制氢系统工作原理及主设备电解槽的结构和检修工序工艺

第一篇：制氢系统工作原理及主设备电解槽的结构和检修工序工艺

制氢系统工作原理及主设备电解槽的结构和检修工序工艺

一、氢气基本知识

1．氢气的性质和用途：

氢是宇宙中分布最广的一种元素，它在地球上主要以化合状态存在于化合物中，在大气层中的含量很低，仅有1ppm（体积比）。气体中，氢气最轻，粘度最小，导热系数最高，化学活性、渗透和扩散性强（扩散系数为0.63cm2/s，约为甲烷的三倍）。它是一种强的还原剂，可同许多物质进行不同程度的化学反应，生成各种类型的氢化物。

氢气的着火、燃烧、爆炸性能是它的主要特性。氢气含量范围在4-75％（空气环境）、4.65-93.9％（氧气环境）时形成可爆燃气体，遇到明火或温度在585℃以上时可引起燃爆。

压力水电解制出的氢气具有压力高（1.6或3.2MPa）便于输送，纯度高（99.8％以上）可直接用于一般场合，还可以通过后续纯化（氢气纯度提高到99.995以上）和干燥（露点提高到-40～-85℃），可作为燃料、载气、还原或保护气、冷却介质，广泛用于国民经济的各行各业。

2．水电解制氢、纯化脱氧、干燥原理

2.1 水电解制氢原理

利用电能使某电解质溶液分解为其它物质的单元装置称为电解池。

任何物质在电解过程中，从数量上的变化服从法拉第定律。法拉第定律指出：电解时，在电极上析出物质的数量，与通过溶液的电流强度和通电时间成正比；用相同的电量通过不同的电解质溶液时，各种溶液在两极上析出物质量与它的电化当量成正比，而析出1克当量的任何物质都需要1法拉第单位96500库仑（26.8Ah）的电量。水电解制氢符合法拉第电解定律，即在标准状态下，阴极析出1克分子的氢气，所需电量为53.6Ah。生产1Nm3氢气（1.073m3，20℃）（氧气为氢气产量的50%），所需电量2390Ah，原料水消耗0.805kg。

将水电解为氢气和氧气的过程，其电极反应为：

阴极：2H O ＋ 2e → H ↑ ＋ 2OH

阳极：2OH＋ 2e → H O＋ 1/2O ↑

总反应： 2H O→ 2H ↑ ＋ O ↑

从反应式得出：

1)水电解时产生两个氢和一个氧。

2)电解过程中只消耗水和电能。

3)加入氢氧化钾只起导电作用。

由浸没在电解液中的一对电极，中间隔以隔膜，通以一定电压（水的分解电压1.23V、热平衡电压1.47V）以上的直流电，水就电解。浸润的隔膜可以允许电解过程的离子穿透运动（离子导电）并防止已合成的氢、氧气体混合。根据产量要求，使用多组水电解池组合增加产量，就形成了水电解槽的压滤式组合结构。

