《Sensors and Actuators A: Physical》：Sensor evaluation for leaf temperature within a minimally invasive leaf cuvette
在植物生理学研究中，叶片表面温度是衡量植物生理活动变化的重要指标，它不仅反映了蒸腾冷却等关键过程，还体现了叶片与空气温度及辐射之间的相互作用。在森林生态系统中，精确的叶片温度监测对于评估树木对气候变化的适应性以及检测水分胁迫具有重要意义。近年来，全球气候变化导致了频繁的热干旱现象，这种极端天气条件可能使植物接近其热极限，从而引发叶片灼伤等生理问题。然而，长期且对植物影响最小的叶片温度监测仍然是一个技术挑战。
本研究评估了市面上多种温度传感器的适用性，以测量叶片温度。这些传感器包括接触式传感器，如热电偶和半导体传感器，以及非接触式红外传感器。其中，接触式传感器的难点在于如何建立与叶片表面的稳定且可靠的连接，这对准确和一致的测量至关重要。研究还对这些传感器在不同环境条件下的响应时间、测量精度和可靠性进行了评估。
这些叶片温度传感器类型被比较用于需要精确叶片温度数据的测量系统中，例如ECOvette，这是一种设计用于在户外条件下测量叶片气体交换的非侵入式叶片气室。ECOvette还能够跟踪整个叶片生命周期中的环境参数，如叶片温度。研究结果表明，特别是基于半导体的设备，能够提供快速且稳定的温度读数。这些发现有助于改善自然和管理生态系统中长期的叶片监测，为气候研究提供有价值的参考。
在自然生态系统中，植物的生理调节在热干旱条件下变得尤为关键。热干旱是指同时出现高温度和水分短缺的时期，这种现象日益威胁植物的生存和生态系统的正常运作。在热干旱事件中，植物关闭气孔以减少水分流失，这会导致气孔导度和光合作用的急剧下降。然而，即使气孔关闭，叶片仍会通过残留导度继续失去水分。这种残留水分流失随着温度升高而增加，甚至在25 °C至50 °C之间可能增加到原来的四倍。一旦植物特定类型的叶片超过了其相变温度，残留水分流失可能会显著增加，从而提高组织脱水和水力失衡的风险。因此，可靠的、高分辨率的叶片温度测量对于在极端高温条件下检测这些关键的生理阈值至关重要。
目前，测量叶片温度的方法涉及多种技术。一种常见方法是使用接触式传感器，如热电偶，它们直接接触叶片以测量温度。热电偶因其简单、耐用和成本效益而被广泛使用，使其适用于许多应用场景。然而，其准确性可能受到与叶片表面接触质量的限制，并且需要良好的热耦合，这在野外有时难以实现。热电偶，尤其是K型和T型，因其广泛的温度范围和坚固性而被广泛用于各种温度测量应用。它们相对较快的响应时间和对环境因素如湿度的抵抗力，使其适合于在发生快速温度波动的野外研究。
将热电偶物理集成到叶片监测系统中也带来了额外的挑战。为了测量实际的叶片温度，而不是环境温度，接触式传感器必须与叶片表面保持一致和稳定的接触。对于热电偶而言，这意味着使用极细的导线和焊接点，以最小化机械应力和热阻。然而，这种配置在机械上较为脆弱，容易随着时间推移发生位移。焊接点还必须光滑和圆润，以避免刺穿叶片组织。如果无法保持连续接触，可能会记录空气温度而非叶片温度。这些挑战凸显了在系统中谨慎机械集成传感器的重要性，尤其是在长期应用中。
基于半导体的传感器通常比热电偶具有更高的灵敏度和更快的响应时间，使得它们能够提供更精确和动态的测量。然而，它们往往更加脆弱，并且对环境条件如湿度和极端温度更为敏感。基于半导体的传感器通常需要特殊的安装技术或接口材料，以在不损害叶片的情况下实现足够的热耦合。
