光纖照明系統(tǒng)在井下照明的應(yīng)用研究

田紅光，李曉丹（洛陽(yáng)鐵路信息工程學(xué)校，河南 洛陽(yáng) 471900）

光纖照明系統(tǒng)在井下照明的應(yīng)用研究

田紅光，李曉丹
（洛陽(yáng)鐵路信息工程學(xué)校，河南 洛陽(yáng) 471900）

簡(jiǎn)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(guò)實(shí)驗(yàn)分析驗(yàn)證了本研究的可行性。

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(wèn)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(lái)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(guó)家節(jié)能減排的號(hào)召下，為響應(yīng)國(guó)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(zhǎng)、安全性能好、效率高、無(wú)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(chǎng)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(guó)具有大量的資源［1］。

1 井下照明的發(fā)展［2-4］

一直以來(lái)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(jiàn)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(lái)。其缺點(diǎn)是：低壓直流供電，需要設(shè)計(jì)專(zhuān)門(mén)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(yáng)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(yáng)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(yáng)光收集器、2是POF光纖、3是POF發(fā)光體［6-8］。

圖1 井下光纖照明系統(tǒng)

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(yáng)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(yáng)光跟蹤傳感器探測(cè)太陽(yáng)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(guò)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(yáng)光，提高采光效率。采光裝置工作原理如圖2所示。

圖2 裝置工作原理圖

2.2 太陽(yáng)光跟蹤裝置設(shè)計(jì)原理

光敏電阻在周?chē)h(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0.4～0.8mm與太陽(yáng)光的可見(jiàn)光范圍波長(zhǎng)0.38～0.76mm的響應(yīng)很接近，光敏電阻敏感度范圍如圖3所示。

圖3 光敏電阻敏感度范圍

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(cè)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(yáng)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(yáng)目前的位置。另一組的南北向傳感器亦是相似的原理，用來(lái)追蹤太陽(yáng)在南北向的位置。太陽(yáng)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(méi)有耦合上的困擾，但是在轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的問(wèn)題上，是無(wú)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(wèn)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(yáng)追蹤裝置所要求的轉(zhuǎn)動(dòng)速度因?yàn)樘?yáng)移動(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(lái)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(cè)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(yáng)光，使采光效率最大。圖4為電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序流程圖。

圖4 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80lm/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5mg的汞，5mg的汞滲入地下后卻能污染1 800t水，汞常溫下即可蒸發(fā)，人體一次吸收的汞蒸氣達(dá)到25mg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(yáng)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(yáng)光采光系統(tǒng)數(shù)據(jù)如表1［7］所示。

表1 采光系統(tǒng)性能統(tǒng)計(jì)表

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(guó)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(wèn)題，這將是下一步的研究方向。

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［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(yīng)用［J］.煤礦機(jī)械，2006，27（9）：12-14.

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

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Research of fiber optic lighting system application in underground

Tian Hongguang，Li Xiaodan
（Luoyang School of Railway Engineering and Information，Luoyang 471000，China）

This paper gives a brief introduction to the lighting system in underground now and the theory about fiber optic lighting applicated in underground.The structure and principle of the system is presented and the feasibility of this study is verified through experimental analysis.

fiber optic；lighting；MCU

TD625

A

1674-7720（2015）18-0048-02

田紅光，李曉丹.光纖照明系統(tǒng)在井下照明的應(yīng)用研究［J］.微型機(jī)與應(yīng)用，2015，34（18）：48-49.

2015-05-17）

田紅光（1986-），男，通信作者，碩士，主要研究方向：智能信息處理與光纖通信。E-mail：thg_fly@126.com。

李曉丹（1989-），女，本科，主要研究方向：數(shù)字圖書(shū)館技術(shù)與管理。