二、制氢系统概述

我公司2台300MW汽轮发电机采用水-氢-氢冷却方式，即定子采用水冷却，转子和铁芯采用氢气冷却方式。

我公司制氢站采用苏州竞立制氢设备公司生产的两套DQ--5/3.2型中压水电解制氢装置及配套干燥装置，为发电机供氢。单套额定出力为H2：5Nm3/h，O2：

2.5Nm3/h，由主体电解槽和气体分离装置、氢气干燥装置、整流柜、控制柜、框

架Ⅱ、原料水箱、碱液箱、送水泵、压缩空气罐、储氢罐、冷却水装置、PLC控

制系统等组成。

电解槽的电流采用硅整流，将交流电（380V）变为直流电供给，采用氢氧化

钾为电解质，以五氧化二矾或四氧化三钴为添加剂，电解除盐水来获得高纯度的氢气，以满足发电机氢冷却的需要。

整套制氢系统实现全自动化运行，达到无人值班条件。系统控制采用PLC控

制系统，与水局域网相连可在锅炉补给水处理车间集控室监控。

三、制氢系统及设备

1.水电解制氢装置结构及作用

DQ---5/3.2型制氢装置由电解槽、气液处理器、整流装置、控制柜、计算

机管理系统、加水泵、碱箱、水箱等八大部分组成。

1)电解槽

电解槽为并联压滤式双极性结构，下部有进液管，上部有氢、氧出口管，直

流电从两端极板输入，对并联槽型，中间极板为正极，两端极板为负极。

电解槽的作用：电解槽是水电解制氢、氧的主要设备，电解液在电解槽内，在直流电作用下在阴极表面产生氢气，在阳极表面产生氧气。

2)气液处理器

本装置气液处理器为框架组合式，由氢、氧分离洗涤器、碱液循环泵、碱液

过滤器及阀门、管路、一次仪表、框架等组成。氢、氧分离洗涤器下部为分离器

及碱液冷却器，上部为洗涤冷却器，顶部为气体除雾器。

a)氢氧分离器的作用：借助于重力的作用使水电解产生的氢气和氧气与循

环的碱液分离，维持水电解过程中所需的电解液容量，有利于观察液位，通过分

离器内设置的蛇形冷却管冷却循环的碱液，控制槽温。

b)氢洗涤器的作用：除掉氢气中的碱雾及液滴并降低氢气温度。

c)碱液循环泵的作用：补充电解过程中消耗的介质，带走电解槽内氢氧气

体的热碱液，使碱液搅拌均匀减少浓差极化电压，降低碱液中的含气量。

d)碱液过滤器的作用：滤除碱液中的机械杂质和绒毛。

e)干燥器的作用及原理：干燥氢气，将氢气中的水分除掉。干燥器内填装的吸附剂是一种具有大量微孔的固体，当含水氢气通过微孔时，属于极性分子的水被强烈的吸附在微孔表面，属于非极性分子的氢则不易被吸附而顺利通过微

孔，从而将氢气中的水分吸掉。

f)干燥冷却塔的作用及原理：分离水分子，冷却氢气。干燥器失效后再生

时，由于干燥器再生时出口高温氢气携带大量水蒸气，进入干燥冷却塔后气体温

度降低，所携带的水蒸气被迅速冷凝成水而与氢气分离，并同时降低氢气温度，此装置运行时应保证冷却水充足畅通。

g)氢气过滤器的作用：滤去气体中夹带的微小粒状物质。

h)汽水分离器的作用：除去气体中的游离液滴。

3)整流装置

整流装置由整流变压器，整流柜组成，用于供给电解所需直流电源。使用方

法详见“可控硅整流装置使用说明书”。

4)控制柜

控制柜包括工业控制机、二次仪表、氢和氧气分析仪、稳压电源及操作按钮、开关等。可实现自动检测、调节、显示、故障报警、联锁、自动开机与停机等功

能。

5)计算机管理系统

包括一台微机（上位机），一台打印机。可实现装置的自动程序运行及各参

数的调节、显示、记录等功能，是控制部分的核心。

6)加水泵

供给装置所需的碱液或原料水。

7)碱箱、水箱

碱箱用于氢氧化钠或氢氧化钾电解液的配制和贮存，设有原料水进口管、碱

液出口管、排污口等。水箱用于原料水的贮存。碱箱也可作水箱用，水箱也可用

于贮存碱液。

四、水电解制氢装置工艺流程及子系统

DQ-5/3.2型制氢装置，工艺流程详见工艺流程图。该装置可分为以下九个子

系统

1）电解液循环系统

从电解槽出来夹带氢气和氧气的碱液在氢分离洗涤器和氧分离洗涤器中，靠

重力作用分别与氢气、氧气分离经蛇形管冷却后，通过氢、氧分离器底部的连通

管经碱液过滤器去除机械杂质，进入循环泵，然后进入电解槽形成了电解液循环

系统。

电解液循环的目的在于向电极区域补充电解消耗的纯水；带走电解过程中产

生的氢气、氧气和热量，以便电解槽在稳定条件下工作；增加电极区域电解液的搅拌，减少浓差极化电压；降低碱液中的含气度，降低小室电压，减少能耗等。

该系统包括如下路线：

→氢分离洗涤器 ←碱液泵→碱液过滤器→电解槽 →→ 碱液泵

→氧分离洗涤器 ←2）氢气系统

氢气从电解小室的阴极侧分解出来，借助于电解液的循环和气液比重差，在氢分离洗涤器中与电解液分离形成产品气，其路线为：

→干燥系统

电解槽→氧分离洗涤器→调节阀

→阻火器排空

氢气的排空主要用于开停机期间不正常操作或故障排空时。

3）氧气系统

氧气系统与氢气系统有很强的对称性，装置的工作压力和工作温度也都以氧

侧为测试点。

它包括：

→用户或储存

电解槽→氧分离洗涤器→调节阀→→或排空

氧气的排空与氢气排空作同样考虑。

4)原料水系统

原料水箱中的水通过加水泵被打入氢分离器的筛板上面，吸收通过筛孔的氢

气中夹带的碱雾滴，通过溢流管，注入氢分离器洗涤器下部的液位部分，和循环

碱液一并进入电解小室电极反应区域进行电解，同时使电解液中碱的浓度保持在最佳浓度范围内。

水箱中的水通过加水泵被注人氢分离洗涤器和氧分离洗涤器上部，先冷却洗涤，然后通过中心溢流管流人碱液循环系统，经循环泵被送入电解槽。为保证水电解制氢设备系统中的带压气体和碱液在加水泵不工作期间外漏，在送水管上装有止回阀。

