С бързото развитие на технологии като Интернет на нещата и изкуствения интелект, газовите сензори, важни сензорни устройства, известни като „електрически пет сетива“, прегръщат безпрецедентни възможности за развитие. От първоначалното наблюдение на промишлени токсични и вредни газове до широкото им приложение в медицинската диагностика, интелигентния дом, мониторинга на околната среда и други области днес, технологията на газовите сензори претърпява дълбока трансформация от единична функция към интелигентност, миниатюризация и многоизмерност. Тази статия ще анализира подробно техническите характеристики, най-новия напредък в научните изследвания и глобалното състояние на приложение на газовите сензори, като ще се обърне специално внимание на тенденциите в развитието в областта на газовия мониторинг в страни като Китай и Съединените щати.
Технически характеристики и тенденции в развитието на газовите сензори
Като преобразувател, който преобразува обемната фракция на специфичен газ в съответния електрически сигнал, газовият сензор се е превърнал в незаменим и важен компонент в съвременната сензорна технология. Този тип оборудване обработва газови проби чрез детекторни глави, обикновено включвайки стъпки като филтриране на примеси и смущаващи газове, сушене или хладилна обработка и в крайна сметка преобразуване на информацията за концентрацията на газ в измерими електрически сигнали. В момента на пазара се предлагат различни видове газови сензори, включително полупроводникови, електрохимични, каталитични, инфрачервени газови сензори и фотойонизационни (PID) газови сензори и др. Всеки от тях има свои собствени характеристики и се използва широко в гражданските, промишлените и екологичните тестове.
Стабилността и чувствителността са двата основни показателя за оценка на работата на газовите сензори. Стабилността се отнася до запазването на основния отговор на сензора през цялото му работно време, което зависи от дрейфа на нулата и интервалния дрейф. В идеалния случай, за висококачествени сензори при непрекъснати работни условия, годишният дрейф на нулата трябва да бъде по-малък от 10%. Чувствителността се отнася до съотношението на промяната в изхода на сензора към промяната в измерения вход. Чувствителността на различните видове сензори варира значително, главно в зависимост от техническите принципи и избора на материали, които възприемат. Освен това, селективността (т.е. кръстосаната чувствителност) и устойчивостта на корозия също са важни параметри за оценка на работата на газовите сензори. Първият определя способността на сензора за разпознаване в смесена газова среда, докато вторият е свързан с толеранса на сензора към целеви газове с висока концентрация.
Настоящото развитие на технологията за газови сензори представя няколко очевидни тенденции. На първо място, изследванията и разработването на нови материали и нови процеси продължават да се задълбочават. Традиционните металооксидни полупроводникови материали като ZnO, SiO₂, Fe₂O₃ и др. са достигнали зрялост. Изследователите допират, модифицират и повърхностно модифицират съществуващи газочувствителни материали чрез методи за химическа модификация и едновременно с това подобряват процеса на образуване на филм, за да подобрят стабилността и селективността на сензорите. В същото време активно се развива и разработването на нови материали, като композитни и хибридни полупроводникови газочувствителни материали и полимерни газочувствителни материали. Тези материали показват по-висока чувствителност, селективност и стабилност към различни газове.
Интелигентността на сензорите е друга важна насока за развитие. С успешното прилагане на нови материални технологии, като нанотехнологиите и тънкослойните технологии, газовите сензори стават все по-интегрирани и интелигентни. Чрез пълноценно използване на мултидисциплинарни интегрирани технологии, като микромеханични и микроелектронни технологии, компютърни технологии, технологии за обработка на сигнали, сензорни технологии и технологии за диагностика на повреди, изследователите разработват напълно автоматични цифрови интелигентни газови сензори, способни едновременно да наблюдават множество газове. Многовариантен сензор от типа химическа устойчивост и потенциал, разработен наскоро от изследователската група на доцент И Джиенсин от Държавната ключова лаборатория по пожарна наука в Китайския университет за наука и технологии, е типичен представител на тази тенденция. Този сензор реализира триизмерно откриване и точна идентификация на множество газове и характеристики на пожара от едно устройство 59.
