什麼是 “光譜式” 植物照明檢測計? (與傳統 PAR 計/傳感器相比)

by | 2023/07/17 | blogs, 生長燈

光譜式植物照明檢測計已進軍室內農業市場,並且與量子檢測計和量子感測器共享市占率,而農夫們想知道其中的原因。

本文會比較這些儀器,並且詳細介紹光譜式檢測設備在室內農業中的明顯優勢。

以下是我們將討論的主題:

  • 背景 – 為什麼要測量光?
  • 量子感測器
  • 量子檢測計
  • 光譜式植物照明檢測計
  • 光譜式植物檢測計的實際用途

圖片來源 Zoe Schaeffer on Unsplash

背景 – 為什麼要在室內農業中測量光?

測量光對於室內農業至關重要,此舉是為了確保植物在對的光源下吸收到足夠的能量。

由於地理位置、季節性日照和溫室條件的不確定性,這意味著種植者無法確定植物是否接收到足夠的光線。 透過使用測光錶和感測器進行測量可以解決這項挑戰,種植者可以使用稱為 PAR(光合有效輻射)的單位來測量光子中的光量。 測量結果搭配人工照明即可以彌補不足。

 

植物生長室由台灣海博特提供

量子感測器 – 基礎設備

室內農業中最基礎的光測量設備是量子感測器,這是一個帶有電線且尺寸如同拇指般大小的圓柱形設備。 農夫可以輕鬆地在整個溫室中安裝這些感測器來收集光源的數據,它們的價格相對便宜(50至100美元)。 此外,它們的設計堅固且耐用,能夠在潮濕的農業環境中承受濕氣。

量子感測器

拇指大小般的量子感測器

但是,量子感測器沒有顯示器供使用者查看,而且無法單獨使用它來收集數據。 相反地,它們需要連接到可以接收和存儲資訊的中央處理器以利後續分析。 您可以使用常規的電線或者網路線建立連結。

使用這些感測器的目的是識別出光源不足的栽種區域。 當您發現日照不足時,即可利用人工照明來補足這些區域,確保一致的植物品質、形狀和大小。

量子感應器在農場的設置 (點擊放大)

量子檢測器 – 測量、檢視和存儲

量子檢測計是一種手持設備,可計算光子 (PAR)、儲存數據並且將其顯示於單色螢幕上。 它可內建量子感測器或者可以連接感測器。 這些設備的價格根據品質、規格和功能的不同,可以在150美元至500美元或更高之間。 通常種植者會使用這些設備抽查室內設施的照明。

雖然量子檢測設備的主體並不防水,但是,量子檢測器可以連接防水的量子感測器,它可以有效地放置於垂直農業的擱板下方或者頂篷的下方,而這些地方通常會存在濕氣或水滴。

量子檢測器外接量子感測器

光譜式植物照明檢測計 – 看見光的顏色

光譜式植物照明檢測器幾乎可以執行量子檢測器/感測器的所有功能。 其關鍵的區別在於光譜式的檢測器可以產生光譜圖(見圖2)。

簡單來說,”光譜” 檢測計能夠取得白色光並且區分出其中的所有顏色。 這個功能是通過使用精密的衍射光柵技術而實現的,因此,這類設備的成本相對較高,通常高達數千美元。

農業研究人員和高階植物栽種者認為光譜式的檢測設備是必不可少的。 他們不僅測量光子的數量,而且還利用有關光色的信息以發揮光源的優勢,協助植物在各方面的生長。

PG200N 手持式植物照明檢測計

光譜式植物檢測計(圖1)

光譜圖(圖2)

CIE 1976(圖3)

光色在光合作用中的重要性

光合作用的過程中仰賴著光源中不同顏色的光子。 光合作用的波長(顏色)圖(圖4)表明植物對藍色和紅色光源有更加敏感。 如果您使用的光源沒有發出這些光色的足夠強度,這將會減少對植物的影響。 然而,量子檢測計無法同步評估光色,因為它們只計算光子而無法感知光的顏色。

(圖4)光合作用和波長靈敏度圖表

(圖5) 光合作用與光譜同步 (點擊放大)

不同的植物對不同的光色有不同的反應

圖4 中的圖表提供了光色和光合作用之間相互作用的基礎代表。 然而,光合作用這個機制已經發展了數千年和數百萬年,植物已經以不同的方式進化以適應不同的光色。

  • 有許多不同類型的光敏細胞,它們對不同的光色有不同的反應。
  • 一些植物生長在其他樹棚底下已經適應了使用穿透葉子的少量綠光和紅光(遠紅)。
  • 藍光會觸發莖伸長是常見的事
  • 眾所周知,紅光會影響水果的風味和種子的發芽
  • 植物對不同色調的紅色做出反應,以觸發季節性開花和結果

這些只是種植者和研究人員使用光譜式檢測設備的一些原因,主要是用來揭開植物進化的秘密並取得優勢。..