原料水箱→补水泵→氢分离洗涤器→电解槽

5）冷却水系统

水的电解过程是吸热反应，制氢过程必须供以电能，但水电解过程消耗的电能超过了水电解反应理论吸热量。超出部分主要由冷却水带走，以维持电解反应区正常的温度。本装置要求工作温度不超过90℃。此外，所生成的氢气、氧气必须冷却除湿，可控硅整流装置也设有必要的冷却管路。

冷却水共分五路：

—温度调节阀→冷却器→出口

—氢(氧)分离洗涤器→出口

冷却水入口→—水封

—整流柜冷却管路→排放

—再生冷却器→出口

6）充氮和氮气吹扫系统在开机前要对系统作气密性试验及气相充氮和吹扫，以保证氢氧两侧气相空间的气体远离可燃可爆范围。充氮口设在氢氧分离洗涤器连通管的一侧，氮气引入后流经：

充氮口—

用于系统的气密试验与开机前的氮气吹扫，当使用氮气时用软管与氮气源临时连接，决不可用金属管道与氮气管道气源固定连接。

7）排污系统

排污管道共分四处

第一处：电解槽两端排污管

第二处：碱液过滤器底部，通过过滤器排污阀排出碱液和过滤器中过滤下来的石棉绒杂质及污物。

第三、四处：水箱和碱箱底部排污口，分别通过其排污门排出箱中的污物或残液

8）整流系统

根据法拉第定律，水电解制氢装置产品气的产量与小室电流成正比。

9）控制系统

微机控制的制氢装置，能对本装置的主要参数：压力、温度、氢氧液位差进行自动调节；原料水补充有自动和手动两种方式，对装置的压力、温度、氢液位上下限、氧液位上下限、氢气纯度和氧气纯度能集中指示和定前打印记录；若氢阀后压力、冷却水压力、气源压力、氢氧液位上下限、氢氧纯度产生一定的偏差时能自动声光报警；若装置的主要参数压力、温度、氢氧液位、碱液循环量，气源压力偏离正常值太大，又不能及时处理时，为了保护装置的安全，该装置能自动声光报警停车；为了进一步提高本装置安全运行系数，装置的主要参数压力，设置了双重独立系统，当自控系统失灵，装置的运行状态达到危险值时，该独立

系统可使装置自动声光报警停车。

10）制氢系统工艺过程叙述

由氢氧分离器回流的碱液进入碱液泵吸口，泵压后经过碱液冷却器、碱液过滤器后进入电解槽下部；碱液沿电解槽内部的通道向上进入各个电解池（小室）。此时，由于整流柜启动，外部供交流电通过变压器连接整流柜6相晶闸管的依次导通，将直流电源电压加到水电解槽的中间极板和两端极板上，于是在每个电解池（以隔膜垫片为界），依次形成2V左右的电压降。当直流电流由正极由中间极板向两端负极流动时，按照法拉第电解定律，每个电解池通过53.6Ah的电流时，在阴极析出1克分子的氢气（阳极析出0.5克分子的氧气）。必要的电解消耗功率1.47V×53.6Ah＝78.792VAh，产生废热的功率消耗为（2V-1.47V）×53.6Ah＝28.408VAh。由于水电解池采用的双极性极板，对于若干的水电解池组合的水电解槽来说，当中间极板接入直流电源正极（阳极产生氧气），通过隔膜垫片（产生2V电压降）相邻的水电解池为阴极（产生氢气），其极板背面的水电解池为阳极（产生氧气），相对第二块隔膜垫片（产生2V的电压降），相邻的水电解池为阴极（产生氢气），依此类推，直至接入直流电源负极的端极板为阴极（产生氢气）。水电解槽将阳极和阴极分别产生的氧气和氢气汇流引出，进入各自的氧分离器和氢分离器，进行气液分离。氧气和氢气向上引出送出系统外，碱液回流返回碱液泵进行再次循环。