另一组接触式传感器包括热阻温度传感器，如Pt100电阻温度计。这些设备适用于各种环境条件，因其在广泛温度范围内的高精度和稳定性而受到重视。然而，它们需要直接接触叶片表面，这可能干扰叶片功能和形态。特别是在实现足够的热接触而不覆盖气孔方面存在困难，因为商用Pt100传感器相对较大且刚性较强。此外，外部因素如湿度和空气流动可能会引入变异性，降低测量的可靠性，尤其是在动态的户外环境中。
NTC热敏电阻是一种电阻温度检测（RTD）传感器，具有负温度系数，以其在低温范围内的高灵敏度而著称。它们被广泛用于需要低成本和快速响应温度检测的应用。然而，它们的非线性电阻-温度特性、相对较窄的工作范围以及对自加热效应的敏感性可能会限制其精度和稳定性，尤其是在环境条件波动较大的情况下，如野外植物测量。
此外，还有非接触式方法，如红外传感器和热成像仪，这些技术可以进行空间温度分布的测量和分析。非接触式方法避免了对叶片的物理干扰，使得测量更加自然，而热成像仪可以提供大面积的温度模式。然而，这些技术可能受到环境因素如环境温度、湿度和叶片发射率的影响，这可能会降低测量的准确性。在户外环境中，如森林，红外传感器的一个实际挑战是其镜头可能被花粉、灰尘或污垢污染。这种污染会降低传感器的灵敏度和准确性，意味着红外传感器需要定期清洁和维护以确保可靠的测量。红外热成像提供了整个叶片或树冠的温度分布信息，对于识别局部高温区域或生理胁迫反应非常有用。虽然信息丰富，但这种方法成本较高，需要专门的设备和专业知识才能正确解释。它通常不被视为叶片接触方法，因此不太适合需要在叶片表面进行直接点式温度测量的应用。非接触式传感器还必须放置在精确的距离和角度，以确保准确的读数，并且需要一个清晰的光学路径，不受灰尘、污垢或湿度的影响。
此外，还可以使用建模方法来估算叶片温度，这种方法基于气象和生理参数模拟叶片的能量平衡。这些模型有助于预测叶片对环境变化的温度响应，并在气候影响研究中具有价值。然而，其准确性依赖于高质量的输入数据和假设，如果这些假设有误，可能会导致显著的误差。
商用设备如LI-6800（LI-COR）和WALZ的GFS-3000（Standard Measuring Head 3010-S）使用热电偶来测量叶片温度，其报道的精度在±0.2 °C到±0.5 °C之间。这些系统在植物生理学研究中被广泛使用，因为它们可以测量气体交换参数并结合叶片温度。它们倾向于使用热电偶，因为其坚固性、成本效益和在紧密耦合测量室中的集成简易性，其中物理接触容易控制。在实践中，用户往往欣赏能够手动弯曲伸出的热电偶导线以接触叶片，这允许灵活的定位。然而，这种方法需要谨慎，因为相对坚硬的导线可能会损坏脆弱的叶片组织，甚至在未正确对齐的情况下刺穿表皮。同样，大多数用于叶绿素荧光测量的商用PAM荧光计也配备了热电偶用于监测叶片温度。在受控条件下，准确性和可靠性使得热电偶成为商业科学仪器中的实用选择。尽管商业系统通常依赖热电偶以实现坚固性和易于集成，但它们的机械限制和可能对叶片造成损伤，限制了其在长期野外部署中的适用性。这促使我们探索具有改进灵活性和稳定性的替代传感器，如安装在柔性基板上的半导体数字传感器，它们可以在不损坏叶片表面的情况下保持紧密、稳定的接触。
尽管有多种传感器技术可用于测量叶片温度，但在野外部署时仍存在显著的实践挑战。接触式传感器如热电偶往往因机械刚性而可能损坏脆弱的叶片组织，如果未小心定位。在可变环境因素如风和叶片运动下保持稳定的热接触是具有挑战性的，这可能会影响测量的准确性。非接触式红外传感器需要精确的对准和未受阻碍的光学路径，这在自然、多尘或潮湿环境中往往难以保证，而且光学元件会随着时间推移变得污损。这些限制降低了在生态研究中长期、非侵入式温度监测的可靠性。
