Med den snabba utvecklingen av tekniker som sakernas internet och artificiell intelligens, omfamnar gassensorer, en viktig sensor som kallas de "fem elektriska sinnena", oöverträffade utvecklingsmöjligheter. Från den initiala övervakningen av industriella giftiga och skadliga gaser till dess breda tillämpning inom medicinsk diagnostik, smarta hem, miljöövervakning och andra områden idag, genomgår gassensortekniken en djupgående omvandling från en enda funktion till intelligens, miniatyrisering och flerdimensionalitet. Denna artikel kommer att analysera de tekniska egenskaperna, de senaste forskningsframstegen och den globala tillämpningsstatusen för gassensorer, med särskild uppmärksamhet på utvecklingstrenderna inom gasövervakning i länder som Kina och USA.
Tekniska egenskaper och utvecklingstrender för gassensorer
Som en omvandlare som omvandlar volymfraktionen av en specifik gas till motsvarande elektrisk signal har gassensorn blivit en oumbärlig och viktig komponent i modern sensorteknik. Denna typ av utrustning bearbetar gasprover genom detektionshuvuden, vanligtvis inklusive steg som att filtrera bort föroreningar och störande gaser, torka eller kyla behandling, och slutligen omvandla gaskoncentrationsinformation till mätbara elektriska signaler. För närvarande finns det olika typer av gassensorer på marknaden, inklusive halvledartyp, elektrokemisk typ, katalytisk förbränningstyp, infraröda gassensorer och fotojoniseringsgassensorer (PID), etc. Var och en av dem har sina egna egenskaper och används ofta inom civila, industriella och miljömässiga testområden.
Stabilitet och känslighet är de två centrala indikatorerna för att utvärdera prestandan hos gassensorer. Stabilitet avser hur länge en sensors grundläggande respons är bestående under hela dess arbetstid, vilket beror på nolldrift och intervalldrift. Idealiskt sett bör den årliga nolldriften för högkvalitativa sensorer under kontinuerliga arbetsförhållanden vara mindre än 10 %. Känslighet avser förhållandet mellan förändringen i sensorns utdata och förändringen i den uppmätta indata. Känsligheten hos olika typer av sensorer varierar avsevärt, främst beroende på de tekniska principer och materialval de använder. Dessutom är selektivitet (dvs. korskänslighet) och korrosionsbeständighet också viktiga parametrar för att utvärdera prestandan hos gassensorer. Den förra avgör sensorns igenkänningsförmåga i en blandad gasmiljö, medan den senare är relaterad till sensorns tolerans i målgaser med hög koncentration.
Den nuvarande utvecklingen av gassensorteknik uppvisar flera tydliga trender. Först och främst har forskningen och utvecklingen av nya material och nya processer fortsatt att fördjupas. Traditionella metalloxidhalvledarmaterial som ZnO, SiO₂, Fe₂O₃, etc. har mognat. Forskare dopar, modifierar och ytmodifierar befintliga gaskänsliga material genom kemiska modifieringsmetoder, och förbättrar samtidigt filmbildningsprocessen för att förbättra sensorernas stabilitet och selektivitet. Samtidigt utvecklas även nya material som komposit- och hybridhalvledargaskänsliga material och polymergaskänsliga material. Dessa material uppvisar högre känslighet, selektivitet och stabilitet för olika gaser.
Sensorers intelligens är en annan viktig utvecklingsriktning. Med den framgångsrika tillämpningen av nya materialtekniker som nanoteknik och tunnfilmsteknik blir gassensorer mer integrerade och intelligenta. Genom att fullt ut utnyttja tvärvetenskapliga integrerade tekniker som mikromekanisk och mikroelektronisk teknik, datorteknik, signalbehandlingsteknik, sensorteknik och feldiagnosteknik utvecklar forskare helautomatiska digitala intelligenta gassensorer som kan övervaka flera gaser samtidigt. En multivariabel sensor av kemisk resistenspotentialtyp som nyligen utvecklats av forskargruppen under ledning av docent Yi Jianxin från State Key Laboratory of Fire Science vid University of Science and Technology of China är en typisk representant för denna trend. Denna sensor möjliggör tredimensionell detektering och noggrann identifiering av flera gaser och brandegenskaper med en enda enhet 59.