在上述的循环中，系统添加了一些功能。例如，碱液冷却器带走水电解槽电解时产生的废热，碱液过滤器过滤碱液中的杂质，气体冷却器冷却气体温度以降低气体的饱和含湿量以及自动补水功能等等。

为了满足工艺系统的自动运行，控制系统分别对压力、液位平衡、碱液温度进行控制和形成闭环调节。

为了防止意外的发生，控制系统分别对压力、槽温、碱液流量进行监控和联锁。

为了对系统运行的次要参数有所了解，控制系统分别对氢气温度、氧气温度进行显示。如果实现上位机显示和控制，还将整流器的运行电流进行显示和控制。

五、电解槽检修工序工艺

1.三方确认：点检、运行、检修三方安全确认。

2.检修前作防爆措施检查：检修前后应严格执行停机联系制度和有关安全规定作防爆措施。

3.电解槽的拆卸

3.1拆除与电解槽连接的管道和两极电缆线；

3.2测量两个极板之间的距离；

3.3均匀的松开四个拉紧螺栓，取出上部一个螺栓；

3.4将端极板稍稍移动，然后从端极板阳极侧将垫片、极板、隔膜框安顺序取出，作好标记；

3.5下部两根螺栓及两个端极板不可取出；

4.电解槽的检查清理

4.1电极：用除盐水清洗，白布擦干；

4.2检查有无腐蚀及锈垢，特别是阳极侧的镀镍保护层，如有锈垢用毛刷轻轻刷去，然后用航空汽油清理干净；

4.3隔膜框应清理检查密封结合面及气液孔道；

4.4密封结合面应无腐蚀、损坏、孔洞和裂纹；

4.5所有气液孔道畅通无杂物堵塞；

4.6密封垫圈应完好无损，大小合适并与气液孔道对正；

4.7拉紧螺栓应无锈垢、腐蚀，丝扣完好；

4.8弹簧垫圈性能良好，无裂纹和锈垢，检修后应涂铅粉；

4.9石棉布在铆钉前应清理干净,喷水使其潮湿,便于铆钉时拉紧,铆好的石棉布应绷紧,如鼓面不正、有脏物和损坏处、石棉纤维和其他杂物不应堵塞导气孔和给水孔,铆钉石棉布应用1Cr18Ni9Ti不锈钢铆钉,钉头向氧气侧；

4.10聚四佛乙烯垫大小应与隔膜框相符,垫片的孔洞应与隔膜框上的孔洞对正。

5.管道系统及阀门的检修

5.1 所有管道均应冲洗干净,无污垢及堵塞物；

5.2所有阀门均应开关灵活,严密不漏；

5.3检修完打压3.2Mpa、12小时,泄漏量小于0.5%/小时,总压降小于19.6Kpa,视为合格。

6．严格检漏

6.1各部件、各管道、各阀门均应进行严格检漏。

7.试运合格

7.1确认无泄漏，压力、温度、各仪表均正常，正常投备。

第二篇：传感器工作原理及系统和测量方法

传感器工作原理及系统和测量方法

利用衍射光栅和位敏探测器的光学应变传感器的应变测量原理。衍射光栅粘附在试样的表面，当单色准直光束垂直入射到线性光栅（>40line/mm）平面上时，照亮了光栅平面上的一个点，而在平行于光栅平面的屏上可观察到一组衍射光斑。在图1中，激光束垂直于试样表面入射到反射型衍射光栅上。对于高频衍射光栅只能观察到实际用于应变测量的±1衍射级的衍射光束。这种衍射光束由距光栅L的高分辨率敏位探测器接收。当光栅跟随试样形变时，平面内的形变和平面外沿光束入射方向的位移将引起衍射光束的移动。对于垂直于试样表面的入射激光束，±1级衍射光束沿传感器长度的位移由下式给出：(1)式中，p—光栅的空间频率。b—±1级衍射光束的衍射角； l—激光波长；如果试样发生小的形变，光栅线距（空间频率）将改变Dp，按照方程(1)，衍射角改变Db，因此可得：(2)这就是说：(3)式中，ex是沿x方向的正应变。假定衍射光束垂直于位敏传感器平面，沿传感器1的位移为：(4)对于传感器2，只要将b换成-b，可得：(5)因此，由方程(4)和方程(5)可得基本应变测量方程。传感器系统和测量方法

