Med den hurtige udvikling af teknologier som Tingenes Internet og kunstig intelligens, omfavner gassensorer, en vigtig sensor kendt som de "fem elektriske sanser", hidtil usete udviklingsmuligheder. Fra den indledende overvågning af industrielle giftige og skadelige gasser til dens brede anvendelse inden for medicinsk diagnose, smart home, miljøovervågning og andre områder i dag, gennemgår gassensorteknologi en dybtgående transformation fra en enkelt funktion til intelligens, miniaturisering og multidimensionalitet. Denne artikel vil omfattende analysere de tekniske egenskaber, de seneste forskningsfremskridt og den globale anvendelsesstatus for gassensorer, med særlig vægt på udviklingstendenserne inden for gasovervågning i lande som Kina og USA.
Tekniske egenskaber og udviklingstendenser for gassensorer
Som en konverter, der konverterer volumenfraktionen af en specifik gas til det tilsvarende elektriske signal, er gassensoren blevet en uundværlig og vigtig komponent i moderne sensorteknologi. Denne type udstyr behandler gasprøver gennem detektionshoveder, typisk inklusive trin som filtrering af urenheder og interfererende gasser, tørring eller kølebehandling og i sidste ende omdannelse af gaskoncentrationsinformation til målbare elektriske signaler. I øjeblikket findes der forskellige typer gassensorer på markedet, herunder halvledertype, elektrokemisk type, katalytisk forbrændingstype, infrarøde gassensorer og fotoioniseringsgassensorer (PID) osv. Hver af dem har sine egne egenskaber og er meget anvendt inden for civile, industrielle og miljømæssige testområder.
Stabilitet og følsomhed er de to kerneindikatorer for evaluering af gassensorers ydeevne. Stabilitet refererer til vedvarende grundlæggende respons fra en sensor gennem hele dens driftstid, hvilket afhænger af nuldrift og intervaldrift. Ideelt set bør den årlige nuldrift for sensorer af høj kvalitet under kontinuerlige driftsforhold være mindre end 10%. Følsomhed refererer til forholdet mellem ændringen i sensorens output og ændringen i det målte input. Følsomheden af forskellige typer sensorer varierer betydeligt, hovedsageligt afhængigt af de tekniske principper og materialevalg, de anvender. Derudover er selektivitet (dvs. krydsfølsomhed) og korrosionsbestandighed også vigtige parametre for evaluering af gassensorers ydeevne. Førstnævnte bestemmer sensorens genkendelsesevne i et blandet gasmiljø, mens sidstnævnte er relateret til sensorens tolerance i målgasser med høj koncentration.
Den nuværende udvikling af gassensorteknologi præsenterer flere åbenlyse tendenser. Først og fremmest er forskningen og udviklingen af nye materialer og nye processer fortsat blevet dybere. Traditionelle metaloxid-halvledermaterialer såsom ZnO, SiO₂, Fe₂O₃ osv. er blevet modne. Forskere doper, modificerer og overflademodificerer eksisterende gasfølsomme materialer gennem kemiske modifikationsmetoder og forbedrer samtidig filmdannelsesprocessen for at forbedre sensorernes stabilitet og selektivitet. Samtidig udvikles der også aktivt nye materialer såsom komposit- og hybrid-halvledergasfølsomme materialer og polymergasfølsomme materialer. Disse materialer udviser højere følsomhed, selektivitet og stabilitet over for forskellige gasser.
Sensorers intelligens er en anden vigtig udviklingsretning. Med den succesfulde anvendelse af nye materialeteknologier som nanoteknologi og tyndfilmsteknologi bliver gassensorer mere integrerede og intelligente. Ved fuldt ud at udnytte tværfaglige integrerede teknologier som mikromekanisk og mikroelektronisk teknologi, computerteknologi, signalbehandlingsteknologi, sensorteknologi og fejldiagnoseteknologi udvikler forskere fuldautomatiske digitale intelligente gassensorer, der er i stand til at overvåge flere gasser samtidigt. En multivariabel sensor af den kemiske resistenspotentialetype, der for nylig er udviklet af forskergruppen under ledelse af lektor Yi Jianxin fra State Key Laboratory of Fire Science ved University of Science and Technology of China, er en typisk repræsentant for denne tendens. Denne sensor muliggør tredimensionel detektion og nøjagtig identifikation af flere gasser og brandkarakteristika med en enkelt enhed 59.