Arrayisering och algoritmoptimering får också allt större uppmärksamhet. På grund av problemet med bredspektrumrespons hos en enda gassensor är den benägen att störas när flera gaser existerar samtidigt. Att använda flera gassensorer för att bilda en array har blivit en effektiv lösning för att förbättra igenkänningsförmågan. Genom att öka dimensionerna hos den detekterade gasen kan sensorarrayen få fler signaler, vilket bidrar till att utvärdera fler parametrar och förbättra förmågan till bedömning och igenkänning. Men när antalet sensorer i arrayen ökar ökar även komplexiteten i databehandlingen. Därför är optimering av sensorarrayen särskilt viktig. Vid arrayoptimering används metoder som korrelationskoefficient och klusteranalys i stor utsträckning, medan gasigenkänningsalgoritmer som Principal Component Analysis (PCA) och Artificial Neural Network (ANN) har avsevärt förbättrat sensorernas mönsterigenkänningsförmåga.
Tabell: Prestandajämförelse av huvudtyper av gassensorer
Sensortyp, arbetsprincip, fördelar och nackdelar, typisk livslängd
Halvledartyp gasadsorption har låg kostnad för att ändra halvledarresistansen, snabb respons, dålig selektivitet och påverkas kraftigt av temperatur och fuktighet i 2-3 år.
Elektrokemisk gas genomgår REDOX-reaktioner för att generera ström, vilken har god selektivitet och hög känslighet. Elektrolyten har dock begränsat slitage och en livslängd på 1–2 år (för flytande elektrolyt).
Katalytisk förbränning av brännbara gaser orsakar temperaturförändringar. Den är specifikt utformad för detektering av brännbara gaser och är endast tillämplig på brännbara gaser i cirka tre år.
Infraröda gaser har hög noggrannhet i att absorbera infrarött ljus med specifika våglängder, orsakar inte förgiftning, men har en hög kostnad och en relativt stor volym under 5 till 10 år.
Fotojonisering (PID) ultraviolett fotojonisering för gasmolekyldetektering av VOC har hög känslighet och kan inte skilja mellan typerna av föreningar på 3 till 5 år.
Det är värt att notera att även om gassensortekniken har gjort avsevärda framsteg, står den fortfarande inför vissa gemensamma utmaningar. Sensorernas livslängd begränsar deras tillämpning inom vissa områden. Till exempel är livslängden för halvledarsensorer cirka 2 till 3 år, för elektrokemiska gassensorer cirka 1 till 2 år på grund av elektrolytförlust, medan livslängden för elektrokemiska sensorer med fast tillståndselektrolyt kan nå 5 år. Dessutom är driftproblem (förändringar i sensorrespons över tid) och konsistensproblem (prestandaskillnader mellan sensorer i samma batch) också viktiga faktorer som begränsar den breda tillämpningen av gassensorer. Som svar på dessa problem är forskare å ena sidan engagerade i att förbättra gaskänsliga material och tillverkningsprocesser, och å andra sidan kompenserar de för eller undertrycker påverkan av sensordrift på mätresultaten genom att utveckla avancerade databehandlingsalgoritmer.
De diversifierade tillämpningsscenarierna för gassensorer
Gassensorteknik har genomsyrat alla aspekter av samhällslivet. Dess tillämpningar har länge överskridit det traditionella omfånget för industriell säkerhetsövervakning och expanderar snabbt till flera områden som medicinsk hälsa, miljöövervakning, smarta hem och livsmedelssäkerhet. Denna trend av diversifierade tillämpningar återspeglar inte bara de möjligheter som tekniska framsteg medför, utan förkroppsligar också den växande sociala efterfrågan på gasdetektering.