1、传感器系统硬件图2所示为传感器系统配置，可应用于实验室和工业现场，由激光源、2个位敏传感器、2个633nm带通滤波器、会聚透镜和光栅组成。光栅的空间频率为1200line/mm，粘附于试样的表面。直径约1mm的He-Ne激光束(632.8mm)入射到光栅平面上的任一点。位敏探测器是基于单片光电二极管的光电子器件。该系统的主要特点是： ①空间分辨率高于其它器件（如CCD）； ②利用两个电压信号确定传感面积上光束的位置，便于信号的快速处理； ③体积小； ④相对位置分辨率高(1/5000)； ⑤不受光强度变化的影响，因而即使光强变化时也能精确地测量位置； ⑥光谱灵敏度宽（300到1100nm），因而可利用不同波长的激光束； ⑦响应时间快（<20ms），适于动态应变测量。两个位敏传感器的输出电压信号通过A/D转换器送到计算机，最大数据采样速率可达105次/s。两个633nm的滤光器可消除背景光，减少噪声影响。

2、调节方法如果激光束不能垂直入射到试样表面，将引起严重的测量误差。这种激光束的误准直是难以消除的，除非光栅到激光器的反射零级光束与入射光束重合。这种光束的重合必须沿垂直方向，确保±1级衍射光束对称分布。系统调节的关键是使入射激光束垂直于试样表面，必须仔细检查光栅是否牢固地粘附于试样表面，试样是否完全定位。此外还可调节位敏传感器使衍射±1级光束正好位于两个位敏传感器平面的中心。

3、测量方法主要测量步骤如下： ①试样与衍射光栅的准备工作类似于莫尔干涉仪； ②在100~500mm之间确定位敏传感器到光栅的距离L，并输入到计算机软件。不能选择L=250mm； ③加负荷前的初始试验是测量x10和x20的平均值； ④对试样加压，测量新的x1和x2的平均值； ⑤利用方程(6)计算应变。所有的计算都是由计算机软件自动完成的。

4、接口软件流程是用LabVIEW完成的，包括数据采样、滤波、计算、读出和写入存储器、显示屏等。数据处理速度很高，整个处理周期约0.1s。所有的信号处理和数据采集都是自动的。应变测量结果以数字和图线的形式连续地显示在PC屏上。

压电传感器

压电传感器原理

压电效应是压电传感器的主要工作原理，压电传感器不能用于静态测量，因为经过外力作用后的电荷，只有在回路具有无限大的输入阻抗时才得到保存。实际的情况不是这样的，所以这决定了压电传感器只能够测量动态的应力。

压电传感器主要应用在加速度、压力和力等的测量中。压电式加速度传23213感器是一种常用的加速度计。它具有结构简单、体积小、重

压电传感器原理  压电效应是压电传感器的主要工作原理，压电传感器不能用于静态测量，因为经过外力作用后的电荷，只有在回路具有无限大的输入阻抗时才得到保存。实际的情况不是这样的，所以这决定了压电传感器只能够测量动态的应力。压电传感器主要应用在加速度、压力和力等的测量中。压电式加速度传23213感器是一种常用的加速度计。它具有结构简单、体积小、重量轻、使用寿命长等优异的特点。压电式加速度传23213感器在飞机、汽车、船舶、桥梁和建筑的振动和冲击测量中已经得到了广泛的应用，特别是航空和宇航领域中更有它的特殊地位。压电式传感器也可以用来测量发动机内部燃烧压力的测量与真空度的测量。也可以用于军事工业，例如用它来测量枪炮子弹在膛中击发的一瞬间的膛压的变化和炮口的冲击波压力。它既可以用来测量大的压力，也可以用来测量微小的压力。

压电式传感器也广泛应用在生物医学测量中，比如说心室导管式微音器就是由压电传感器制成的，因为测量动态压力是如此普遍，所以压电传感器的应用就非常广泛.压电传感器的工作原理和应用

 压电效应是压电传感器的主要工作原理，压电传感器不能用于静态测量，因为经过外力作用后的电荷，只有在回路具有无限大的输入阻抗时才得到保存。实际的情况不是这样的，所以这决定了压电传感器只能够测量动态的应力。压电传感器主要应用在加速度、压力和力等的测量中。压电式加速度传感器是一种常用的加速度计。它具有结构简单、体积小、重量轻、使用寿命长等优异的特点。压电式加速度传感器在飞机、汽车、船舶、桥梁和建筑的振动和冲击测量中已经得到了广泛的应用，特别是航空和宇航领域中更有它的特殊地位。压电式传感器也可以用来测量发动机内部燃烧压力的测量与真空度的测量。也可以用于军事工业，例如用它来测量枪炮子弹在膛中击发的一瞬间的膛压的变化和炮口的冲击波压力。它既可以用来测量大的压力，也可以用来测量微小的压力。

