一、人工气候箱的环境监测指标与传感器配套需求

人工气候箱通常需要精准感知以下几类环境变量：

1. 温度：箱体整体温度、局部温度差异；

2. 相对湿度：空气中水汽含量的检测；

3. 光照强度与光谱成分：植物光合有效辐射；

4. CO₂浓度：影响光合作用与呼吸代谢；

5. O₂浓度（部分高端型号）；

6. 气流风速与风向：调控空气对流；

7. 土壤或基质温湿度（可选项）；

8. 压力、露点、蒸汽压等高级环境参数。

为了实时获取并反馈这些参数，人工气候箱通常内嵌或外挂多种精密传感器，以构建完整的环境监测体系。

二、人工气候箱常用传感器类型与原理解析

1. 温度传感器

常见类型：

• 热电阻（RTD，如Pt100、Pt1000）；

• 热敏电阻（NTC、PTC）；

• 热电偶（K型、T型）；

• 数字温度传感器（如DS18B20）。

原理与特点：

• RTD：电阻随温度变化线性上升，精度高，适合长期监测；

• NTC/PTC：成本低，但非线性，适用于辅助测温；

• 热电偶：响应快，适用于高温环境或变温实验；

• 数字型：具备信号处理模块，通信简便，适用于多点测温网络。

作用：

• 监测箱体空气温度、灯具散热温度；

• 控制加热/制冷模块启动；

• 判断温度分布均匀性，保障实验一致性。

2. 相对湿度传感器

常见类型：

• 电容式湿度传感器（如SHT系列）；

• 电阻式湿度传感器；

• 露点传感器（用于精密湿度控制）。

原理与特点：

• 电容式通过感应层电容变化反映湿度变化；

• 集成温湿度一体化芯片，抗干扰能力强；

• 精度范围：±2%~±5%RH，响应时间快。

作用：

• 控制加湿器与除湿器的运行；

• 模拟季节性湿度变化（如旱季/雨季）；

• 配合温度传感器计算绝对湿度、露点等二次参数。

3. 光照传感器

常见类型：

• 照度传感器（Lux计）；

• 光合有效辐射（PAR）传感器；

• 光谱传感器（检测特定波段：蓝光、红光、远红）。

原理与特点：

• 硅光电二极管接收不同波长光线并转化为电流；

• PAR传感器专用于400~700 nm的光合作用活跃区；

• 高端设备可监测光强、光周期与光谱分布。

作用：

• 实时反馈灯具输出是否达标；

• 调节不同植物所需的光谱配比；

• 控制日照模拟程序（如日出日落循环）。

4. 二氧化碳浓度传感器

常见类型：

• 红外NDIR传感器（非分散红外）；

• 固态电化学CO₂传感器（少见）。

原理与特点：

• NDIR传感器通过特定波长红外线吸收强度变化计算CO₂浓度；

• 精度高、响应快、可长期使用；

• 常见测量范围：0~2000 ppm，部分可扩展至5000 ppm。

作用：

• 控制CO₂施加泵与排气风机；

• 研究植物光合作用效率与CO₂响应；

• 模拟工业污染、大气变化等特殊气候场景。

5. 氧气浓度传感器（部分设备配置）

常见类型：

• 电化学式O₂传感器；

• 氧化锆O₂检测模块（高精度应用）。

原理与特点：

• 检测O₂扩散引发的电化学反应电流，反映浓度；

• 稳定性与响应时间略弱于CO₂传感器；

• 常用于密闭系统或厌氧研究场景。

作用：

• 控制通风换气频率；

• 模拟不同海拔或密闭环境下生物反应；

• 配合呼吸速率监测用于代谢研究。

6. 风速与风向传感器

常见类型：

• 热膜式风速计；

• 叶轮式风速仪；

• 超声波流速计（高端型号）。

原理与特点：

• 热膜式通过检测风冷效应变化推算风速；

• 叶轮式依靠机械转速换算风速，结构简单；

• 超声波方式精度高，可同时监测风向与湍流。

作用：

• 控制风扇运转，调节空气流通速率；

• 保证气体混合均匀；

• 避免局部高温/低湿区形成。

7. 土壤或基质温湿度传感器（可选项）

常见类型：

• 三合一土壤传感器（温度+湿度+EC）；

• 电阻式或电容式土壤水分探针。

原理与特点：

• 电极接触基质后，通过介电常数或导电率推算水分含量；

• 通常配套植物栽培实验使用；

• 可实现自动灌溉系统联动控制。

作用：

• 监控根系区微环境；

• 研究土壤-植物水分传导机制；

• 避免基质过干或积水，提升实验一致性。

三、传感器的空间布局与数据系统集成

空间布局原则：

1. 代表性：传感器安装应覆盖箱体上下、中前后关键区域；

2. 避开干扰：应远离加热器、出风口、灯具热源等区域；

3. 重复布置：高端设备中一个指标可能设置2~4个传感器，增强空间代表性；

4. 模块化安装：便于后期更换与升级。

数据系统集成：

• 所有传感器接入PLC、嵌入式控制器或工业电脑；

• 通过MODBUS、I2C、CAN等通信协议上传数据；

• 系统自动分析偏差并调控执行器（如加热器、风扇、CO₂泵等）；

• 支持远程访问、历史记录下载与报警系统联动。

四、传感器的维护与校准机制

维护策略：

• 定期清洁传感器表面，防止灰尘、油脂或水汽覆盖；

• 湿度与气体传感器避免长时间暴露在极端条件下；

• 光照传感器避免被植物或支架遮挡。

校准建议：

• 温湿度传感器建议每6~12个月校准一次；

• CO₂传感器定期使用标准气体校准；

• 光照传感器配合专业光源进行多点对比；

• 校准记录需形成数据档案，便于实验追溯。

五、未来趋势：智能传感与感知网络化

1. 无线传感器网络（WSN）：支持蓝牙、Wi-Fi通信，减少布线复杂性；

2. AI识别+感应融合：图像识别+环境数据融合判断植物状态；

3. 微型/可穿戴传感器：植入土壤或直接贴附在叶片上，获取精准数据；

4. 自诊断传感器：具备自清洁、自校准、自检测功能；

5. 多参数复合芯片：一颗芯片同时输出温度、湿度、光照等多个指标，提升集成度。

结语

人工气候箱的核心竞争力之一，正是其多类型、高精度、网络化的传感器系统。从最基础的温湿度传感器，到高端的光谱与气体分析模块，这些“环境探测器”共同构建起一个实时监控、智能调节、数据可追溯的闭环系统。它们不仅保障了实验的精度与可靠性，更使得人工气候箱从单一控制设备演变为智能生态模拟平台。

随着新材料、物联网与人工智能的融合发展，未来的传感器系统将更小巧、更精准、更智能，也将为生态科学、生命科学与农业科技打开更广阔的实验空间。