摘  要： 簡要分析了現有井下照明系統，提出了光纖照明應用于井下的理論，給出了系統的總體構成及部分原理，最后經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）污染環境。在國家節能減排的號召下，為響應國家“十二五”規劃，提高井下照明質量及井下安全，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，照明系統上電后，光源發光，為井下正常工作提供亮光。

　　白熾燈發光原理：利用物體受熱發光原理和熱輻射原理實現，當給燈絲導通足夠的電流時，燈絲發熱至白熾狀態就會發出亮光。其缺點是：易碎、效率低、壽命短。

　　熒光燈發光原理：燈管內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出紫外線使涂在管壁上的熒光粉發出柔和的可見光。其缺點是：易碎，散出的汞蒸氣污染環境等。

　　LED燈發光原理：LED是半導體發光器件，電子和空穴結合時會釋放能量，一部分能量以光能的形式散發出來。其缺點是：低壓直流供電，需要設計專門的驅動電源，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 光纖照明系統的設計

　　井下光纖照明系統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發光體[6-8]。

　　2.1 采光裝置工作原理[6]

　　自動跟蹤系統主要包括太陽光跟蹤傳感器、跟蹤控制電路、機械傳動機構和驅動電機。太陽光跟蹤傳感器探測太陽位置并傳遞給跟蹤控制電路，控制器發出命令指揮驅動電路工作，通過控制電機的旋轉帶動采光器轉動，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

　　光敏電阻在周圍環境光變亮時，內電阻會下降。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。

　　追蹤傳感器主要經由4顆特性相近光敏電阻構成，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，系統會依據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動電機雖然在角度的轉動上能獨立運作，沒有耦合上的困擾，但是在轉動慣量的問題上，是無可避免的，一定會有非線性的現象存在（這是立體轉動機構共有的問題）。因此，采用閉環回路的方式控制電機的旋轉。在轉動慣量的控制上，雖然有非線性的現象存在，但是太陽追蹤裝置所要求的轉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，可以使得系統的控制機制有很大的可調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，控制電機的旋轉及其旋轉方向，以確保采光裝置始終正對太陽光，使采光效率最大。圖4為電機驅動程序流程圖。

3 節能及安全分析

　　傳統燈具發光效率低，大都小于80 lm/W，而且會產生污染，危害人及其他生命的生存，例如：一只普通的節能燈含有大約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，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，安全經濟、可靠且能很好地滿足照明需求。太陽光采光系統數據如表1[7]所示。

4 結論

　　將光纖照明應用于井下照明，不但能夠節約大量的能源，符合國家節能減排的號召，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進度的事情的發生，更能有效地減少因電火花引發的瓦斯爆炸等威脅井下人員安全的事故的發生。光纖照明在礦井中的應用是時代發展的需要，但是由于現有的技術原因，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

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　　[2] 魏幼平，岳云濤，郭永生.煤礦井下中照明節能策略的探討[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研究[J].中國工程科學，2002，4（9）：63-68.

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　　[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在基于光纖傳輸的照明系統中的應用[J].光學儀器，2010，32（3）：49-54.