压电传感器中主要使用的压电材料包括有石英、酒石酸钾钠和磷酸二氢胺。其中石英（二氧化硅）是一种天然晶体，压电效应就是在这种晶体中发现的，在一定的温度范围之内，压电性质一直存在，但温度超过这个范围之后，压电性质完全消失（这个高温就是所谓的“居里点”）。由于随着应力的变化电场变化微小（也就说压电系数比较低），所以石英逐渐被其他的压电晶体所替代。而酒石酸钾钠具有很大的压电灵敏度和压电系数，但是它只能在室温和湿度比较低的环境下才能够应用。磷酸二氢胺属于人造晶体，能够承受高温和相当高的湿度，所以已经得到了广泛的应用。

压电式传感器也广泛应用在生物医学测量中，比如说心室导管式微音器就是由压电传感器制成的，因为测量动态压力是如此普遍，所以压电传感器的应用就非常广泛。

除了压电传感器之外，还有利用压阻效应制造出来的压阻传感器，利用应变效应的应变式传感器等，这些不同的压力传感器利用不同的效应和不同的材料，在不同的场合能够发挥它们独特的用途。

这种压力变送器主要利用液体或气体在检测器件上形成的压力来检测液体或者气体的流量或压强。把这种压力信号转变成标准的0～10V或者4～20mA电信号。以便控制使用。

压力和电信号的转化主要由各种压力传感器的核心部件完成。核心部件主要由压力检测体和放大电路组成。

压电传感器测量参数

（1）力测量 压电式传感器主要利用石英晶体的纵向和剪切的压电效应，因为石英晶体刚度大、滞后小，灵敏度高、线性好，工作频率宽、热释电诳应小。力传感器除可测单向作用力外还可利用不同切割方向的多片晶体 依靠其不同的压电效应测量多方向力，如空间作用力3个方向的分力Fx、Fy、Fz

（2）压力测量：压电式压力传感器主要利用弹性元件（膜片、活塞等）收集压力变成作用于晶体片上的力，因为弹性元件所用材料的性能对传感器的特性有很大影响。

（3）加速度测量：压电式加速度传感器是利用质量块m由预紧力压在晶体片上，娄被测加速度a作用时，晶体处会受到惯性力F=ma,由此产生压电效应，因此质量块的质量决定了传感器的灵敏度，也影响着传感器的高频响应。

压电传感器的主要工作原理  压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器，其广泛应用于各种工业自控环境，涉及水利水电、铁路交通、智能建筑、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、机床、管道等众多行业，下面就简单介绍一些常用传感器原理及其应用

1、应变片压力传感器原理与应用

力学传感器的种类繁多，如电阻应变片压力传感器、半导体应变片压力传感器、压阻式压力传感器、电感式压力传感器、电容式压力传感器、谐振式压力传感器及电容式加速度传感器等。但应用最为广泛的是压阻式压力传感器，它具有极低的价格和较高的精度以及较好的线性特性。下面我们主要介绍这类传感器。

在了解压阻式力传感器时，我们首先认识一下电阻应变片这种元件。电阻应变片是一种将被测件上的应变变化转换成为一种电信号的敏感器件。它是压阻式应变传感器的主要组成部分之一。电阻应变片应用最多的是金属电阻应变片和半导体应变片两种。金属电阻应变片又有丝状应变片和金属箔状应变片两种。通常是将应变片通过特殊的粘和剂紧密的粘合在产生力学应变基体上，当基体受力发生应力变化时，电阻应变片也一起产生形变，使应变片的阻值发生改变，从而使加在电阻上的电压发生变化。这种应变片在受力时产生的阻值变化通常较小，一般这种应变片都组成应变电桥，并通过后续的仪表放大器进行放大，再传输给处理电路（通常是A/D转换和CPU）显示或执行机构。

金属电阻应变片的内部结构

如图1所示，是电阻应变片的结构示意图，它由基体材料、金属应变丝或应变箔、绝缘保护片和引出线等部分组成。根据不同的用途，电阻应变片的阻值可以由设计者设计，但电阻的取值范围应注意：阻值太小，所需的驱动电流太大，同时应变片的发热致使本身的温度过高，不同的环境中使用，使应变片的阻值变化太大，输出零点漂移明显，调零电路过于复杂。而电阻太大，阻抗太高，抗外界的电磁干扰能力较差。一般均为几十欧至几十千欧左右。