Industriell säkerhet och övervakning av farliga gaser
Inom området industriell säkerhet spelar gassensorer en oersättlig roll, särskilt inom högriskindustrier som kemiteknik, petroleum och gruvdrift. Kinas "14:e femårsplan för säker produktion av farliga kemikalier" kräver tydligt att kemiska industriparker inrättar ett omfattande övervaknings- och tidigt varningssystem för giftiga och skadliga gaser och främjar byggandet av intelligenta riskkontrollplattformar. "Handlingsplanen för industriellt internet plus arbetssäkerhet" uppmuntrar också parker att distribuera sensorer för sakernas internet och AI-analysplattformar för att uppnå realtidsövervakning och samordnade åtgärder mot risker som gasläckage. Dessa policyinriktningar har i hög grad främjat tillämpningen av gassensorer inom området industriell säkerhet.
Moderna industriella gasövervakningssystem har utvecklat en mängd olika tekniska vägar. Gasmolnsavbildningsteknik visualiserar gasläckage genom att visuellt presentera gasmassor som förändringar i pixelgrånivåer i bilden. Dess detekteringsförmåga är relaterad till faktorer som koncentrationen och volymen av den läckta gasen, bakgrundstemperaturskillnaden och övervakningsavståndet. Fouriertransform infrarödspektroskopiteknik kan kvalitativt och semi-kvantitativt övervaka över 500 typer av gaser, inklusive oorganiska, organiska, giftiga och skadliga, och kan samtidigt skanna 30 typer av gaser. Den är lämplig för de komplexa gasövervakningskraven i kemiska industriparker. Dessa avancerade tekniker, i kombination med traditionella gassensorer, bildar ett flernivånätverk för industriell gassäkerhet.
På den specifika implementeringsnivån måste industriella gasövervakningssystem uppfylla en rad nationella och internationella standarder. Kinas "Design Standard for Detection and Alarm of Flammable and Toxic Gases in Petrochemical Industry" GB 50493-2019 och "General Technical Specification for Safety Monitoring of Major Hazard Sources of Hazardous Chemicals" AQ 3035-2010 tillhandahåller tekniska specifikationer för övervakning av industriella gaser 26. Internationellt har OSHA (Occupational Safety and Health Administration of the United States) utvecklat en serie gasdetekteringsstandarder som kräver gasdetektering före operationer i trånga utrymmen och säkerställer att koncentrationen av skadliga gaser i luften är under säkerhetsnivån 610. Standarderna från NFPA (National Fire Protection Association of the United States), såsom NFPA 72 och NFPA 54, ställer specifika krav för detektering av brandfarliga gaser och giftiga gaser 610.
Medicinsk hälsa och sjukdomsdiagnos
Medicin- och hälsovårdsområdet håller på att bli en av de mest lovande tillämpningsmarknaderna för gassensorer. Den utandade gasen i människokroppen innehåller ett stort antal biomarkörer relaterade till hälsotillstånd. Genom att detektera dessa biomarkörer kan tidig screening och kontinuerlig övervakning av sjukdomar uppnås. Den handhållna andningsacetondetekteringsenheten som utvecklats av Dr. Wang Dis team från Zhejiang Laboratorys Super Perception Research Center är ett typiskt representant för denna tillämpning. Denna enhet använder en kolorimetrisk teknikruta för att mäta acetonhalten i mänsklig utandningsluft genom att detektera färgförändringen hos gaskänsliga material, vilket ger snabb och smärtfri detektion av typ 1-diabetes.
När insulinnivån i människokroppen är låg kan den inte omvandla glukos till energi utan istället bryta ner fett. Som en av biprodukterna efter fettnedbrytning utsöndras aceton från kroppen genom andning. Dr. Wang Di förklarade 1. Jämfört med traditionella blodprover erbjuder denna utandningstestmetod en bättre diagnostisk och terapeutisk upplevelse. Dessutom utvecklar teamet en "daglig frisättning" av aceton på en plåster. Denna billiga bärbara enhet kan automatiskt mäta acetongasen som avges från huden dygnet runt. I framtiden, i kombination med artificiell intelligens, kan den hjälpa till vid diagnos, övervakning och medicineringsvägledning för diabetes.
