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LED植物燈光譜儀參數(shù)詳解

閱讀：1598 發(fā)布時間：2021-9-6

一、光的應(yīng)用分類

視覺應(yīng)用：應(yīng)用于照明，物理單位是以平均人眼的視效函數(shù)對光譜輻射功率加權(quán)得到的光通量為主要參數(shù)。

非視覺應(yīng)用：以動物、植物、醫(yī)療、微生物、識別、數(shù)據(jù)傳送等應(yīng)用，物理單位是輻射功率或者光量子數(shù)。

二、光子的能量

LED發(fā)光是能量的轉(zhuǎn)換現(xiàn)象，電子與空穴復(fù)合時多余的能量會發(fā)光，產(chǎn)生光子，波長越短，產(chǎn)生光子的能量越高，光子是光傳遞能量過程中的最小單位，植物光合作用吸收的是這種帶能量的光子，光合作用是在光子能量包驅(qū)動進(jìn)行，而不是一般的光能量作用，這就是植物光合作用需要光子去表達(dá)的原因。

單個光子的能量在波長400nm與波長700nm的能量比是1.75，也就是說，藍(lán)光比紅光能量大 1.75 倍。

相同輻射功率下，產(chǎn)生光子的數(shù)量隨著波長的增大而增加，如上圖所示。

光合作用是由光子通量產(chǎn)生，是攜帶能量的光子在酶的作用下分解CO2與H2O后產(chǎn)生新的分子的過程，但不是所有被植物吸收的光子產(chǎn)生相同的光合作用，需要用能量傳遞的角度理解光合作用，用“光餐"來理解光子與植物的關(guān)系

光合有效輻射的光子數(shù)量采用兩種度量單位：光合光子通量（PPF），其波長范圍從400到700 nm，二是產(chǎn)生的光子通量（YPF），其波長范圍可以根據(jù)植物的光合響應(yīng)下確定波長范圍。

三、植物燈的參數(shù)與單位

摩爾量（mol）：在描述物質(zhì)構(gòu)成的基本單位如分子、離子、光量子等的時候，通常采用摩爾量表示，摩爾量是由6.022EXP(23)個物質(zhì)的基本粒子構(gòu)成一個基本量，單位是：摩爾（mol），在植物光合作用里光子的數(shù)量也是采用摩爾量表示，一個光子摩爾（mol）里包含有6.022EXP(23)個光子，由于在植物光合里摩爾的單位大，許多參數(shù)采用微摩爾表示。

1 摩爾（mol） = 1000000微摩爾（umol）。

1 微摩爾（umol）包含有6千萬個億的光子。

PAR：光合有效輻射（Photosynthetic Active Radiation）

植物用于光合作用的特定波長范圍（400-700nm）的輻射稱作光合有效輻射，標(biāo)注單位有兩種，一是用光合輻照度表示（w/m2），主要用于太陽光的光合作用的廣義研究，二是用光合光子通量密度PPFD表示（umol/m2s），主要用于人造光源和太陽光對植物光合作用的研究，采用每秒輻射到植物表面的光子流量的這個方法表示輻射源的輻射能力，稱為PPF PAR法。（注：m2表示平方米）

PAR約占太陽總輻射的50%，需要注意的是，光合輻照度這個單位體現(xiàn)不出波長的影響。

PPF：光合光子通量（Photosynthetic Photon Flux）

是指波長在400-700nm波段里，人造光源每秒輻射出光子的微摩爾數(shù)量，單位umol/s。

PPFD：光合光子通量密度（Photosynthetic Photon Flux Density）

與PPF相對應(yīng)的是每平方米每秒光源輻射出的微摩爾數(shù)量，單位umol/m2s ，是密度的概念。

PPFD是表示在一平方米范圍里的PPF。

PPFD是個與輻射距離相關(guān)的物理量，與照射距離的平方成反比。

1 PPFD 表示每秒1微摩爾的光子數(shù)量輻射在1平方米的表面。

1umol/m2s（PPFD）有多大呢，它表示10平方納米里有6個光子。

YPF：產(chǎn)生的光子通量（Yield Photon Flux）

是指在人造光源所發(fā)出的波長范圍里，每秒輻射出的光子微摩爾數(shù)量，單位umol/s。通常認(rèn)為的波段是360-760nm，對于LED光源，波長范圍設(shè)定為380-800nm。

YPFD：產(chǎn)生的光子通量密度（Yield Photon Flux Density）

與YPF相對應(yīng)的是每平方米每秒輻射的微摩爾數(shù)，單位umol/m2s ，是密度的概念。

YPFD是表示在一平方米范圍里的YPF。

YPFD是個與輻射距離相關(guān)的物理量，與照射的距離的平方成反比。

YPFD更能準(zhǔn)確的表達(dá)LED植物燈光質(zhì)的光量。

對于紅光藍(lán)光譜，YPF=PPF，其他光譜PPF<YPF。

PAR與PPFD的區(qū)別，PAR是個物理概念，而PPFD的這個物理概念的單位。

PPFD與PPF的關(guān)系：PPFD是由種植工藝參數(shù)得出的基本量，PPF是燈具制造的主要參數(shù)。

為了清晰了解輻射、照明、植物光合作用的三個概念，我們制作了下面的表格。

人造光源的輻射、照明、植物光合作用這三個概念對比表：

注：m2表示平方米

四、不同光源與燈具之間定量分析參數(shù)

