/3[21-22]。PPFD可以表示为

其中E(λ)是波长λ的入射光的能量(光谱辐照度)，h是Planck常量(h=6.63×10-34W·s),c是光速(c=3×108m·s-1)，NA是阿伏加德罗常数(1 μ·mol·s-1·m-1=6.022×1017photons·s-1·m-1)，γ=NAhc(γ=119.8 W·s·nm·μmol-1)。PPFD可由理想PAR光量子传感器测量，实际操作中我们用LI-190S、PQS-1等传感器替代理想PAR光量子传感器[23]。

根据目前植物工厂等植物照明场景中实际使用蓝光、红光、远红光LED的典型峰值和谱宽，传感器设置蓝光通道(450±15)nm、红光通道(660±20)nm和远红光(735±20)nm通道分别测量蓝光、红光和远红光的光量子通量密度。上述蓝光、红光、远红光通道的光量子通量密度PPFDB、PPFDR、PPFDFr可以分别写为

1.3 传感器结构及原理

我们所设计的多通道光量子传感器主要由带通滤波片、硅光电二极管、调理电路、余弦修正片[24]等结构构成，如图2所示。

1—微处理器；2—陶瓷外壳；3—滤波片I；4—余弦修正片；5—滤波片Ⅱ；6—基座；7—调理电路PCB板；8—底座；9—数据线；10—硅光电二极管图2 多通道光量子传感器结构示意图Fig.2 Structure diagram of the multi-channel quantum sensor

入射光经余弦修正片修正到达滤波片，滤波片将其带宽范围内的光透射，并将其余光全反射，透射光到达硅光电二极管，经光电转化产生短路电流，电流经过电流-电压(I-U)转换电路转化为电压值，再通过A/D转换器转化为数字信号，并通过数据线传输。

2 传感器标定

2.1 标定系数关系

硅光电二极管在不同波长光的激发下产生光载流子，从而形成感应电流。入射光量子与光电传感器产生的感应电流I(λ)，及短路电流有如下关系：

联立式(5)～式(7)得到光电传感器短路电流I为

所以多通道光量子传感器蓝光、红光、远红光通道的短路电流依次为IB、IR、IFr，它们可以表示为

其中光谱在435～465 nm蓝光波段的光谱响应是一个定值，在640～680 nm红光波段的光谱响应是一个定值，在715～755 nm远红光波段的光谱响应是一个定值ηFr[25]。

为方便读数，通过调理电路的I-V转换，将短路电流转化成电压输出，输出电压U满足U=IR，其中R为定值电阻。根据式(2)～(4)、(9)～(11)得到蓝光、红光、远红光通道的标定系数εB、εR、εFr分别为

所以，通过将待标定传感器的输出电压值与真实PPFD进行线性拟合即可得到标定系数。

2.2 标准PAR光量子传感器选择

我们选取KIPP & ZONEN生产的PQS-1型传感器作为标准传感器为待标定传感器定标[26]，该传感器环境适应能力强且稳定性好，灵敏度达(4～10)μV/μmol/m2·s，并于购买后立即进行标定，从而避免其自身因使用而产生的误差。

2.3 标定装置搭建

标定时，需将待标定传感器和标准传感器置于相同光环境下，并通过改变环境光通量来完成标定。下面以红光、蓝光通道为例介绍标定过程。该文采用台湾光宏1 W、(660±20)nm大功率红光LED构成的红光阵列标定红光通道，用1 W、(450±15)nm大功率蓝光LED构成的蓝光阵列标定蓝光通道，它们的发散角均为140°，单颗光源呈朗伯分布，这两种光源光谱与待标定传感器红蓝通道透过谱很好地吻合。

图3 标定装置示意图Fig.3 The schematic diagram calibration device

标定装置如图3所示，基于DMX512协议的控制器通过PWM调制完成光通量控制，它根据计算机指令改变供电通道的电压占空比[27]。当外加36 V直流电源时，计算机将0～100%对应的十六进制指令发送至控制器，供电通道电压占空比也将变为相应值，导致均值电压在0～36 V间改变，从而改变与其串联的LED阵列的光通量。

待标定传感器输出的电压信号通过数据线传输至计算机，并由为该传感器专门设计的数据读取软件实时读取。PQS-1传感器的测量数据由其自带的LCD显示器读取。其余装置还包括可调节高度的支架，测量尺等。

2.4 标定过程及拟合

下面以红光通道和蓝光通道为例介绍标定过程。标定在标准暗室中进行，单颗红光LED加载2.2 V电压，将其电压占空比从0开始每次上调5%直至100%，记录待标定传感器读数UR与PQS-1传感器读数PPFDR，并将数据进行线性拟合。之后更换蓝光LED，单颗蓝光LED加载3.2 V电压，操作同上，记录待标定传感器读数UB与PQS-1传感器读数，并将数据进行线性拟合。

图4 两只待标定传感器红光/蓝光通道标定拟合曲线Fig.4 Red/blue light channel’s fitting curve of two unregulated sensors

图4是两只待标定传感器(传感器a和传感器b)的标定曲线，分析图4(a)(b)可得，传感器a的红光通道、蓝光通道拟合方程分别为

所以传感器a的红光、蓝光通道标定系数分别为εRa=0.756 8、εBa=0.821 2，式中βRa=4.008 8和βBa=0.161 8分别表示红光、蓝光通道的暗电流响应。之后将式(15)、(16)写入传感器a读数软件的显示程序，并在显示器输出PPFDRa、PPFDBa。同理可得，传感器b的红光、蓝光通道标定系数分别为εRb=0.895 5、εBb=0.842 4，且红光、蓝光通道暗电流响应分别为βRb=3.402 5和βBb=0.340 9。