Förutom diabetes visar gassensorer också stor potential för hantering av kroniska sjukdomar och övervakning av luftvägssjukdomar. Koldioxidkoncentrationskurvan är en viktig grund för att bedöma patienters lungventilationsstatus, medan koncentrationskurvorna för vissa gasmarkörer återspeglar utvecklingstendensen för kroniska sjukdomar. Traditionellt krävde tolkningen av dessa data deltagande av medicinsk personal. Men med hjälp av artificiell intelligens kan intelligenta gassensorer inte bara detektera gaser och rita kurvor, utan också bestämma graden av sjukdomsutveckling, vilket avsevärt minskar belastningen på medicinsk personal.
Inom området bärbara hälsoapparater är tillämpningen av gassensorer fortfarande i ett tidigt skede, men utsikterna är breda. Forskare från Zhuhai Gree Electric Appliances påpekade att även om hushållsapparater skiljer sig från medicintekniska produkter med sjukdomsdiagnosfunktioner, har gassensormatriser inom området daglig hälsoövervakning i hemmet fördelar som låg kostnad, icke-invasivitet och miniatyrisering, vilket gör att de förväntas dyka upp i allt större utsträckning i hushållsapparater som munvårdsapparater och smarta toaletter som hjälpövervaknings- och realtidsövervakningslösningar. Med den ökande efterfrågan på hemhälsa kommer övervakning av människors hälsostatus genom hushållsapparater att bli en viktig riktning för utvecklingen av smarta hem.
Miljöövervakning och förebyggande och kontroll av föroreningar
Miljöövervakning är ett av de områden där gassensorer används mest. I takt med att den globala betoningen på miljöskydd fortsätter att öka, ökar också efterfrågan på att övervaka olika föroreningar i atmosfären dag för dag. Gassensorer kan detektera skadliga gaser som kolmonoxid, svaveldioxid och ozon, vilket ger ett effektivt verktyg för att övervaka luftkvaliteten i omgivningen.
Den elektrokemiska gassensorn UGT-E4 från British Gas Shield Company är en representativ produkt inom miljöövervakning. Den kan noggrant mäta halten av föroreningar i atmosfären och ge miljöskyddsmyndigheter snabb och korrekt dataunderhåll. Genom integration med modern informationsteknik har sensorn uppnått funktioner som fjärrövervakning, datauppladdning och intelligent larm, vilket avsevärt förbättrar effektiviteten och bekvämligheten vid gasdetektering. Användare kan hålla koll på förändringar i gaskoncentrationen när som helst och var som helst enkelt via sina mobiltelefoner eller datorer, vilket ger en vetenskaplig grund för miljöledning och beslutsfattande.
När det gäller övervakning av inomhusluftkvalitet spelar gassensorer också en viktig roll. Standarden EN 45544, utfärdad av Europeiska standardiseringskommittén (EN), är specifikt för testning av inomhusluftkvalitet och täcker testkraven för olika skadliga gaser 610. Vanliga koldioxidsensorer, formaldehydsensorer etc. på marknaden används ofta i privata bostäder, kommersiella byggnader och offentliga nöjeslokaler, vilket hjälper människor att skapa en hälsosammare och bekvämare inomhusmiljö. Särskilt under COVID-19-pandemin har inomhusventilation och luftkvalitet fått oöverträffad uppmärksamhet, vilket ytterligare främjar utvecklingen och tillämpningen av relaterade sensortekniker.
Övervakning av koldioxidutsläpp är en framväxande tillämpningsriktning för gassensorer. Mot bakgrund av global koldioxidneutralitet har noggrann övervakning av växthusgaser som koldioxid blivit särskilt viktig. Infraröda koldioxidsensorer har unika fördelar inom detta område tack vare deras höga precision, goda selektivitet och långa livslängd. I "Riktlinjerna för konstruktion av intelligenta säkerhetsriskkontrollplattformar i kemiska industriparker" i Kina har övervakning av brännbara/giftiga gaser och spårningsanalys av läckagekällor listats som obligatoriska konstruktionsinnehåll, vilket återspeglar den politiska nivåns betoning på gasövervakningens roll inom miljöskyddsområdet.
