摘 要: 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。
關(guān)鍵詞: 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]。
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。
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0.4~0.8 mm與太陽(yáng)光的可見(jiàn)光范圍波長(zhǎng)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(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。
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(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(dá)到25 mg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。
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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