Оптимизацията на масиви и алгоритмите също получават все по-голямо внимание. Поради проблема с широкоспектърния отговор на един газов сензор, той е склонен към смущения, когато едновременно съществуват множество газове. Използването на множество газови сензори за формиране на масив се е превърнало в ефективно решение за подобряване на способността за разпознаване. Чрез увеличаване на размерите на детектирания газ, сензорният масив може да получава повече сигнали, което е благоприятно за оценка на повече параметри и подобряване на способността за преценка и разпознаване. С увеличаването на броя на сензорите в масива обаче се увеличава и сложността на обработката на данните. Следователно, оптимизацията на сензорния масив е особено важна. При оптимизацията на масиви широко се използват методи като коефициент на корелация и клъстерен анализ, докато алгоритми за разпознаване на газове, като анализ на главните компоненти (PCA) и изкуствени невронни мрежи (ANN), значително са подобрили способността на сензорите за разпознаване на образи.
Таблица: Сравнение на производителността на основните видове газови сензори
Тип сензор, принцип на работа, предимства и недостатъци, типичен живот
Адсорбцията на газ от полупроводников тип има ниска цена при промяна на съпротивлението на полупроводниците, бърза реакция, лоша селективност и е силно повлияна от температурата и влажността в продължение на 2-3 години.
Електрохимичният газ претърпява REDOX реакции, за да генерира ток, който има добра селективност и висока чувствителност. Електролитът обаче има ограничено износване и живот от 1-2 години (за течен електролит).
Каталитичното горене, при което горящите газове причиняват температурни промени. То е специално проектирано за откриване на горими газове и е приложимо само за горими газове за период от приблизително три години.
Инфрачервените газове имат висока точност при абсорбиране на инфрачервена светлина със специфични дължини на вълната, не причиняват отравяне, но имат висока цена и относително голям обем за 5 до 10 години.
Фотойонизационната (PID) ултравиолетова фотойонизация за откриване на газови молекули на летливи органични съединения (ЛОС) има висока чувствителност и не може да разграничи видовете съединения в продължение на 3 до 5 години.
Струва си да се отбележи, че въпреки значителния напредък на технологията за газови сензори, тя все още е изправена пред някои често срещани предизвикателства. Животът на сензорите ограничава приложението им в определени области. Например, животът на полупроводниковите сензори е приблизително 2 до 3 години, този на електрохимичните газови сензори е около 1 до 2 години поради загуба на електролит, докато животът на твърдотелните електролитни електрохимични сензори може да достигне 5 години. Освен това, проблемите с дрейфа (промени в реакцията на сензора с течение на времето) и проблемите с консистентността (разлики в производителността между сензорите от една и съща партида) също са важни фактори, ограничаващи широкото приложение на газовите сензори. В отговор на тези проблеми, изследователите, от една страна, са ангажирани с подобряването на газочувствителните материали и производствените процеси, а от друга страна, компенсират или потискат влиянието на дрейфа на сензора върху резултатите от измерванията чрез разработване на усъвършенствани алгоритми за обработка на данни.
Разнообразните сценарии на приложение на газови сензори
Технологията на газовите сензори е проникнала във всеки аспект от социалния живот. Сценариите на нейното приложение отдавна надхвърлят традиционния обхват на мониторинга на индустриалната безопасност и бързо се разширяват в множество области, като например медицинско здраве, мониторинг на околната среда, интелигентен дом и безопасност на храните. Тази тенденция на разнообразни приложения не само отразява възможностите, породени от технологичния прогрес, но и въплъщава нарастващото социално търсене на газова детекция.
