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)過實驗分析驗證了本研究的可行性。

　　關(guān)鍵詞： 光纖,；照明,；單片機

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帶來電磁干擾，影響井下通信的質(zhì)量,，電火花也是導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現(xiàn),，當給燈絲導通足夠的電流時，燈絲發(fā)熱至白熾狀態(tài)就會發(fā)出亮光,。其缺點是：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,，兩個燈絲之間的氣體導電時發(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是半導體發(fā)光器件，電子和空穴結(jié)合時會釋放能量,，一部分能量以光能的形式散發(fā)出來,。其缺點是：低壓直流供電，需要設(shè)計專門的驅(qū)動電源,，使用壽命受電源影響,。

　　光纖照明：光纖照明是以光纖為媒介，直接利用太陽能進行照明的照明裝置,。

2 光纖照明系統(tǒng)的設(shè)計

　　井下光纖照明系統(tǒng)主要由全自動太陽能采光裝置,、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]

　　自動跟蹤系統(tǒng)主要包括太陽光跟蹤傳感器,、跟蹤控制電路,、機械傳動機構(gòu)和驅(qū)動電機。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)動電路工作,，通過控制電機的旋轉(zhuǎn)帶動采光器轉(zhuǎn)動，從而使采光器始終正對著太陽光,，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)計原理

　　光敏電阻在周圍環(huán)境光變亮時,，內(nèi)電阻會下降,。光敏電阻對于光的敏感性（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,，負責偵測東,、西、南,、北4個方向的光源強度,，于各方向均有一個光敏電阻，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,，以達到快速判別太陽位置的廣角式搜索。4個傳感器分為兩組,，一組是兩個光敏電阻作為東西向的傳感器,，用以比較東西向受光強度的差異。當東西向的傳感器接受到的光源強度不一致時,，系統(tǒng)會依據(jù)東西向兩傳感器輸出電壓得到信號判斷哪個方向的受光較強,，并且驅(qū)動步進電機朝向該方向前進，當東西向傳感器輸出值相等時,，則輸出的差值為零,、電機驅(qū)動電壓亦為零，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驅(qū)動電機雖然在角度的轉(zhuǎn)動上能獨立運作,，沒有耦合上的困擾,，但是在轉(zhuǎn)動慣量的問題上，是無可避免的,，一定會有非線性的現(xiàn)象存在（這是立體轉(zhuǎn)動機構(gòu)共有的問題）,。因此，采用閉環(huán)回路的方式控制電機的旋轉(zhuǎn),。在轉(zhuǎn)動慣量的控制上,，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)動速度因為太陽移動緩慢的關(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的運作，可以使得系統(tǒng)的控制機制有很大的可調(diào)變性和快速反應(yīng)能力,。

　　2.3 全自動采光裝置軟件設(shè)計

　　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,，控制電機的旋轉(zhuǎn)及其旋轉(zhuǎn)方向，以確保采光裝置始終正對太陽光,，使采光效率最大,。圖4為電機驅(qū)動程序流程圖。

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到25 mg就會死亡[1,，6,，9]。雖然新型光源LED的光效相對提高了不少,，但是由于受電解電容的使用壽命以及驅(qū)動電源技術(shù)的限制,，使用效果并不理想[8]。將太陽光直接引到井下進行照明,，安全經(jīng)濟,、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,。

參考文獻

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