本文旨在将一种非侵入式温度传感器集成到我们的ECOvette系统中。ECOvette是一种气体采样室，设计用于对植物进行连续、非侵入式测量气体通量，包括挥发性有机化合物（VOCs）、二氧化碳和痕量水分蒸气。它旨在在自然生态系统中长期使用，同时确保对叶片的最小影响。然而，需要注意的是，封闭的气室可能由于微气候条件的改变而影响叶片温度，这种现象被称为“气室诱导的温度偏差”。在将叶片温度传感器集成到气室系统时，必须考虑这些潜在的偏差。
ECOvette由一个轻质的半球形胶囊（聚对苯二甲酸乙二醇酯，PETG）组成，其上设有水平布置的进气口和出气口，以及一个用于均匀分布空气的中央流动引导盘。一个柔软、透明的硅胶（Ecoflex 00-20）密封定义了一个4.5 cm2的测量区域，并保护叶片的叶脉免受压力影响。1 μm的Parylene C涂层确保了惰性。ECOvette通过两个钕铁硼环形磁铁固定在叶片上，上部磁铁配有硅胶缓冲层以减少遮挡并允许侧向光线传输。整个设备重量为6克，并优化用于长期、非侵入式监测。
该系统提供了连续的实时测量，包括空气温度和湿度等环境条件，当连接到分析仪时，可以测量气体交换。在选择传感器时，必须考虑它们在不同环境条件下的性能，以确保在自然生态系统中可靠地测量叶片温度。传感器可以分为两种类型，基于其输出信号：模拟和数字。模拟传感器需要外部的模拟-数字转换器（ADC），这会增加整个系统的重量和复杂性，可能成为在叶片或枝条等精细结构上安装的缺点。数字传感器则集成了ADC，能够将模拟测量信号直接转换为数字输出信号。这种集成降低了整体系统复杂性，并有助于减少重量和体积——这是在移动或叶片安装应用中的明显优势。
本研究中选择的传感器包括红外传感器（MLX90614，来自Melexis）、热电偶（K型，来自PEAKTEK）、自焊的细丝热电偶T型、电阻温度检测器（Pt100，来自RS PRO）、热敏电阻（NTC，来自TE Connectivity）以及两个基于半导体的传感器（TMP117，来自Texas Instruments和SHT45，来自Sensirion），代表了不同的传感技术及其特定的优势和限制。
TMP117和SHT45是高精度、基于半导体的数字温度传感器，设计用于需要高精度和长期稳定性的环境。根据数据手册，SHT45是本研究中精度最高的传感器，在-20 °C到60 °C范围内提供±0.1 °C的精度。TMP117在-20 °C到50 °C范围内达到类似的精度±0.1 °C。
在自然生态系统中，为了评估传感器的性能，需要考虑它们在不同环境条件下的精度、响应时间和固定稳定性。主要目标是识别最适合检测叶片关键温度阈值的传感器，特别是在热干旱条件下，以提高对植物胁迫反应和生存的理解。
为了确保这些数字传感器与叶片表面的可靠热接触，TMP117和SHT45的传感器垫上应用了焊点（
Fig. 3）。这个焊点创建了一个小而圆润的界面，结合FlexPCB形成一个柔软的弹簧，使传感器对叶片施加温和而持续的压力，而不会造成损伤。这种设置使传感器保持稳定接触，适应叶片的不规则表面，从而实现准确的温度测量。
焊点由ISO焊料合金713（Sn95.5Ag3.8Cu0.7，也称为SAC387）制成，其在室温下的热导率约为60 W/mK。然而，热传导的主要限制并不是焊料本身的热导率，而是焊料与叶片之间的热接触电阻。由于叶片表面的微观粗糙度，可能会产生微小的空气夹层，而空气的热导率非常低（0.026 W/mK），即使微小的间隙也会显著阻碍热流。FlexPCB通过轻轻增加接触压力来减少这些间隙。