Smarta hem och livsmedelssäkerhet
Smarta hem är den mest lovande konsumentmarknaden för gassensorer. För närvarande används gassensorer främst i hushållsapparater som luftrenare och luftkonditioneringsapparater. Men med introduktionen av sensormatriser och intelligenta algoritmer utnyttjas deras tillämpningspotential i scenarier som konservering, matlagning och hälsoövervakning gradvis.
När det gäller livsmedelskonservering kan gassensorer övervaka de obehagliga lukter som avges av livsmedel under förvaring för att bestämma livsmedlets färskhet. Nyligen genomförda forskningsresultat visar att oavsett om en enda sensor används för att övervaka luktkoncentrationen eller en gassensoruppsättning i kombination med mönsterigenkänningsmetoder används för att bestämma livsmedlets färskhet, har goda effekter uppnåtts. Men på grund av komplexiteten i faktiska användningsscenarier för kylskåp (såsom störningar från användare som öppnar och stänger dörrar, startar och stoppar kompressorer och intern luftcirkulation, etc.), samt den ömsesidiga påverkan av olika flyktiga gaser från livsmedelsingredienser, finns det fortfarande utrymme för förbättringar i noggrannheten vid bestämning av livsmedels färskhet.
Matlagningsapplikationer är ett annat viktigt scenario för gassensorer. Hundratals gasformiga föreningar produceras under tillagningsprocessen, inklusive partiklar, alkaner, aromatiska föreningar, aldehyder, ketoner, alkoholer, alkener och andra flyktiga organiska föreningar. I en sådan komplex miljö uppvisar gassensormatriser fler uppenbara fördelar än enskilda sensorer. Studier visar att gassensormatriser kan användas för att bestämma matens tillagningsstatus baserat på personlig smak, eller som ett extra kostövervakningsverktyg för att regelbundet rapportera matlagningsvanor till användarna. Faktorer i matlagningsmiljön, såsom hög temperatur, matos och vattenånga, kan dock lätt få sensorn att "förgiftas", vilket är ett tekniskt problem som måste lösas.
Inom livsmedelssäkerhet har Wang Di-teamets forskning visat det potentiella tillämpningsvärdet av gassensorer. De syftar till att "identifiera dussintals gaser samtidigt med en liten mobiltelefon-plugin" och är engagerade i att göra information om livsmedelssäkerhet lättillgänglig. Denna högintegrerade array av luktsensorer kan upptäcka flyktiga komponenter i livsmedel, bestämma livsmedels färskhet och säkerhet och ge konsumenter referenser i realtid.
Tabell: Huvudsakliga detektionsobjekt och tekniska egenskaper hos gassensorer inom olika tillämpningsområden
Användningsområden, huvudsakliga detektionsobjekt, vanligt förekommande sensortyper, tekniska utmaningar, utvecklingstrender
Industriell säkerhetsbrännbar gas, giftig gas katalytisk förbränningstyp, elektrokemisk typ, tolerans för tuffa miljöer, synkron övervakning av flera gaser, spårning av läckagekällor
Medicinsk och hälsomässig aceton, CO₂, VOC:er, halvledartyp, kolorimetrisk typselektivitet och känslighet, bärbar och intelligent diagnos
Långsiktigt stabilitetsnätsutbyggnad och realtidsdataöverföring för miljöövervakning av luftföroreningar och växthusgaser i infraröd och elektrokemisk form
Smart hemmat flyktig gas, matrök halvledartyp, PID anti-interferenskapacitet
Vänligen kontakta Honde Technology Co., LTD.
Email: info@hondetech.com
Företagets webbplats:www.hondetechco.com
Tel: +86-15210548582
Publiceringstid: 11 juni 2025