电阻应变片的工作原理 金属电阻应变片的工作原理是吸附在基体材料上应变电阻随机械形变而产生阻值变化的现象，俗称为电阻应变效应。金属导体的电阻值可用下式表示：

式中：ρ——金属导体的电阻率（Ω·cm2/m）S——导体的截面积（cm2）L——导体的长度（m）

我们以金属丝应变电阻为例，当金属丝受外力作用时，其长度和截面积都会发生变化，从上式中可很容易看出，其电阻值即会发生改变，假如金属丝受外力作用而伸长时，其长度增加，而截面积减少，电阻值便会增大。当金属丝受外力作用而压缩时，长度减小而截面增加，电阻值则会减小。只要测出加在电阻的变化（通常是测量电阻两端的电压），即可获得应变金属丝的应变情

2、陶瓷压力传感器原理及应用

抗腐蚀的陶瓷压力传感器没有液体的传递，压力直接作用在陶瓷膜片的前表面，使膜片产生微小的形变，厚膜电阻印刷在陶瓷膜片的背面，连接成一个惠斯通电桥(闭桥)，由于压敏电阻的压阻效应，使电桥产生一个与压力成正比的高度线性、与激励电压也成正比的电压信号，标准的信号根据压力量程的不同标定为2.0 / 3.0 / 3.3 mV/V等，可以和应变式传感器相兼容。通过激光标定，传感器具有很高的温度稳定性和时间稳定性，传感器自带温度补偿0～70℃，并可以和绝大多数介质直接接触。

陶瓷是一种公认的高弹性、抗腐蚀、抗磨损、抗冲击和振动的材料。陶瓷的热稳定特性及它的厚膜电阻可以使它的工作温度范围高达-40～135℃，而且具有测量的高精度、高稳定性。电气绝缘程度>2kV，输出信号强，长期稳定性好。高特性，低价格的陶瓷传感器将是压力传感器的发展方向，在欧美国家有全面替代其它类型传感器的趋势，在中国也越来越多的用户使用陶瓷传感器替代扩散硅压力传感器。

3、扩散硅压力传感器原理及应用 工作原理 被测介质的压力直接作用于传感器的膜片上（不锈钢或陶瓷），使膜片产生与介质压力成正比的微位移，使传感器的电阻值发生变化，和用电子线路检测这一变化，并转换输出一个对应于这一压力的标准测量信号。

4、蓝宝石压力传感器原理与应用

利用应变电阻式工作原理，采用硅-蓝宝石作为半导体敏感元件，具有无与伦比的计量特性。

蓝宝石系由单晶体绝缘体元素组成，不会发生滞后、疲劳和蠕变现象；蓝宝石比硅要坚固，硬度更高，不怕形变；蓝宝石有着非常好的弹性和绝缘特性（1000 OC以内），因此，利用硅-蓝宝石制造的半导体敏感元件，对温度变化不敏感，即使在高温条件下，也有着很好的工作特性；蓝宝石的抗辐射特性极强；另外，硅-蓝宝石半导体敏感元件，无p-n漂移，因此，从根本上简化了制造工艺，提高了重复性，确保了高成品率。

用硅-蓝宝石半导体敏感元件制造的压力传感器和变送器，可在最恶劣的工作条件下正常工作，并且可靠性高、精度好、温度误差极小、性价比高。

表压压力传感器和变送器由双膜片构成：钛合金测量膜片和钛合金接收膜片。印刷有异质外延性应变灵敏电桥电路的蓝宝石薄片，被焊接在钛合金测量膜片上。被测压力传送到接收膜片上（接收膜片与测量膜片之间用拉杆坚固的连接在一起）。在压力的作用下，钛合金接收膜片产生形变，该形变被硅-蓝宝石敏感元件感知后，其电桥输出会发生变化，变化的幅度与被测压力成正比。

传感器的电路能够保证应变电桥电路的供电，并将应变电桥的失衡信号转换为统一的电信号输出（0-5，4-20mA或0-5V）。在绝压压力传感器和变送器中，蓝宝石薄片，与陶瓷基极玻璃焊料连接在一起，起到了弹性元件的作用，将被测压力转换为应变片形变，从而达到压力测量的目的。