Индустриална безопасност и мониторинг на опасни газове
В областта на индустриалната безопасност, газовите сензори играят незаменима роля, особено в индустрии с висок риск като химическото инженерство, петролния и минното дело. „14-ият петгодишен план за безопасно производство на опасни химикали“ на Китай ясно изисква химическите индустриални паркове да създадат цялостна система за мониторинг и ранно предупреждение за токсични и вредни газове и да насърчат изграждането на интелигентни платформи за контрол на риска. „Планът за действие „Индустриален интернет плюс безопасност на труда“ също така насърчава парковете да внедряват сензори от интернет на нещата и платформи за анализ с изкуствен интелект, за да се постигне мониторинг в реално време и координиран отговор на рискове като изтичане на газ. Тези политически насоки значително насърчиха приложението на газови сензори в областта на индустриалната безопасност.
Съвременните системи за мониторинг на промишлени газове са разработили разнообразни технически подходи. Технологията за изобразяване на газови облаци визуализира изтичането на газ, като визуално представя газовите маси като промени в нивата на сивото на пикселите в изображението. Способността ѝ за откриване е свързана с фактори като концентрацията и обема на изтичащия газ, разликата в фоновата температура и разстоянието на наблюдение. Технологията за инфрачервена спектроскопия с преобразуване на Фурие може качествено и полуколичествено да наблюдава над 500 вида газове, включително неорганични, органични, токсични и вредни, и може едновременно да сканира 30 вида газове. Тя е подходяща за сложните изисквания за мониторинг на газ в химическите индустриални паркове. Тези усъвършенствани технологии, когато се комбинират с традиционните газови сензори, образуват многостепенна мрежа за мониторинг на безопасността на промишлените газове.
На специфично ниво на внедряване, системите за мониторинг на промишлени газове трябва да отговарят на редица национални и международни стандарти. Китайският „Стандарт за проектиране за откриване и алармиране на запалими и токсични газове в нефтохимическата промишленост“ GB 50493-2019 и „Обща техническа спецификация за мониторинг на безопасността на големи източници на опасни химикали“ AQ 3035-2010 предоставят технически спецификации за мониторинг на промишлени газове 26. В международен план OSHA (Администрация по безопасност и здраве при работа на Съединените щати) е разработила серия от стандарти за откриване на газове, изискващи откриване на газ преди операции в затворени пространства и гарантиращи, че концентрацията на вредни газове във въздуха е под безопасното ниво 610. Стандартите на NFPA (Национална асоциация за противопожарна защита на Съединените щати), като NFPA 72 и NFPA 54, поставят специфични изисквания за откриване на запалими и токсични газове 610.
Медицинско здраве и диагностика на заболявания
Медицинската и здравната област се превръща в един от най-обещаващите пазари за приложения на газови сензори. Издишаният газ от човешкото тяло съдържа голям брой биомаркери, свързани със здравословни състояния. Чрез откриване на тези биомаркери може да се постигне ранен скрининг и непрекъснато наблюдение на заболяванията. Ръчното устройство за откриване на ацетон в дихателния въздух, разработено от екипа на д-р Уанг Ди от Изследователския център за супервъзприятие на лабораторията Zhejiang, е типичен представител на това приложение. Това устройство използва колориметричен технологичен път за измерване на съдържанието на ацетон в издишания човек чрез откриване на промяната на цвета на газочувствителни материали, като по този начин се постига бързо и безболезнено откриване на диабет тип 1.
Когато нивото на инсулин в човешкото тяло е ниско, то не е в състояние да преобразува глюкозата в енергия и вместо това да разгражда мазнините. Като един от страничните продукти след разграждането на мазнините, ацетонът се отделя от тялото чрез дишане. Д-р Уанг Ди обясни: 1. В сравнение с традиционните кръвни тестове, този метод за дихателен тест предлага по-добро диагностично и терапевтично преживяване. Освен това екипът разработва сензор за ацетон с „ежедневно освобождаване“. Това евтино носимо устройство може автоматично да измерва ацетонния газ, отделян от кожата, денонощно. В бъдеще, в комбинация с технология за изкуствен интелект, то може да помогне при диагностицирането, наблюдението и насочването на лекарствата при диабет.
