摘  要： 簡要分析了現(xiàn)有井下照明系統(tǒng)，提出了光纖照明應(yīng)用于井下的理論，給出了系統(tǒng)的總體構(gòu)成及部分原理，最后經(jīng)過實(shí)驗(yàn)分析驗(yàn)證了本研究的可行性。

　　關(guān)鍵詞： 光纖；照明；單片機(jī)

0 引言

　　目前用于井下照明的光源大都是電致發(fā)光器件，這些器件存在以下問題：（1）使用壽命短；（2）安全性低，為光源提供能量的電能常常會(huì)帶來電磁干擾，影響井下通信的質(zhì)量，電火花也是導(dǎo)致瓦斯爆炸的重要因素；（3）效率低；（4）污染環(huán)境。在國家節(jié)能減排的號(hào)召下，為響應(yīng)國家“十二五”規(guī)劃，提高井下照明質(zhì)量及井下安全，本文提出了壽命長、安全性能好、效率高、無污染的綠色照明光源——光纖照明。隨著新技術(shù)的發(fā)展，光纖照明被逐漸應(yīng)用于各種場所。光纖照明的主要材料光纖是由石英等組成的，取材便利，我國具有大量的資源[1]。

1 井下照明的發(fā)展[2-4]

　　一直以來用于井下照明的光源都是由電提供的，照明系統(tǒng)上電后，光源發(fā)光，為井下正常工作提供亮光。

　　白熾燈發(fā)光原理：利用物體受熱發(fā)光原理和熱輻射原理實(shí)現(xiàn)，當(dāng)給燈絲導(dǎo)通足夠的電流時(shí)，燈絲發(fā)熱至白熾狀態(tài)就會(huì)發(fā)出亮光。其缺點(diǎn)是：易碎、效率低、壽命短。

　　熒光燈發(fā)光原理：燈管內(nèi)充有少量的惰性氣體和汞蒸氣，兩個(gè)燈絲之間的氣體導(dǎo)電時(shí)發(fā)出紫外線使涂在管壁上的熒光粉發(fā)出柔和的可見光。其缺點(diǎn)是：易碎，散出的汞蒸氣污染環(huán)境等。

　　LED燈發(fā)光原理：LED是半導(dǎo)體發(fā)光器件，電子和空穴結(jié)合時(shí)會(huì)釋放能量，一部分能量以光能的形式散發(fā)出來。其缺點(diǎn)是：低壓直流供電，需要設(shè)計(jì)專門的驅(qū)動(dòng)電源，使用壽命受電源影響。

　　光纖照明：光纖照明是以光纖為媒介，直接利用太陽能進(jìn)行照明的照明裝置。

2 光纖照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

　　井下光纖照明系統(tǒng)主要由全自動(dòng)太陽能采光裝置、聚光裝置、濾色片及光纖組成[5]，如圖1所示，其中1是太陽光收集器、2是POF光纖、3是POF發(fā)光體[6-8]。

　　2.1 采光裝置工作原理[6]

　　自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)主要包括太陽光跟蹤傳感器、跟蹤控制電路、機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)。太陽光跟蹤傳感器探測太陽位置并傳遞給跟蹤控制電路，控制器發(fā)出命令指揮驅(qū)動(dòng)電路工作，通過控制電機(jī)的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)采光器轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使采光器始終正對(duì)著太陽光，提高采光效率。采光裝置工作原理如圖2所示。

     2.2 太陽光跟蹤裝置設(shè)計(jì)原理

　　光敏電阻在周圍環(huán)境光變亮?xí)r，內(nèi)電阻會(huì)下降。光敏電阻對(duì)于光的敏感性（即光譜特性）在0.4~0.8 mm與太陽光的可見光范圍波長0.38~0.76 mm的響應(yīng)很接近，光敏電阻敏感度范圍如圖3所示。