圖片由台灣海博特提供

光譜式植物檢測計的實際用途

研究光和植物相互作用的研究人員正在使用光譜式植物檢測計來發現室內農業的新策略

動態 LED 照明 – 調整光色的優勢

過去,室內農業的照明僅限於預設的光色(例如5000K)。 然而,配有紅色、綠色和藍色排列的光源和電路板的現代 LED 燈具,允許使用者對不同的光色配置進行程式設計。

這種被稱為動態LED照明的進步,它能夠進行策略性地控制不同溫室區域的光色,進而操縱植物的生長,包括伸長莖部、植物的橫向生長和其他植物形態(見下面的PSS)。 光譜式的檢測儀器成為驗證這些燈的品質和數量的重要工具。

 

圖片來源 Anthony Roberts on Unsplash

光形態發生 – 圖片來源 Al Gracian, www.albopepper.com

光敏素光穩定狀態指標 (PSS) – 用光色控制季節

一般來說,農民受制於季節性的日照和氣候模式。 因此,要使紅玫瑰在情人節前夕即時開花,這可能是一項具有挑戰性且令人擔憂的事。

在溫室環境中很容易控制溫度和氣候,但光的顏色也在從種子到植物再到花朵的季節性變化中發揮作用(光形態發生)。

隨著季節的變化,太陽以不同的比例發出紅色光和遠紅外光色,藉此以觸發植物的變化。 現在,種植者正在利用這些知識來模擬季節的變化,通過即時操縱紅光和遠紅外光發揮優勢。

具有PSS指標(光敏素光穩定狀態)的光譜式植物檢測器可以管理此類的問題。

點擊此處閱讀有關 PSS 的資訊

 

紅光至遠紅外光與光形態發生

全光譜與藍紅光譜 – 節約能源

全光譜和藍紅光譜植物生長燈之間的爭論仍舊進行中。 然而,據估計,藍紅光譜生長照明可以節省約10%的能源成本,這對於量產營運者來說有著重要的價值。

種植者使用光譜儀來確保這些窄光譜生長燈與峰值光合作用靈敏度能夠完美的同步進行,從而優化使用瓦數的產量。

藍紅光源

全光譜照明

LED 光色不會永遠持續下去 – 光色偏移

有些人認為,只要點亮LED燈,它就會發揮作用。 然而,由於電和熱對 LED 材料的影響,LED 燈具的顏色品質會隨著時間的推移而下降。 LED發射的光子逐漸失去能量,導致光譜移動到較長的波長,光色因此而偏移。

這個轉變的時間大多取決於使用率和LED的品質。 使用不合格材料且散熱差的燈具往往會以更快的速度老化。 儘管如此,很難準確地確認這種轉變何時開始發生。 因此,採用光譜式檢測設備可以監測 LED 色偏的問題。

 

圖片來源 Vlad Chețan: https://www.pexels.com/photo/rainbow-across-the-road-during-daytije-2279334/

購買您的燈具 – 並非所有 LED 都是一樣的

您今天擁有的 4000K LED 燈不一定與您明天購買的 4000K LED 燈相同。 LED 燈具的製造過程很複雜,儘管公司努力實現光色的一致性,但他們只能提供有保證的相對色溫,它代表著一個範圍的光色,而不是一個精確的顏色。 即使您從同一個製造商購買了10盞 LED 燈,然後在六個月後又購買了另外10盞相同的燈,它們的光色也可能會出現輕微變化。

這突顯了使用光譜設備的重要性——您可以在購買前檢查燈具,以確保它們符合您的要求。

圖片來源 Evan Smogor on Unsplash

量子檢測器和感測器看不到光色。 光譜式檢測計可以!

研究人員已經認識到,用人工照明種植植物不僅僅涉及計算光子;它涵蓋了所有顏色的光譜。 這個理解現在已運用到了室內農業,使種植者能夠取得照明方面的專業知識。 他們使用光譜式植物檢測器來發揮不同光色的優勢,提高植物產量,節約資源,並在購買照明時做出明智的選擇。

雖然量子檢測計/感測器只計算光子而不能感知光色,但是,光譜式檢測計可以執行這兩種功能。

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