武禮賓，曹 立，陳美香，劉銀春

(福建農(nóng)林大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，福建 福州 350002)

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植物培養(yǎng)箱內(nèi)LED光源均勻性的研究

武禮賓，曹 立，陳美香，劉銀春

(福建農(nóng)林大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，福建 福州 350002)

比較了LED排列方式以及勻光板對(duì)植物培養(yǎng)箱內(nèi)輻射照度分布均勻性的影響。在培養(yǎng)箱內(nèi)安裝了四種LED面光源：燈珠環(huán)形排列無(wú)勻光板(H0)、燈珠環(huán)形排列有勻光板(H1)、燈珠矩形排列無(wú)勻光板(J0)以及燈珠矩形排列有勻光板(J1)。然后采用太陽(yáng)分光輻射計(jì)(S-2441型)測(cè)量培養(yǎng)箱內(nèi)72×6=432個(gè)測(cè)試點(diǎn)的輻射照度值，即每層受光面72個(gè)點(diǎn)，共6層。四個(gè)實(shí)驗(yàn)組各水平受光面的輻射照度均勻性采用標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算，其結(jié)果是：J1(1.004)

輻射照度均勻性；LED照明；光合有效輻射；光合光量子通量密度；標(biāo)準(zhǔn)差

引言

LED照明在各種培養(yǎng)箱內(nèi)的應(yīng)用日益增加，特別是用于研究植物特征光譜的LED植物培養(yǎng)箱[1]。LED照明均勻性的探測(cè)和計(jì)量存在輻射度學(xué)和光度學(xué)兩套不同的單位體系[2]。光度學(xué)體系是以人眼視覺(jué)函數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)，只適合于人眼照明的場(chǎng)合。目前有不少對(duì)LED照度均勻性的研究[3-7]，比如王加文[3]通過(guò)構(gòu)建一個(gè)均勻度評(píng)價(jià)函數(shù)，采用模擬退火算法對(duì)LED集成圓形陣列、4×4和4×5的矩形陣列進(jìn)行優(yōu)化，提高照度均勻性；還有丁紓姝[4]對(duì)于大功率LED均勻照明設(shè)計(jì)理論的研究及對(duì)于均勻照明設(shè)計(jì)方法的探討，針對(duì)的都是室內(nèi)及室外一般LED照明。在研究光照對(duì)植物生長(zhǎng)的影響時(shí)，應(yīng)采用輻射度學(xué)的單位體系來(lái)計(jì)量，比如光合有效輻射(PAR)及光合作用光量子通量密度(PPFD)。培養(yǎng)箱一般是封閉的長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)，其光均勻性的分析也與一般的照明不同。也有些針對(duì)植物照明均勻性的仿真研究[8-11]，例如張寧[8]討論了圓環(huán)排列對(duì)于LED面光源照度均勻性的影響，是通過(guò)模擬軟件Tracepro來(lái)分析圓環(huán)半徑，光源到受光面的距離等因素對(duì)照度均勻性的影響，還有周德濤等[11]也是通過(guò)Tracepro對(duì)照射平面進(jìn)行輻射照度均勻性分析。但是仿真的結(jié)果與實(shí)際情況可能存在較大差異。而LED植物培養(yǎng)箱內(nèi)光分布的不均勻性不僅會(huì)造成植株之間生長(zhǎng)發(fā)育的差異，而且會(huì)影響研究結(jié)果的可靠性。所以，本文采用太陽(yáng)分光輻射計(jì)對(duì)培養(yǎng)箱內(nèi)不同空間位置的輻射照度進(jìn)行實(shí)際測(cè)量，對(duì)比分析培養(yǎng)箱內(nèi)輻射照度的分布情況，其結(jié)果對(duì)植物照明在實(shí)際的應(yīng)用中有重要的意義。