　　追蹤傳感器主要經(jīng)由4顆特性相近光敏電阻構(gòu)成，負(fù)責(zé)偵測東、西、南、北4個(gè)方向的光源強(qiáng)度，于各方向均有一個(gè)光敏電阻，并以45°角朝向光源處，并將該方向設(shè)置基座以將該方向以外的光線隔離，以達(dá)到快速判別太陽位置的廣角式搜索。4個(gè)傳感器分為兩組，一組是兩個(gè)光敏電阻作為東西向的傳感器，用以比較東西向受光強(qiáng)度的差異。當(dāng)東西向的傳感器接受到的光源強(qiáng)度不一致時(shí)，系統(tǒng)會(huì)依據(jù)東西向兩傳感器輸出電壓得到信號(hào)判斷哪個(gè)方向的受光較強(qiáng)，并且驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)朝向該方向前進(jìn)，當(dāng)東西向傳感器輸出值相等時(shí)，則輸出的差值為零、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電壓亦為零，即追蹤到太陽目前的位置。另一組的南北向傳感器亦是相似的原理，用來追蹤太陽在南北向的位置。太陽追蹤裝置的兩個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)雖然在角度的轉(zhuǎn)動(dòng)上能獨(dú)立運(yùn)作，沒有耦合上的困擾，但是在轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的問題上，是無可避免的，一定會(huì)有非線性的現(xiàn)象存在（這是立體轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)共有的問題）。因此，采用閉環(huán)回路的方式控制電機(jī)的旋轉(zhuǎn)。在轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的控制上，雖然有非線性的現(xiàn)象存在，但是太陽追蹤裝置所要求的轉(zhuǎn)動(dòng)速度因?yàn)樘栆苿?dòng)緩慢的關(guān)系并不需要太快。所以，采用模糊控制法則足夠用來控制電機(jī)的運(yùn)作，可以使得系統(tǒng)的控制機(jī)制有很大的可調(diào)變性和快速反應(yīng)能力。

　　2.3 全自動(dòng)采光裝置軟件設(shè)計(jì)

　　MCU依據(jù)檢測到的光敏電阻端電壓的變化輸出相應(yīng)的控制信號(hào)，控制電機(jī)的旋轉(zhuǎn)及其旋轉(zhuǎn)方向，以確保采光裝置始終正對(duì)太陽光，使采光效率最大。圖4為電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序流程圖。

3 節(jié)能及安全分析

　　傳統(tǒng)燈具發(fā)光效率低，大都小于80 lm/W，而且會(huì)產(chǎn)生污染，危害人及其他生命的生存，例如：一只普通的節(jié)能燈含有大約5 mg的汞，5 mg的汞滲入地下后卻能污染1 800 t水，汞常溫下即可蒸發(fā)，人體一次吸收的汞蒸氣達(dá)到25 mg就會(huì)死亡[1，6，9]。雖然新型光源LED的光效相對(duì)提高了不少，但是由于受電解電容的使用壽命以及驅(qū)動(dòng)電源技術(shù)的限制，使用效果并不理想[8]。將太陽光直接引到井下進(jìn)行照明，安全經(jīng)濟(jì)、可靠且能很好地滿足照明需求。太陽光采光系統(tǒng)數(shù)據(jù)如表1[7]所示。

4 結(jié)論

　　將光纖照明應(yīng)用于井下照明，不但能夠節(jié)約大量的能源，符合國家節(jié)能減排的號(hào)召，而且能夠大幅度減少因電磁干擾造成的通信故障等影響生產(chǎn)進(jìn)度的事情的發(fā)生，更能有效地減少因電火花引發(fā)的瓦斯爆炸等威脅井下人員安全的事故的發(fā)生。光纖照明在礦井中的應(yīng)用是時(shí)代發(fā)展的需要，但是由于現(xiàn)有的技術(shù)原因，還不能很好地解決聚光裝置的散熱問題，這將是下一步的研究方向。

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