Arrayisering og algoritmeoptimering får også stigende opmærksomhed. På grund af problemet med bredspektret respons ved en enkelt gassensor er den tilbøjelig til interferens, når flere gasser eksisterer samtidigt. Brugen af flere gassensorer til at danne et array er blevet en effektiv løsning til at forbedre genkendelsesevnen. Ved at øge dimensionerne af den detekterede gas kan sensorarrayet opnå flere signaler, hvilket er befordrende for at evaluere flere parametre og forbedre evnen til bedømmelse og genkendelse. Men efterhånden som antallet af sensorer i arrayet stiger, stiger kompleksiteten af databehandlingen også. Derfor er optimering af sensorarrayet særligt vigtig. I arrayoptimering er metoder som korrelationskoefficient og klyngeanalyse bredt anvendt, mens gasgenkendelsesalgoritmer som Principal Component Analysis (PCA) og Artificial Neural Network (ANN) har forbedret sensorers mønstergenkendelsesevne betydeligt.
Tabel: Ydelsessammenligning af hovedtyper af gassensorer
Sensortype, funktionsprincip, fordele og ulemper, typisk levetid
Halvledergasadsorption har lave omkostninger ved at ændre halvledernes modstand, hurtig respons, dårlig selektivitet og påvirkes stærkt af temperatur og fugtighed i 2-3 år.
Elektrokemisk gas undergår REDOX-reaktioner for at generere strøm, som har god selektivitet og høj følsomhed. Elektrolytten har dog begrænset slid og en levetid på 1-2 år (for flydende elektrolyt).
Katalytisk forbrændingstype forbrænding af brændbare gasser forårsager temperaturændringer. Den er specielt designet til detektering af brændbare gasser og kan kun anvendes til brændbare gasser i cirka tre år.
Infrarøde gasser har høj nøjagtighed i at absorbere infrarødt lys med specifikke bølgelængder, forårsager ikke forgiftning, men har en høj pris og et relativt stort volumen i 5 til 10 år.
Fotoionisering (PID) ultraviolet fotoionisering til gasmolekyledetektion af VOC'er har høj følsomhed og kan ikke skelne mellem typerne af forbindelser i 3 til 5 år.
Det er værd at bemærke, at selvom gassensorteknologi har gjort betydelige fremskridt, står den stadig over for nogle fælles udfordringer. Sensorernes levetid begrænser deres anvendelse inden for visse områder. For eksempel er levetiden for halvledersensorer cirka 2 til 3 år, levetiden for elektrokemiske gassensorer er cirka 1 til 2 år på grund af elektrolyttab, mens levetiden for elektrokemiske solid-state elektrolytsensorer kan nå op på 5 år. Derudover er driftproblemer (ændringer i sensorrespons over tid) og konsistensproblemer (ydeevneforskelle mellem sensorer i samme batch) også vigtige faktorer, der begrænser den brede anvendelse af gassensorer. Som svar på disse problemer er forskere på den ene side forpligtet til at forbedre gasfølsomme materialer og fremstillingsprocesser, og på den anden side kompenserer de for eller undertrykker indflydelsen af sensordrift på måleresultater ved at udvikle avancerede databehandlingsalgoritmer.
De varierede anvendelsesscenarier for gassensorer
Gassensorteknologi har gennemsyret alle aspekter af samfundslivet. Dens anvendelsesscenarier har længe overskredet det traditionelle omfang af industriel sikkerhedsovervågning og ekspanderer hurtigt til en række områder såsom medicinsk sundhed, miljøovervågning, smart home og fødevaresikkerhed. Denne tendens til diversificerede anvendelser afspejler ikke kun de muligheder, som teknologiske fremskridt har medført, men legemliggør også den voksende sociale efterspørgsel efter gasdetektion.
