摘  要： 简要分析了现有井下照明系统，提出了光纤照明应用于井下的理论，给出了系统的总体构成及部分原理，最后经过实验分析验证了本研究的可行性。

　　关键词： 光纤；照明；单片机

0 引言

　　目前用于井下照明的光源大都是电致发光器件，这些器件存在以下问题：（1）使用寿命短；（2）安全性低，为光源提供能量的电能常常会带来电磁干扰，影响井下通信的质量，电火花也是导致瓦斯爆炸的重要因素；（3）效率低；（4）污染环境。在国家节能减排的号召下，为响应国家“十二五”规划，提高井下照明质量及井下安全，本文提出了寿命长、安全性能好、效率高、无污染的绿色照明光源——光纤照明。随着新技术的发展，光纤照明被逐渐应用于各种场所。光纤照明的主要材料光纤是由石英等组成的，取材便利，我国具有大量的资源[1]。

1 井下照明的发展[2-4]

　　一直以来用于井下照明的光源都是由电提供的，照明系统上电后，光源发光，为井下正常工作提供亮光。

　　白炽灯发光原理：利用物体受热发光原理和热辐射原理实现，当给灯丝导通足够的电流时，灯丝发热至白炽状态就会发出亮光。其缺点是：易碎、效率低、寿命短。

　　荧光灯发光原理：灯管内充有少量的惰性气体和汞蒸气，两个灯丝之间的气体导电时发出紫外线使涂在管壁上的荧光粉发出柔和的可见光。其缺点是：易碎，散出的汞蒸气污染环境等。

　　LED灯发光原理：LED是半导体发光器件，电子和空穴结合时会释放能量，一部分能量以光能的形式散发出来。其缺点是：低压直流供电，需要设计专门的驱动电源，使用寿命受电源影响。

　　光纤照明：光纤照明是以光纤为媒介，直接利用太阳能进行照明的照明装置。

2 光纤照明系统的设计

　　井下光纤照明系统主要由全自动太阳能采光装置、聚光装置、滤色片及光纤组成[5]，如图1所示，其中1是太阳光收集器、2是POF光纤、3是POF发光体[6-8]。

　　2.1 采光装置工作原理[6]

　　自动跟踪系统主要包括太阳光跟踪传感器、跟踪控制电路、机械传动机构和驱动电机。太阳光跟踪传感器探测太阳位置并传递给跟踪控制电路，控制器发出命令指挥驱动电路工作，通过控制电机的旋转带动采光器转动，从而使采光器始终正对着太阳光，提高采光效率。采光装置工作原理如图2所示。

     2.2 太阳光跟踪装置设计原理

　　光敏电阻在周围环境光变亮时，内电阻会下降。光敏电阻对于光的敏感性（即光谱特性）在0.4~0.8 mm与太阳光的可见光范围波长0.38~0.76 mm的响应很接近，光敏电阻敏感度范围如图3所示。

　　追踪传感器主要经由4颗特性相近光敏电阻构成，负责侦测东、西、南、北4个方向的光源强度，于各方向均有一个光敏电阻，并以45°角朝向光源处，并将该方向设置基座以将该方向以外的光线隔离，以达到快速判别太阳位置的广角式搜索。4个传感器分为两组，一组是两个光敏电阻作为东西向的传感器，用以比较东西向受光强度的差异。当东西向的传感器接受到的光源强度不一致时，系统会依据东西向两传感器输出电压得到信号判断哪个方向的受光较强，并且驱动步进电机朝向该方向前进，当东西向传感器输出值相等时，则输出的差值为零、电机驱动电压亦为零，即追踪到太阳目前的位置。另一组的南北向传感器亦是相似的原理，用来追踪太阳在南北向的位置。太阳追踪装置的两个驱动电机虽然在角度的转动上能独立运作，没有耦合上的困扰，但是在转动惯量的问题上，是无可避免的，一定会有非线性的现象存在（这是立体转动机构共有的问题）。因此，采用闭环回路的方式控制电机的旋转。在转动惯量的控制上，虽然有非线性的现象存在，但是太阳追踪装置所要求的转动速度因为太阳移动缓慢的关系并不需要太快。所以，采用模糊控制法则足够用来控制电机的运作，可以使得系统的控制机制有很大的可调变性和快速反应能力。

　　2.3 全自动采光装置软件设计

　　MCU依据检测到的光敏电阻端电压的变化输出相应的控制信号，控制电机的旋转及其旋转方向，以确保采光装置始终正对太阳光，使采光效率最大。图4为电机驱动程序流程图。

3 节能及安全分析

　　传统灯具发光效率低，大都小于80 lm/W，而且会产生污染，危害人及其他生命的生存，例如：一只普通的节能灯含有大约5 mg的汞，5 mg的汞渗入地下后却能污染1 800 t水，汞常温下即可蒸发，人体一次吸收的汞蒸气达到25 mg就会死亡[1，6，9]。虽然新型光源LED的光效相对提高了不少，但是由于受电解电容的使用寿命以及驱动电源技术的限制，使用效果并不理想[8]。将太阳光直接引到井下进行照明，安全经济、可靠且能很好地满足照明需求。太阳光采光系统数据如表1[7]所示。

4 结论

　　将光纤照明应用于井下照明，不但能够节约大量的能源，符合国家节能减排的号召，而且能够大幅度减少因电磁干扰造成的通信故障等影响生产进度的事情的发生，更能有效地减少因电火花引发的瓦斯爆炸等威胁井下人员安全的事故的发生。光纤照明在矿井中的应用是时代发展的需要，但是由于现有的技术原因，还不能很好地解决聚光装置的散热问题，这将是下一步的研究方向。

参考文献

　　[1] 晨春翔.我国煤矿绿色照明技术的发展探讨[J].煤炭科学技术，2007，35（9）：10-14.

　　[2] 魏幼平，岳云涛，郭永生.煤矿井下中照明节能策略的探讨[J].煤炭工程，2009（1）：63-64.

　　[3] 纵建民，许中.新型光源在煤矿井下的应用[J].煤矿机械，2006，27（9）：12-14.

　　[4] 薛晓迪，郑宏飞，马燕燕，等.一种新型光纤导光照明系统的性能研究[J].北京理工大学学报，2010，30（11）：1321-1325.

　　[5] 江源.光纤照明发展史[J].光源与照明，2009（3）：46-48.

　　[6] 张耀明.采集太阳光的照明系统研究[J].中国工程科学，2002，4（9）：63-68.

　　[7] 江源，殷志东.光纤在太阳能系统中的应用[J].激光与光电子学进展，2009（10）：49-56

　　[8] 徐晓星.光纤照明的原理与应用[J].灯与照明，2002，26（5）：29-30，37.

　　[9] 辜长明.LED在基于光纤传输的照明系统中的应用[J].光学仪器，2010，32（3）：49-54.