Освен при диабет, газовите сензори показват голям потенциал и в лечението на хронични заболявания и мониторинга на респираторни заболявания. Кривата на концентрацията на въглероден диоксид е важна основа за оценка на състоянието на белодробната вентилация на пациентите, докато кривите на концентрацията на определени газови маркери отразяват тенденцията на развитие на хроничните заболявания. Традиционно интерпретацията на тези данни изискваше участието на медицински персонал. С развитието на технологиите за изкуствен интелект обаче, интелигентните газови сензори могат не само да откриват газове и да изчертават криви, но и да определят степента на развитие на заболяването, което значително намалява натиска върху медицинския персонал.
В областта на носимите устройства за здраве, приложението на газови сензори все още е в ранен етап, но перспективите са широки. Изследователи от Zhuhai Gree Electric Appliances посочиха, че въпреки че домакинските уреди се различават от медицинските устройства с функции за диагностика на заболявания, в областта на ежедневното наблюдение на здравето на дома, масивите от газови сензори имат предимства като ниска цена, неинвазивност и миниатюризация, което ги кара да се очаква все по-често да се появяват в домакински уреди, като например уреди за грижа за устната кухина и интелигентни тоалетни, като спомагателни решения за мониторинг и наблюдение в реално време. С нарастващото търсене на домашно здраве, наблюдението на човешкото здравословно състояние чрез домакински уреди ще се превърне във важна насока за развитието на интелигентните домове.
Мониторинг на околната среда и предотвратяване и контрол на замърсяването
Мониторингът на околната среда е една от областите, в които газовите сензори намират най-широко приложение. Тъй като глобалният акцент върху опазването на околната среда продължава да се увеличава, търсенето на мониторинг на различни замърсители в атмосферата също нараства с всеки изминал ден. Газовите сензори могат да откриват вредни газове като въглероден оксид, серен диоксид и озон, предоставяйки ефективен инструмент за наблюдение на качеството на въздуха в околната среда.
Електрохимичният газов сензор UGT-E4 на British Gas Shield Company е представителен продукт в областта на екологичния мониторинг. Той може точно да измерва съдържанието на замърсители в атмосферата и да осигурява навременна и точна поддръжка с данни за отделите за опазване на околната среда. Чрез интеграция със съвременни информационни технологии, този сензор е постигнал функции като дистанционно наблюдение, качване на данни и интелигентна аларма, значително подобрявайки ефективността и удобството на откриването на газ. Потребителите могат да следят промените в концентрацията на газ по всяко време и навсякъде, просто чрез мобилните си телефони или компютри, осигурявайки научна основа за управление на околната среда и разработване на политики.
По отношение на мониторинга на качеството на въздуха в помещенията, газовите сензори също играят важна роля. Стандартът EN 45544, издаден от Европейския комитет по стандартизация (EN), е специално за тестване на качеството на въздуха в помещенията и обхваща изискванията за тестване на различни вредни газове 610. Често срещаните сензори за въглероден диоксид, формалдехид и др. на пазара се използват широко в жилищни сгради, търговски сгради и обществени места за забавления, като помагат на хората да създадат по-здравословна и по-комфортна среда в помещенията. Особено по време на пандемията от COVID-19, вентилацията на помещенията и качеството на въздуха получиха безпрецедентно внимание, което допълнително насърчи разработването и прилагането на свързани сензорни технологии.