标定结果表明，本传感器具有很好的对光通量的线性响应度，满足设计要求。同时，对比图4(a)(b)可知，不同传感器相同通道的标定系数不同，主要是因为光电传感器的自身响应差异和滤波片分装等引起，所以每只传感器都需单独定标，并在程序中写入对应系数。完成标定的传感器经过测试后即可密封外壳，成品如图5所示。

图5 多通道光量子传感器实物图Fig.5 Practicality picture of Multi-channel Quantum Sensor

3 应用

本文所述多通道光量子传感器的应用场景广泛，其中一种就是将其与光源建立反馈系统，可实现对植物照明光环境的实时监测与控制，所以文章进一步设计了一套植物照明通用的智能光环境控制系统。系统主要由传感器、光源、控制电路、控制软件和读写屏幕构成。其原理为：根据种植需求，使用者在控制软件中设置不同波段光的PPFD目标值(或设置总PPFD目标值及光质比)，此时置于工作区的传感器将测量到的对应波段的PPFD测量值传输到控制电路，处理器比对目标值和测量值，若二者不相等则自动调节相应波段的PPFD，直至测量值与目标值相等。调光过程如图6所示。

图6 智能光环境控制系统流程图Fig.6 Flow diagram of intelligent light environment control system

项目组将该系统安装于一个三层植物生长柜中，每层顶部分别安装红光LED阵列和蓝光LED阵列，每个阵列都由基于DMX512协议的控制器的不同通道供电。首先，打开显示屏上的控制软件，根据所种植植物的光照需求设置每层的红光PPFD和蓝光PPFD分别为IRi和IBi(i=1，2，3，分别表示生长柜第1、2、3层)；置于植物柜每层种植盘边缘的多通道光量子传感器测量出本层的红/蓝光PPFD分别为ITRi和ITBi,该数据传输至控制系统后被与设置值比对，若某层测量值小于设置值，则控制器将该通道PWM信号减小1%，即该通道电压占空比减小1%，使该通道供电的LED阵列光通量密度下降，反之PWM信号增加1%，LED阵列光通量密度上升，直至该通道测量值与设置值相等。通过这种方式，每层的红、蓝PPFD达到预定值。这样即可精确调节出所需光环境。系统也可设置每层的总PPFD和光质比，系统会自动计算出对应波段PPFD，并进行调控。植物生长柜中各层光环境参数如表1所示。

表1 植物生长柜每层光环境参数对应关系Table 1 Each layer’s light environment corresponding parameters of plant growth cabinet

以上所述系统具有通用性，能够广泛应用于LED植物工厂、LED植物生长柜、LED补光温室等都市农业领域，拥有广阔的市场前景。在LED植物工厂和LED植物生长柜中，系统可实现智能化调光，从而实现不同层种植不同植物。在LED补光温室中，当系统测量到太阳光中的光通量低于标准时即开始自动补光，同样能调节补光灯的光通量及光质比。

4 结语

作为植物照明领域的一项基础技术，专门针对植物研发的光环境测量设备是后续研究和生产工作的重中之重。我们针对目前PAR光量子传感器无法同时测量不同波段光量子通量密度及光质比从而无法满足植物工厂需求等问题，设计了一种多通道光量子传感器。该传感器通过设置蓝光、红光、远红光通道实现了对相应波段光量子通量密度及其比例的实时测量；我们推导出了不同通道的标定系数表达式，进一步还应用DMX控制器搭建标定装置，并采用PQS-1传感器对该传感器定标，求出了定标系数，测试结果表明该传感器拥有很好的线性响应度；最后，通过将多通道光量子传感器与光源建立反馈控制系统，设计了一套通用的能够控制总光量子通量密度及光质比的智能光环境控制系统，从而实现“数字化”、“精准化”植物照明，为最大限度地提升都市农业生产效率奠定了基础。

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DesignandApplicationsofMulti-channelQuantumSensor

ZHANG Xinyu1，2，XU Jinghong1，HE Zili1，2，ZHANG Fangxin1，2，LI Ming1，2，LIU Wen1,2
(1.InstituteofAdvancedTechnology，UniversityofScienceandTechnologyofChina，Hefei230088,China；2.SchoolofPhysicalSciences，UniversityofScienceandTechnologyofChina，Hefei230026,China)

The measurement of plant growth’s luminous environment is the basis of urban agriculture，such as LED plant factory.The PAR quantum sensors，which measure the photon flux of radiation in the spectral interval 400～700 nm，can’t measure the several intervals which are used in plant lighting simultaneously，but the LED plant factory needs these data and their ratios by far.Therefore,a type of multi-channel quantum sensor is designed to solve this problem.Firstly，the paper expounds the design principle and structure of the sensor.It then elicits the calibration coefficient expression of the sensor’s different channels，and calibrates the unregulated sensors by the PQS-1 sensor under the calibration device constructed by controller based on DMX512 protocol.Results indicate that the linear response of sensors is good.The article finally designs a set of light environment control system，which can auto control the photon fluxes and light quality ratios，based on the sensors.

multi-channel；PAR；sensor；plant factory；calibration；light environment control

安徽省科技厅科技重大专项项目“设施农业光照传感器及智能光照控制系统”(编号16030701093)

刘文，Email：wenliu@ustc.edu.cn

TN29

A

10.3969/j.issn.1004-440X.2017.06.018