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。隨著新技術的發(fā)展，光纖照明被逐漸應用于各種場所。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)變性和快速反應能力。

　　2.3 全自動采光裝置軟件設計

　　MCU依據(jù)檢測到的光敏電阻端電壓的變化輸出相應的控制信號，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用是時代發(fā)展的需要，但是由于現(xiàn)有的技術原因，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

　　[1] 晨春翔.我國煤礦綠色照明技術的發(fā)展探討[J].煤炭科學技術，2007，35（9）：10-14.

　　[2] 魏幼平，岳云濤，郭永生.煤礦井下中照明節(jié)能策略的探討[J].煤炭工程，2009（1）：63-64.

　　[3] 縱建民，許中.新型光源在煤礦井下的應用[J].煤礦機械，2006，27（9）：12-14.

　　[4] 薛曉迪，鄭宏飛，馬燕燕，等.一種新型光纖導光照明系統(tǒng)的性能研究[J].北京理工大學學報，2010，30（11）：1321-1325.

　　[5] 江源.光纖照明發(fā)展史[J].光源與照明，2009（3）：46-48.

　　[6] 張耀明.采集太陽光的照明系統(tǒng)研究[J].中國工程科學，2002，4（9）：63-68.

　　[7] 江源，殷志東.光纖在太陽能系統(tǒng)中的應用[J].激光與光電子學進展，2009（10）：49-56

　　[8] 徐曉星.光纖照明的原理與應用[J].燈與照明，2002，26（5）：29-30，37.

　　[9] 辜長明.LED在基于光纖傳輸?shù)恼彰飨到y(tǒng)中的應用[J].光學儀器，2010，32（3）：49-54.