Мониторингът на въглеродните емисии е нововъзникващо направление в приложението на газовите сензори. На фона на глобалната въглеродна неутралност, прецизното наблюдение на парникови газове, като въглеродния диоксид, е станало особено важно. Инфрачервените сензори за въглероден диоксид имат уникални предимства в тази област поради високата си прецизност, добра селективност и дълъг експлоатационен живот. „Насоки за изграждане на интелигентни платформи за контрол на риска за безопасността в химически индустриални паркове“ в Китай посочват мониторинга на горими/токсични газове и анализа на проследяването на източниците на течове като задължително строително съдържание, което отразява акцента на политическото ниво върху ролята на мониторинга на газовете в областта на опазването на околната среда.
Умен дом и безопасност на храните
Умният дом е най-обещаващият пазар за потребителски приложения на газови сензори. В момента газовите сензори се прилагат главно в домакински уреди като пречистватели на въздух и климатици за свеж въздух. С въвеждането на сензорни масиви и интелигентни алгоритми обаче, потенциалът им за приложение в сценарии като консервиране, готвене и наблюдение на здравето постепенно се разгръща.
По отношение на съхранението на храна, газовите сензори могат да следят неприятните миризми, отделяни от храната по време на съхранение, за да определят свежестта ѝ. Резултатите от последните изследвания показват, че независимо дали се използва един сензор за наблюдение на концентрацията на миризма или масив от газови сензори, комбинирани с методи за разпознаване на образи, за да се определи свежестта на храната, са постигнати добри резултати. Въпреки това, поради сложността на реалните сценарии за използване на хладилника (като например смущения от отваряне и затваряне на врати от потребителите, стартиране и спиране на компресори и вътрешна циркулация на въздуха и др.), както и взаимното влияние на различни летливи газове от хранителните съставки, все още има възможност за подобрение в точността на определяне на свежестта на храната.
Приложенията в готвенето са друг важен сценарий за газовите сензори. По време на процеса на готвене се произвеждат стотици газообразни съединения, включително твърди частици, алкани, ароматни съединения, алдехиди, кетони, алкохоли, алкени и други летливи органични съединения. В такава сложна среда, масивите от газови сензори показват по-очевидни предимства от единичните сензори. Проучванията показват, че масивите от газови сензори могат да се използват за определяне на степента на готвене на храната въз основа на личния вкус или като спомагателен инструмент за наблюдение на храненето, за да се докладват редовно навиците за готвене на потребителите. Въпреки това, фактори на средата за готвене, като висока температура, изпарения от готвене и водни пари, могат лесно да доведат до „отравяне“ на сензора, което е технически проблем, който трябва да бъде решен.
В областта на безопасността на храните, изследванията на екипа на Уанг Ди демонстрираха потенциалната приложна стойност на газовите сензори. Те са насочени към „идентифициране на десетки газове едновременно с малък плъгин за мобилен телефон“ и са ангажирани с това да направят информацията за безопасността на храните леснодостъпна. Това високоинтегрирано обонятелно устройство може да открива летливи компоненти в храната, да определя свежестта и безопасността на храната и да предоставя справки в реално време на потребителите.
Таблица: Основни обекти за откриване и технически характеристики на газови сензори в различни области на приложение
Области на приложение, основни обекти на детекция, често използвани типове сензори, технически предизвикателства, тенденции в развитието
Промишлена безопасност: горими газове, токсични газове с каталитично горене, електрохимичен тип, устойчивост на тежки условия на околната среда, синхронно наблюдение на множество газове, проследяване на източника на течове
Медицински и здравни ацетон, CO₂, ЛОС полупроводников тип, колориметричен тип селективност и чувствителност, носима и интелигентна диагностика
Разгръщане на дългосрочна стабилизираща мрежа и предаване на данни в реално време за екологичен мониторинг на замърсителите на въздуха и парниковите газове в инфрачервена и електрохимична форма
Умен домашен летлив газ за храна, полупроводников тип за готвене на дим, PID възможност за защита от смущения
Моля, свържете се с Honde Technology Co., LTD.
Email: info@hondetech.com
Уебсайт на компанията:www.hondetechco.com
Тел.: +86-15210548582
Време на публикуване: 11 юни 2025 г.