5、压电压力传感器原理与应用

压电传感器中主要使用的压电材料包括有石英、酒石酸钾钠和磷酸二氢胺。其中石英（二氧化硅）是一种天然晶体，压电效应就是在这种晶体中发现的，在一定的温度范围之内，压电性质一直存在，但温度超过这个范围之后，压电性质完全消失（这个高温就是所谓的“居里点”）。由于随着应力的变化电场变化微小（也就说压电系数比较低），所以石英逐渐被其他的压电晶体所替代。而酒石酸钾钠具有很大的压电灵敏度和压电系数，但是它只能在室温和湿度比较低的环境下才能够应用。磷酸二氢胺属于人造晶体，能够承受高温和相当高的湿度，所以已经得到了广泛的应用。

现在压电效应也应用在多晶体上，比如现在的压电陶瓷，包括钛酸钡压电陶瓷、PZT、铌酸盐系压电陶瓷、铌镁酸铅压电陶瓷等等。

压电效应是压电传感器的主要工作原理，压电传感器不能用于静态测量，因为经过外力作用后的电荷，只有在回路具有无限大的输入阻抗时才得到保存。实际的情况不是这样的，所以这决定了压电传感器只能够测量动态的应力。

压电传感器主要应用在加速度、压力和力等的测量中。压电式加速度传感器是一种常用的加速度计。它具有结构简单、体积小、重量轻、使用寿命长等优异的特点。压电式加速度传感器在飞机、汽车、船舶、桥梁和建筑的振动和冲击测量中已经得到了广泛的应用，特别是航空和宇航领域中更有它的特殊地位。压电式传感器也可以用来测量发动机内部燃烧压力的测量与真空度的测量。也可以用于军事工业，例如用它来测量枪炮子弹在膛中击发的一瞬间的膛压的变化和炮口的冲击波压力。它既可以用来测量大的压力，也可以用来测量微小的压力。

压电式传感器也广泛应用在生物医学测量中，比如说心室导管式微音器就是由压电传感器制成的，因为测量动态压力是如此普遍，所以压电传感器的应用就非常广泛。

第三篇：物料提升机的分类和输送工作原理及设备结构特点

物料提升机的分类和输送工作原理及设备结构特点

物料提升机的类型很多，按导轨架的结构特点可分为龙门架(双立柱)与井架(单柱)两种，常见的产品机型有双柱单笼，单柱单笼及单柱双笼三种;按提升机构的特点可分为卷扬机驱动(无对重)和曳引机驱动(有对重)两种;按导轨架架设方法的特点可分为自升式(有自升平台)和非自升式(无自升平台)两种。我们湖北省建筑施工现场常用的物料提升机产品综合上述不同特点形成了卷扬机驱动的自升式龙门架物料提升机和曳引机驱动的井架单笼物料提升机或双笼物料提升机两类三种机型。

物料提升机的输送工作原理是：料斗把物料从下面的储藏中舀起，随着输送带或链提升到顶部，绕过顶轮后向下翻转，物料提升机将物料倾入接受槽内。带传动的物料提升机的传动带一般采用橡胶带，装在下或上面的传动滚筒和上下面的改向滚筒上。链传动的物料提升机一般装有两条平行的传动链，上或下面有一对传动链轮，下或上面是一对改向链轮。物料提升机一般都装有机壳，以防止斗式提升机中粉尘飞扬。物料提升机的特点

1、物料提升机导轨架由组焊件标准节通过高强螺栓连接组装成双立柱，并以组焊件自升平台套装连接在两悬立的立柱顶部，形成稳定的门式结构(俗称龙门架)。由于结构部件均是焊接钢结构且两立柱位于吊笼两侧中心轴线上，可以全截面与建筑结构锚固连接;加上自升平台可自行上、下运行成为导轨架高处拆装作业平台，并限制了悬立的单柱任意摆动，因此适应高层建筑施工需要，具有快速、稳定、安全地跟随建筑结构的增高而自行增高，以及吊笼的提升高度较大的优点。最大架设高度的设计与实现主要受卷扬机驱动卷筒容绳量的限制，产品目前设计的最大架设高度可达120m。

2、物料提升机机构是单筒卷扬机，简单经济，并可安装在物料提升机的基础底架上，适应狭窄的施工现场，消除了提升钢丝绳沿施工现场地面的运行段，并可选择免遭坠物打击，操作视野好，无水的地点安装电气操作控制柜，从而改变了传统的将卷扬机与基础底架相分离的安装方式，提高了物料提升机在建筑工地安全文明施工作业的水平。