1 實(shí)驗(yàn)與方法

1.1 LED面光源設(shè)計(jì)

LED均采用某公司型號(hào)為SBCROAOV-TO3的芯片，尺寸40mm×40mm，1W的COB封裝，發(fā)散角為140°，發(fā)散角越大均勻性越好，本實(shí)驗(yàn)采用高發(fā)散角而不采用120°及以下的發(fā)散角。本文研究的是單色LED面光源的輻射照度的均勻性，而影響輻射照度均勻性的主要因素是LED的排列形式，可不考慮波長(zhǎng)的影響。實(shí)驗(yàn)選用電學(xué)參數(shù)相同、顆數(shù)相等，波長(zhǎng)分別為630nm和660nm，半波寬度小于20nm的單色LED分別設(shè)計(jì)成矩形排列及環(huán)形排列的LED面光源。設(shè)計(jì)了四種常見(jiàn)的LED面光源：燈珠矩形排列無(wú)勻光板，用J0表示；燈珠矩形排列有勻光板，用J1表示；燈珠環(huán)形排列無(wú)勻光板，用H0表示；燈珠環(huán)形排列無(wú)有勻光板，用H1表示。勻光板采用上海某公司生產(chǎn)的PC擴(kuò)散板。首先是LED單元的設(shè)計(jì)：4顆LED燈珠焊在同一鋁質(zhì)條形電路基板上，形成一塊最小的LED單元，散熱良好又方便更換；其次是LED單元的排布，對(duì)常見(jiàn)的環(huán)形及矩形排布進(jìn)行對(duì)比。設(shè)計(jì)結(jié)果如圖1和圖2所示。

圖1 環(huán)形排列Fig.1 Oval-Shaped Arrangement

圖2 矩形排列Fig.2 Rectangular Arrangement

1.2 LED驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)

本研究采用AMC7140恒流驅(qū)動(dòng)芯片設(shè)計(jì)成多路恒流LED驅(qū)動(dòng)電路，電路原理如圖3所示。采用高精度數(shù)字調(diào)光接口，具有過(guò)熱保護(hù)和欠壓保護(hù)功能，使恒流輸出穩(wěn)定、紋波系數(shù)小、無(wú)浪涌現(xiàn)象。LED是電流型器件，實(shí)驗(yàn)用的兩種波長(zhǎng)的紅光芯片工作電壓均是1.9～2.2V。通過(guò)調(diào)整電流來(lái)改變LED發(fā)光強(qiáng)度，為了保證兩種排列方式的LED燈的發(fā)光強(qiáng)度相等，最后根據(jù)設(shè)定電阻值計(jì)算得到每顆LED工作電流都是0.326A。

圖3 AMC7140恒流驅(qū)動(dòng)電路Fig.3 AMC7140 Constant-Current Drive Circuit

1.3 測(cè)量?jī)x器及方法

測(cè)量?jī)x器采用日本的Soma太陽(yáng)分光輻射計(jì)，型號(hào)為S-2441，可在300～1100nm的波長(zhǎng)范圍內(nèi)，測(cè)量輻射照度(單位：μW·cm-2)和單位波長(zhǎng)的輻射照度(單位：μW·cm-2·nm-1)。儀器可測(cè)量的波長(zhǎng)范圍涵蓋了光合有效輻射(PAR)波長(zhǎng)范圍，可根據(jù)需要將測(cè)得的輻射照度單位轉(zhuǎn)換成衡量植物需要的光合光量子通量密度(PPFD)單位，對(duì)比分析LED植物培養(yǎng)箱內(nèi)光合有效輻射(PAR)分布的均勻性。

本實(shí)驗(yàn)的植物培養(yǎng)箱內(nèi)部尺寸為：長(zhǎng)70cm，寬50cm，高40cm，取測(cè)試點(diǎn)的規(guī)律：水平方向長(zhǎng)度方向9個(gè)，寬度方向8個(gè)，每層受光面有8×9=72個(gè)點(diǎn)；垂直方向取等間距的6個(gè)受光面。所以總共72×6=432個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)。測(cè)量方法：用一塊光滑平整的不銹鋼板當(dāng)做受光面，大小等于培養(yǎng)箱的長(zhǎng)與寬，并在分成等面積的72個(gè)格子。在培養(yǎng)箱內(nèi)壁上有等距離的卡槽，將不銹鋼板放在這些卡槽上即可調(diào)節(jié)受光面與燈板的距離。本實(shí)驗(yàn)由低到高，受光面與燈板的距離分別為h1=35cm，h2=30cm，h3=25cm，h4=20cm，h5=15cm，h6=10cm，依次逐點(diǎn)完成全部的測(cè)量。數(shù)據(jù)分析用Excel及Origin軟件。