Industriel sikkerhed og overvågning af farlige gasser
Inden for industriel sikkerhed spiller gassensorer en uerstattelig rolle, især i højrisikoindustrier såsom kemiteknik, olie og minedrift. Kinas "14. femårsplan for sikker produktion af farlige kemikalier" kræver klart, at kemiske industriparker etablerer et omfattende overvågnings- og tidligt varslingssystem for giftige og skadelige gasser og fremmer opførelsen af intelligente risikostyringsplatforme. "Handlingsplanen for industrielt internet plus arbejdssikkerhed" opfordrer også parker til at implementere sensorer fra Internet of Things og AI-analyseplatforme for at opnå realtidsovervågning og koordineret reaktion på risici såsom gaslækage. Disse politiske retningslinjer har i høj grad fremmet anvendelsen af gassensorer inden for industriel sikkerhed.
Moderne industrielle gasovervågningssystemer har udviklet en række tekniske metoder. Gassky-billeddannelsesteknologi visualiserer gaslækage ved visuelt at præsentere gasmasser som ændringer i pixelgråniveauer i billedet. Dens detektionsevne er relateret til faktorer som koncentrationen og volumen af den lækkede gas, baggrundstemperaturforskellen og overvågningsafstanden. Fourier-transform infrarød spektroskopiteknologi kan kvalitativt og semi-kvantitativt overvåge over 500 typer gasser, herunder uorganiske, organiske, giftige og skadelige, og kan samtidigt scanne 30 typer gasser. Den er velegnet til de komplekse gasovervågningskrav i kemiske industriparker. Disse avancerede teknologier danner, når de kombineres med traditionelle gassensorer, et industrielt gassikkerhedsovervågningsnetværk på flere niveauer.
På det specifikke implementeringsniveau skal industrielle gasovervågningssystemer overholde en række nationale og internationale standarder. Kinas "Design Standard for Detection and Alarm of Flammable and Toxic Gases in Petrochemical Industry" GB 50493-2019 og "General Technical Specification for Safety Monitoring of Major Hazard Sources of Hazardous Chemicals" AQ 3035-2010 indeholder tekniske specifikationer for industriel gasovervågning 26. Internationalt har OSHA (Occupational Safety and Health Administration of the United States) udviklet en række gasdetektionsstandarder, der kræver gasdetektion før operationer i lukkede rum og sikrer, at koncentrationen af skadelige gasser i luften er under det sikre niveau på 610. Standarderne fra NFPA (National Fire Protection Association of the United States), såsom NFPA 72 og NFPA 54, stiller specifikke krav til detektion af brandfarlige gasser og giftige gasser 610.
Medicinsk sundhed og sygdomsdiagnose
Medicin- og sundhedsområdet er ved at blive et af de mest lovende anvendelsesmarkeder for gassensorer. Den udåndede gas fra menneskekroppen indeholder et stort antal biomarkører relateret til helbredstilstande. Ved at detektere disse biomarkører kan man opnå tidlig screening og kontinuerlig overvågning af sygdomme. Den håndholdte enhed til detektion af acetone i vejrtrækningen, der er udviklet af Dr. Wang Di's team fra Zhejiang Laboratorys Super Perception Research Center, er en typisk repræsentant for denne anvendelse. Denne enhed anvender en kolorimetrisk teknologirute til at måle acetoneindholdet i menneskets udåndede ånde ved at detektere farveændringen af gasfølsomme materialer og derved opnå hurtig og smertefri detektion af type 1-diabetes.
Når insulinniveauet i menneskekroppen er lavt, er den ikke i stand til at omdanne glukose til energi og i stedet nedbryde fedt. Som et af biprodukterne efter fedtnedbrydning udskilles acetone fra kroppen gennem respiration. Dr. Wang Di forklarede 1. Sammenlignet med traditionelle blodprøver tilbyder denne åndedrætsmetode en bedre diagnostisk og terapeutisk oplevelse. Desuden udvikler teamet en "daglig frigivelse"-acetonesensor på et patch. Denne billige, bærbare enhed kan automatisk måle acetonegas, der udsendes fra huden, døgnet rundt. I fremtiden kan den, når den kombineres med kunstig intelligens-teknologi, hjælpe med diagnose, overvågning og medicinvejledning af diabetes.