选择焊点而不是其他材料如热膏或导电胶，因为这些材料不惰性，可能会堵塞气孔，并且会随着时间的推移被叶片吸收或扩散，可能影响叶片功能和传感器寿命。此外，平热垫无法确保与不规则叶片表面的可靠全区域接触。
为了确定在野外条件下的相对温度变化，所有传感器应与一个监测环境温度的参考传感器并行测量。在这方面，数字传感器——特别是基于半导体的传感器——具有优势，因为它们可以通过I2C接口在共享的线上寻址。它们也对噪声不那么敏感，并且在更广的范围内提供更高的精度。
在温度曲线中，一个明显的峰值出现在所有天数中，除了第一天。这一现象归因于当从夜间设置切换到白天设置时，气候室的短时温度过冲。这种过冲是由于气候室的控制算法，该算法在初始阶段供应过多热量以更快地达到新的白天设定点。这一效果不仅在叶片安装的传感器上可见，也在环境参考传感器（黑色曲线）上可见，确认其来源于环境控制系统，而不是叶片-传感器界面。第一天没有过冲的现象与夜间和白天设定点之间的最小差异相吻合，支持过冲幅度取决于温度变化的大小。
对2025年SHT45部署（
Fig. 9B），传感器被放置在类似的位置，得益于PCB基板的机械灵活性。这种配置维持了与叶片表面的稳定热耦合。温度读数在六周内保持一致，没有发现漂移或退化，除了由停电引起的三天数据空白。
在热电偶部署中，传感器被放置在叶片的背面，焊接点提供温和的压力以确保一致的热接触。0.75 mm2的接触面积，仅占总测量面积的0.12%，最大限度地减少了可能影响叶片生理的机械效应。然而，操作并不方便，因为热电偶必须手动弯曲以接触每片叶子，这在叶片之间引入了施加压力的微小变化。在整个测量期间没有观察到明显的压力痕迹或组织损伤，强调了对叶片的生理影响微乎其微。
在2025年的SHT45部署中，传感器被放置在类似的位置，得益于PCB基板的机械灵活性。这种配置维持了与叶片表面的稳定热耦合。温度读数在六周内保持一致，没有发现漂移或退化，除了由停电引起的三天数据空白。
在两年中，叶片与环境空气的温度差均处于正常范围。可代表的时期展示了广泛的气象条件，包括晴天、阴天和雨天，风速在2024年达到29 km/h，在2025年达到36 km/h。在两年中，部署均暴露在变化的环境条件中，包括温度波动高达20 °C、强风、高湿度和间歇性降雨。传感器保持连续运行，并在整个实验中提供了稳定的读数。这些长期的野外测试表明，K型热电偶和SHT系列数字传感器都适合在自然条件下进行长期生理监测。然而，如在第2.5节所示，热电偶较大的焊接点导致了混合信号，反映了叶片温度和环境空气温度。在长期的极端空气温度和太阳辐射条件下，这些条件可能已经导致叶片损伤，如日晒伤，传感器接触也可能加速局部叶片损伤。
本研究评估了多种温度传感器类型，用于ECOvette气体交换系统的集成，比较了接触式和非接触式红外方法。所有测试的传感器在稳定条件下表现出相对稳定的性能，但它们在动态和长期户外使用中的适用性存在显著差异。
一个关键发现是传感器头的大小对测量精度至关重要。具有较大接触面积的传感器倾向于捕获叶片和环境空气温度的混合信号。虽然较大的接触面积有助于减少环境空气温度的影响，但较小的表面积-体积比能够更快地响应温度变化。相比之下，小尺寸接触传感器能够更快地响应温度变化，并保持更紧密的与叶片表面的耦合，从而在波动条件下提高时间分辨率和测量保真度。红外传感器是一个例外：作为一种非接触式方法，它仅检测表面温度，并不受直接耦合机械的影响。