2 結(jié)果與分析

2.1 輻射照度分布三維圖

用Origin軟件畫(huà)出輻射照度在培養(yǎng)箱內(nèi)分布三維圖，如圖4(a)～圖7(a)。為了直觀(guān)比較6個(gè)不同高度受光面的輻射照度分布情況，把6層受光面平鋪顯示如圖4(b)～圖7(b)，圖上方為對(duì)應(yīng)的俯視圖，顏色的變化也代表了輻射照度的變化。圖4(b)～圖7(b)中從左到右依次為第1層到第6層，由圖可以看出，距離燈板越近的受光面，輻射照度變化幅度越大，輻射照度分布越不均勻。由圖可知LED環(huán)形排列的培養(yǎng)箱內(nèi)，在第4層及以下的受光面，輻射照度才有比較好的均勻性。而矩形排列的實(shí)驗(yàn)組受光面的輻射照度，即使在離燈板最近的第6層輻射照度就有很好的均勻性。

2.2 輻射照度均勻性分析

培養(yǎng)箱內(nèi)輻射照度均勻性可以用不同高度受光面之間以及同一高度受光面內(nèi)的輻射照度變化幅度的大小來(lái)表示，變化的幅度越小越均勻。因此可以用垂直方向輻射照度的均勻度和水平方向的輻射照度的均勻度來(lái)量度。

圖4 環(huán)形排列無(wú)勻光板(H0)Fig.4 Oval-shaped arrangement without uniform plate

圖5 環(huán)形排列有勻光板(H1)Fig.5 Oval-Shaped arrangement with uniform plate

圖6 矩形排列無(wú)勻光板(J0)Fig.6 Rectangular arrangement without uniform plate

圖7 矩形排列有勻光板(J1)Fig.7 Rectangular arrangement with uniform plate

(1)垂直方向輻射照度的均勻性分析

為了分析垂直方向輻射照度變化趨勢(shì)，分別對(duì)6層受光面的輻射照度取平均值。采用受光面的輻射照度平均值隨其與燈板距離的變化率(即輻射照度的梯度)來(lái)表示垂直方向的均勻度。根據(jù)四個(gè)實(shí)驗(yàn)組的測(cè)試結(jié)果，可以畫(huà)出四條輻射照度平均值隨高度的變化曲線(xiàn)，如圖8所示。通過(guò)對(duì)各曲線(xiàn)進(jìn)行線(xiàn)性擬合分析，可獲得對(duì)應(yīng)曲線(xiàn)的斜率，其值分別為：J1(1.066)

圖8 輻射照度與高度關(guān)系Fig.8 The Relation Between Irradiance and Height

(2)水平方向各受光面輻射照度均勻性分析

根據(jù)水平受光面上各點(diǎn)的輻射照度值具有離散性的特點(diǎn)，我們可以采用這些點(diǎn)輻射照度測(cè)量值的標(biāo)準(zhǔn)差來(lái)表示該受光面的均勻度。用Excel公式求總體樣本的標(biāo)準(zhǔn)差公式STDEVP

(1)

表1 水平方向受光面輻射照度均勻性分析Table 1 Irradiance uniformity

2.3 光合有效輻射換算

以上分析均是針對(duì)300～1100nm內(nèi)所有波長(zhǎng)的輻射照度E進(jìn)行分析的結(jié)果。植物培養(yǎng)箱針對(duì)的是植物照明，綠色植物進(jìn)行光合作用時(shí)，被葉綠素吸收并參與光化學(xué)反應(yīng)的太陽(yáng)輻射光譜成分，稱(chēng)為光合有效輻射(PAR)，PAR的波譜為380～710nm,也有采用400～760nm[12]。將上述結(jié)果轉(zhuǎn)換成光合光量子通量密度(PPFD，單位：μmol·m-2·s-)的計(jì)算方法如下：