Udover diabetes viser gassensorer også et stort potentiale i behandlingen af kroniske sygdomme og overvågningen af luftvejssygdomme. Kuldioxidkoncentrationskurven er et vigtigt grundlag for at bedømme patienters pulmonale ventilationsstatus, mens koncentrationskurverne for visse gasmarkører afspejler udviklingstendensen for kroniske sygdomme. Traditionelt krævede fortolkningen af disse data deltagelse af sundhedspersonale. Men med styrkelsen af kunstig intelligens-teknologi kan intelligente gassensorer ikke kun detektere gasser og tegne kurver, men også bestemme graden af sygdomsudvikling, hvilket i høj grad reducerer presset på sundhedspersonalet.
Inden for sundhedsbærbare enheder er anvendelsen af gassensorer stadig i sin tidlige fase, men perspektiverne er brede. Forskere fra Zhuhai Gree Electric Appliances påpegede, at selvom husholdningsapparater adskiller sig fra medicinsk udstyr med sygdomsdiagnosefunktioner, har gassensorarrays inden for daglig sundhedsovervågning i hjemmet fordele såsom lave omkostninger, ikke-invasivitet og miniaturisering, hvilket gør, at de forventes i stigende grad at blive vist i husholdningsapparater såsom mundplejeapparater og smarte toiletter som hjælpeovervågnings- og realtidsovervågningsløsninger. Med den stigende efterspørgsel efter sundhed i hjemmet vil overvågning af menneskers sundhedstilstand gennem husholdningsapparater blive en vigtig retning for udviklingen af smarte hjem.
Miljøovervågning og forebyggelse og kontrol af forurening
Miljøovervågning er et af de områder, hvor gassensorer er mest udbredt. I takt med at den globale vægtning af miljøbeskyttelse fortsætter med at stige, vokser behovet for overvågning af forskellige forurenende stoffer i atmosfæren også dag for dag. Gassensorer kan detektere skadelige gasser såsom kulilte, svovldioxid og ozon, hvilket giver et effektivt værktøj til overvågning af luftkvaliteten i miljøet.
Den elektrokemiske gassensor UGT-E4 fra British Gas Shield Company er et repræsentativt produkt inden for miljøovervågning. Den kan nøjagtigt måle indholdet af forurenende stoffer i atmosfæren og yde rettidig og præcis datasupport til miljøbeskyttelsesafdelinger. Denne sensor har, gennem integration med moderne informationsteknologi, opnået funktioner som fjernovervågning, dataupload og intelligent alarm, hvilket forbedrer effektiviteten og bekvemmeligheden ved gasdetektion betydeligt. Brugere kan holde styr på ændringer i gaskoncentrationen når som helst og hvor som helst blot via deres mobiltelefoner eller computere, hvilket giver et videnskabeligt grundlag for miljøstyring og politikudformning.
Med hensyn til overvågning af indeklimaet spiller gassensorer også en vigtig rolle. EN 45544-standarden udstedt af Den Europæiske Standardiseringskomité (EN) er specifikt til test af indeklimaet og dækker testkravene for forskellige skadelige gasser 610. Almindelige kuldioxidsensorer, formaldehydsensorer osv. på markedet anvendes i vid udstrækning i private boliger, erhvervsbygninger og offentlige underholdningssteder og hjælper folk med at skabe et sundere og mere behageligt indeklima. Især under COVID-19-pandemien har indendørs ventilation og luftkvalitet fået hidtil uset opmærksomhed, hvilket yderligere har fremmet udviklingen og anvendelsen af relaterede sensorteknologier.
Overvågning af kulstofemissioner er en fremadstormende anvendelsesretning for gassensorer. På baggrund af global kulstofneutralitet er præcis overvågning af drivhusgasser såsom kuldioxid blevet særligt vigtig. Infrarøde kuldioxidsensorer har unikke fordele på dette område på grund af deres høje præcision, gode selektivitet og lange levetid. "Retningslinjerne for konstruktion af intelligente sikkerhedsrisikostyringsplatforme i kemiske industriparker" i Kina har angivet overvågning af brændbare/giftige gasser og sporing af lækagekilder som obligatorisk konstruktionsindhold, hvilket afspejler det politiske niveaus vægtning af gasovervågningens rolle inden for miljøbeskyttelse.