基于半导体的数字传感器在响应速度、精度和集成潜力方面表现出色。它们的紧凑尺寸、内置的模拟-数字转换和I2C接口使得可以同时操作多个传感器，而无需额外的电子设备。然而，良好的热耦合需要机械适应，如使用提升或形状的接触垫以确保与叶片表面的稳定接触。
在本研究中，大多数测量是在控制条件下的步行式植物生长室中进行的，以确保所有传感器类型的可重复性和可比性。此外，还进行了互补的长期实验，使用两种选定的传感器（K型热电偶和SHT系列数字传感器）来评估它们在自然波动条件下的性能。这两种类型被选择是因为热电偶在气体交换测量中被广泛使用，而数字传感器虽然不常见，但在受控环境测试中表现出良好的性能。实地部署揭示了目前使用的K型热电偶的主要弱点：其结构较为刚性，通过ECOvette胶囊的布线使其在风暴露下容易受到机械损伤。为了支持长期、非侵入式的测量，需要使用具有更高机械稳定性的替代传感器类型，如安装在柔性PCB上的SHT传感器。
虽然没有进行专门的滞后特性分析，但长期的实验室和实地测试没有显示出系统性的偏移或滞后效应，这表明滞后不太可能显著影响传感器响应。
研究结果支持使用双传感器配置，其中一个是直接接触叶片表面，另一个是测量环境空气温度。这种设置使得可以准确评估生理温度梯度，这对于在自然条件下解释植物胁迫生理至关重要。
综上所述，连续和准确的叶片温度监测对于理解植物在波动环境条件下的生理反应至关重要。本研究系统评估了多种温度传感器类型，特别是它们在长期野外叶片温度监测中的适用性。尽管所有测试的传感器都表现出令人满意的长期稳定性，但在响应时间、对环境干扰的敏感性和机械坚固性方面出现了显著差异。特别是，传感器头的物理尺寸和热耦合对精确的表面温度读数至关重要，因为较大的接触面积更容易整合环境影响。
基于半导体的数字传感器（例如TMP117、SHT45）在精度、响应速度和在轻型野外气室中的集成潜力方面优于大多数接触式传感器。它们的小型化、内置的模拟-数字转换和I2C通信协议允许低重量和可扩展的多传感器系统，适合在叶片级别部署。然而，实现与不规则和敏感叶片表面的可靠热接触需要机械适应，如应用焊点和柔性PCB，以确保长期的非侵入式稳定耦合。
相比之下，传统的热电偶尽管其坚固性和广泛应用，但在轻型叶片气室中的集成却表现出机械灵活性和接触稳定性的局限性，特别是在野外环境中的风暴露下。
基于我们的研究结果，我们建议在未来的野外应用中实施双传感器配置，其中一个传感器直接接触叶片表面，另一个测量环境空气温度。这种设置能够准确评估温度梯度，这对于理解植物胁迫生理至关重要。
与先进的技术相比，开发的ECOvette集成传感器结合了接触式方法的坚固性，并在长期非侵入式部署中提供了改进的机械灵活性。在商业系统如LI-6800和GFS-3000中广泛使用的热电偶仍然高度可靠，但可能会因热电偶必须弯曲以接触叶片而导致接触不稳定，从而在叶片组织上施加不一致的压力。电阻式传感器（如Pt100）提供了高精度，但通常体积较大，不适合对脆弱叶片表面的适应。热敏电阻在低温下提供高灵敏度，但具有有限的操作范围和非线性响应。基于半导体的数字传感器，如TMP117和SHT45，在精度、响应速度和在轻型野外气室中的集成方面优于大多数接触式传感器。然而，它们需要防止湿气侵入。非接触式红外传感器和热成像仪能够在不接触叶片的情况下实现空间分辨率的温度映射，但它们对叶片发射率、污染和观测几何敏感，使其不适合在森林冠层中进行连续的现场点测量。通过解决这些限制，我们的方法为在自然环境变化下实现高分辨率、长期的叶片温度监测提供了一种可行的解决方案。