以光合有效輻射波長(zhǎng)380～710nm的標(biāo)準(zhǔn)為例，并設(shè)單色光的輻射照度為Eλ(W/m2)。對(duì)380～710nm的輻射照度進(jìn)行求和可得光合有效輻射ER為

(2)

由愛(ài)因斯坦光子能量公式，可得單個(gè)光子能量E為

(3)

設(shè)光合光量子通量密度(PPFD)的值為ED，有

(4)

其中NA為阿伏伽德羅常數(shù)，代入測(cè)量得到的λ及對(duì)應(yīng)的Eλ即可得到ED。

3 結(jié)果與討論

本文分析了LED排列方式及勻光板對(duì)輻射照度分布均勻性的影響。通過(guò)實(shí)際測(cè)量并用Origin畫(huà)出輻射照度的空間分布三維圖，直觀(guān)比較輻射照度的均勻性。然后數(shù)值分析輻射照度變化情況，水平方向各受光面的輻射照度均勻性采用標(biāo)準(zhǔn)差的公式進(jìn)行計(jì)算，垂直方向的輻射照度變化采用輻射照度梯度(即曲線(xiàn)斜率)的方法進(jìn)行計(jì)算。分析結(jié)果表明：(1)矩形排列的LED光源的均勻性?xún)?yōu)于環(huán)形排列，隨著受光面與光源之間的距離增大均勻性變好。但矩形排列的LED光源的輻射照度平均值比較小，這是由于矩形排列的LED燈珠分布較分散，使輻射照度值有所降低；(2)增加勻光板的優(yōu)點(diǎn)是可以在一定程度上提高均勻性也可保護(hù)LED燈珠，缺點(diǎn)是會(huì)降低輻射照度及容易引起散熱問(wèn)題，如散熱差導(dǎo)致結(jié)溫升高而產(chǎn)生波峰偏移等。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，若LED光源的均勻度達(dá)不到要求，可以增加勻光板；若光源的均勻度已經(jīng)達(dá)到要求，則不必加勻光板，以提高光的利用率。最后本文提供了一種將光合有效輻射照度E轉(zhuǎn)換成衡量植物的PPFD的計(jì)算方法，在研究植物照明時(shí)有一定的參考價(jià)值。

本次實(shí)驗(yàn)僅針對(duì)單色LED光源，其研究的方法及實(shí)驗(yàn)的結(jié)果具有一定的普遍性。如果采用單色光的組合形成的復(fù)色光照明(如RGB組合)，則光譜會(huì)隨空間位置的變化而不同。因此，研究不同波長(zhǎng)的LED的組合光源的均勻性問(wèn)題，包括了光譜空間分布的均勻性和輻射照度的均勻性?xún)蓚€(gè)方面，有待進(jìn)一步研究。

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Study on Uniformity of LED Lights in Plant Growth Chamber

Wu Libin, Cao Li, Chen Meixiang, Liu Yinchun

(CollegeofMechanicalandElectronicEngineering,FujianAgricultureandForestryUniversity,Fuzhou350002,China)

This paper studies the influence of LED arrangement and uniform plate on the irradiance uniformity of LED lights in Plant Growth Chamber. The LED lights in the research are designed in 4 kinds: oval-shape arrangement without uniform plate(H0), oval-shape arrangement with uniform plate(H1),rectangular arrangement without uniform plate(J0)and rectangular arrangement with uniform plate(J1). Then it measured the irradiance of 72×6=432 spatial points(6 layers and 72 points in each layer)in the plant growth chamber by Sun Spectroradiometer(S-2441).The standard deviation of the horizontal plane’s irradiation in the four experimental groups: J0(1.004)

irradiance uniformity; LED lighting; photosynthetic active radiation; photosynthetic photon flux density; standard deviation

福建省高校產(chǎn)學(xué)合作重大科技項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：2012N5002) 通信作者：劉銀春，E-mail:lyc@fafu.edu.cn

TM923

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10.3969/j.issn.1004-440X.2015.02.022