Smart hjem og fødevaresikkerhed
Smart home er det mest lovende forbrugermarked for gassensorer. I øjeblikket anvendes gassensorer primært i husholdningsapparater såsom luftrensere og friske klimaanlæg. Med introduktionen af sensorarrays og intelligente algoritmer udnyttes deres anvendelsespotentiale i scenarier som konservering, madlavning og sundhedsovervågning gradvist.
Med hensyn til konservering af fødevarer kan gassensorer overvåge de ubehagelige lugte, der frigives fra fødevarer under opbevaring, for at bestemme fødevarernes friskhed. Nylige forskningsresultater viser, at uanset om en enkelt sensor bruges til at overvåge lugtkoncentrationen, eller en gassensoropstilling kombineret med mønstergenkendelsesmetoder anvendes til at bestemme fødevarernes friskhed, er der opnået gode effekter. På grund af kompleksiteten af de faktiske brugsscenarier for køleskabe (såsom interferens fra brugere, der åbner og lukker døre, starter og stopper kompressorer og intern luftcirkulation osv.), samt den gensidige påvirkning af forskellige flygtige gasser fra fødevareingredienser, er der dog stadig plads til forbedring af nøjagtigheden af bestemmelsen af fødevarers friskhed.
Madlavningsapplikationer er et andet vigtigt scenarie for gassensorer. Der produceres hundredvis af gasformige forbindelser under tilberedningsprocessen, herunder partikler, alkaner, aromatiske forbindelser, aldehyder, ketoner, alkoholer, alkener og andre flygtige organiske forbindelser. I et så komplekst miljø viser gassensorarrays mere åbenlyse fordele end enkeltstående sensorer. Undersøgelser viser, at gassensorarrays kan bruges til at bestemme madens tilberedningsstatus baseret på personlig smag eller som et supplerende kostovervågningsværktøj til regelmæssigt at rapportere madlavningsvaner til brugerne. Imidlertid kan faktorer i madlavningsmiljøet, såsom høj temperatur, madrøg og vanddamp, let forårsage, at sensoren "forgiftes", hvilket er et teknisk problem, der skal løses.
Inden for fødevaresikkerhed har Wang Di-teamets forskning vist den potentielle anvendelsesværdi af gassensorer. De sigter mod målet om at "identificere snesevis af gasser samtidigt med et lille mobiltelefon-plugin" og er forpligtet til at gøre fødevaresikkerhedsinformation let tilgængelig. Denne stærkt integrerede array-olfaktoriske enhed kan detektere flygtige komponenter i fødevarer, bestemme fødevarers friskhed og sikkerhed og give forbrugerne referencer i realtid.
Tabel: Primære detektionsobjekter og tekniske egenskaber ved gassensorer i forskellige anvendelsesområder
Anvendelsesområder, primære detektionsobjekter, almindeligt anvendte sensortyper, tekniske udfordringer, udviklingstendenser
Industriel sikkerhedsbrændbar gas, katalytisk forbrændingstype for giftig gas, elektrokemisk type, tolerance for barske omgivelser, synkron overvågning af flere gasser, sporing af lækagekilder
Medicinsk og sundhedsmæssig acetone, CO₂, VOC'er, halvledertype, kolorimetrisk typeselektivitet og -følsomhed, bærbar og intelligent diagnose
Implementering af langsigtet stabilitetsnet og realtidsdatatransmission til miljøovervågning af luftforurenende stoffer og drivhusgasser i infrarød og elektrokemisk form
Smart home madflygtig gas, madlavningsrøg halvledertype, PID anti-interferens kapacitet
Kontakt venligst Honde Technology Co., LTD.
Email: info@hondetech.com
Virksomhedens hjemmeside:www.hondetechco.com
Tlf.: +86-15210548582
Opslagstidspunkt: 11. juni 2025