對于不同的人造光源，采用下面的指標(biāo)可以比較他們之間的光譜參數(shù)性能，這些參數(shù)也可以比較同種光源相同光譜形態(tài)下不同廠家的光譜參數(shù)性能，通常，這些值越大越好，但是，數(shù)值大并不意味著種植效率高，需要具備專業(yè)技能的專業(yè)評估。

PPF/w：表示每耗電一瓦所產(chǎn)生的PPF。

PPFD/w：表示每耗電一瓦所產(chǎn)生的PPFD。

YPF/w：表示每耗電一瓦所產(chǎn)生的YPF。

YPFD/w：表示每耗電一瓦所產(chǎn)生的YPFD。

以上這些值大小與光譜形態(tài)（光質(zhì)）有關(guān)，如果把這些值再除以植物燈的價格，那就可以比較植物燈價格高低，這些值的有效性需要通過第三方獨(dú)立的專業(yè)分析才可靠。

通常，農(nóng)用鈉燈最大到 2.2 PPF/w，LED光源，最大2.1 PPF/w

五、光質(zhì)、光量、光周期

光質(zhì)LQ（Light Quality），是在一定的波長范圍內(nèi)的光譜形態(tài)，無單位。

光量LI（Light Intensity），是表示光質(zhì)所能輻射的光子數(shù)量，既可以用光子流量表示，也可以用光子密度表示，單位：PPF（YPF）或者PPFD（YPFD）。

光周期PP（Photo Period），表示在一個自然日內(nèi)，植物燈開燈的時間總和，單位：小時

六、植物每天需要的輻射量（重要概念）

許多人熱衷研究植物輻射的補(bǔ)償點(diǎn)和飽和點(diǎn)來推算植物燈應(yīng)該使用多大的PPFD，從補(bǔ)償點(diǎn)到飽和點(diǎn)的范圍較大（如下圖所示），在這個范圍的選擇植物燈的光量具有人為的隨機(jī)性，補(bǔ)償點(diǎn)與飽和點(diǎn)只是定性分析，量化過程一定要考慮其他環(huán)境因素，不可以機(jī)械的理解，用“光餐"解釋植物補(bǔ)光可能更為恰當(dāng)，在我們的種植工藝專家系統(tǒng)里，我們給出的是植物每天每平方米合理需要的輻射量，這個量值關(guān)系到種植成本與種植品質(zhì)，我們的這個參數(shù)是參考農(nóng)業(yè)科學(xué)長期研究的種植工藝參數(shù)DLI，具有理論依據(jù)。

日光合量DLA（Daily light amount）：指人造光源在光周期下每天每平方米的PPFD所產(chǎn)生的光子的摩爾數(shù)量，單位：mol/m2d。

由于植物燈的光量在光周期下是恒定的，DLA=0.0036*PPFD*PP。PP-光周期單位：小時。

DLA是種植工藝參數(shù)，植物工廠的植物種植所需要的PPFD就是用DLA計算出來的。

聲明：DLA由好亮固體光源研究所許東定義。

日光積分量DLI（Daily light integral）：指太陽光有效輻射下每天每平方米的光合作用積分量，單位：mol/m2d。

DLI在傳統(tǒng)種植中是一個重要光合量參數(shù)，是長期農(nóng)業(yè)科學(xué)研究的技術(shù)參數(shù)，具有普遍的種植指導(dǎo)意義，在太陽光下，由于太陽光的光合輻照度（換算成PPFD）隨時間與天氣在不斷變化，這個變化會出現(xiàn)跨度有時會在補(bǔ)償點(diǎn)與飽和點(diǎn)之間，所以，DLI需要按照積分的方法計算，初步的計算可以用平均PPFD與有效時間（小時）進(jìn)行計算。

在太陽光下按照平均值方法計算的DLI，DLI=0.0036*PPFD（平均）*有效時間。有效時間單位：小時。

在室外種植中，DLI參數(shù)會受到飽和點(diǎn)的影響，在溫室大棚里，室內(nèi)的DLI小于室外的DLI，溫室的DLI通常也會小于DLA，DLA參數(shù)的創(chuàng)立，科學(xué)的提供了溫室是否補(bǔ)光與補(bǔ)光量大小的理論依據(jù)，系統(tǒng)的建立人造光源的DLA數(shù)據(jù)庫，可以提供植物工廠應(yīng)用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)體系，具有非常重要的意義，希望農(nóng)業(yè)科研人員參與到這項(xiàng)工作中。

DLA是植物工廠與溫室補(bǔ)光的種植工藝的主要參數(shù)，是植物燈設(shè)計的主要依據(jù)，DLA可以通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)或者通過DLI經(jīng)過加權(quán)后初步得出，但需要實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)修正，DLA與DLI的關(guān)系是：DLA<DLI，如生菜種植的DLI為17，DLA為9-11。

七、光源功率、PPF、PPFD、安裝高度的關(guān)系