Med den raske utviklingen av teknologier som tingenes internett og kunstig intelligens, omfavner gasssensorer, en viktig sensor kjent som de "fem elektriske sansene", enestående utviklingsmuligheter. Fra den første overvåkingen av industrielle giftige og skadelige gasser til dens brede anvendelse innen medisinsk diagnose, smarthus, miljøovervåking og andre felt i dag, gjennomgår gasssensorteknologi en dyp transformasjon fra en enkelt funksjon til intelligens, miniatyrisering og flerdimensjonalitet. Denne artikkelen vil grundig analysere de tekniske egenskapene, den nyeste forskningsfremgangen og den globale anvendelsesstatusen til gasssensorer, med særlig vekt på utviklingstrender innen gassovervåking i land som Kina og USA.
Tekniske egenskaper og utviklingstrender for gassensorer
Som en omformer som konverterer volumfraksjonen av en spesifikk gass til det tilsvarende elektriske signalet, har gasssensoren blitt en uunnværlig og viktig komponent i moderne sensorteknologi. Denne typen utstyr behandler gassprøver gjennom deteksjonshoder, vanligvis inkludert trinn som å filtrere ut urenheter og forstyrrende gasser, tørking eller kjølebehandling, og til slutt konvertere gasskonsentrasjonsinformasjon til målbare elektriske signaler. For tiden finnes det ulike typer gasssensorer på markedet, inkludert halvledertype, elektrokjemisk type, katalytisk forbrenningstype, infrarøde gasssensorer og fotoioniseringsgasssensorer (PID), etc. Hver av dem har sine egne egenskaper og er mye brukt innen sivile, industrielle og miljømessige testfelt.
Stabilitet og følsomhet er de to kjerneindikatorene for å evaluere ytelsen til gassensorer. Stabilitet refererer til hvor lenge en sensors grunnleggende respons varer gjennom hele driftstiden, som avhenger av nulldrift og intervalldrift. Ideelt sett bør den årlige nulldriften for sensorer av høy kvalitet under kontinuerlige arbeidsforhold være mindre enn 10 %. Følsomhet refererer til forholdet mellom endringen i sensorens utgang og endringen i den målte inngangen. Følsomheten til ulike typer sensorer varierer betydelig, hovedsakelig avhengig av de tekniske prinsippene og materialvalget de bruker. I tillegg er selektivitet (dvs. kryssfølsomhet) og korrosjonsbestandighet også viktige parametere for å evaluere ytelsen til gassensorer. Førstnevnte bestemmer sensorens gjenkjenningsevne i et blandet gassmiljø, mens sistnevnte er relatert til sensorens toleranse i målgasser med høy konsentrasjon.
Den nåværende utviklingen av gasssensorteknologi presenterer flere åpenbare trender. Først og fremst har forskningen og utviklingen av nye materialer og nye prosesser fortsatt å bli dypere. Tradisjonelle metalloksidhalvledermaterialer som ZnO, SiO₂, Fe₂O₃, osv. har blitt modne. Forskere doper, modifiserer og overflatemodifiserer eksisterende gassfølsomme materialer gjennom kjemiske modifiseringsmetoder, og forbedrer samtidig filmdannelsesprosessen for å forbedre stabiliteten og selektiviteten til sensorer. Samtidig utvikles også nye materialer som kompositt- og hybridhalvledergassfølsomme materialer og polymergassfølsomme materialer. Disse materialene viser høyere følsomhet, selektivitet og stabilitet overfor forskjellige gasser.
Intelligensen til sensorer er en annen viktig utviklingsretning. Med vellykket anvendelse av nye materialteknologier som nanoteknologi og tynnfilmteknologi blir gasssensorer mer integrerte og intelligente. Ved å utnytte tverrfaglige integrerte teknologier som mikromekanisk og mikroelektronisk teknologi, datateknologi, signalbehandlingsteknologi, sensorteknologi og feildiagnoseteknologi, utvikler forskere helautomatiske digitale intelligente gasssensorer som er i stand til å overvåke flere gasser samtidig. En multivariabel sensor av kjemisk resistenspotensialtypen som nylig ble utviklet av forskergruppen til førsteamanuensis Yi Jianxin fra State Key Laboratory of Fire Science ved University of Science and Technology of China, er en typisk representant for denne trenden. Denne sensoren realiserer tredimensjonal deteksjon og nøyaktig identifisering av flere gasser og brannkarakteristikker med en enkelt enhet 59.
Arrayisering og algoritmeoptimalisering får også økende oppmerksomhet. På grunn av problemet med bredspektret respons ved en enkelt gasssensor, er den utsatt for interferens når flere gasser eksisterer samtidig. Å bruke flere gasssensorer for å danne en array har blitt en effektiv løsning for å forbedre gjenkjenningsevnen. Ved å øke dimensjonene til den detekterte gassen kan sensorarrayet motta flere signaler, noe som bidrar til å evaluere flere parametere og forbedre evnen til vurdering og gjenkjenning. Men etter hvert som antallet sensorer i arrayet øker, øker også kompleksiteten i databehandlingen. Derfor er optimalisering av sensorarrayet spesielt viktig. I arrayoptimalisering er metoder som korrelasjonskoeffisient og klyngeanalyse bredt tatt i bruk, mens gassgjenkjenningsalgoritmer som Principal Component Analysis (PCA) og Artificial Neural Network (ANN) har forbedret mønstergjenkjenningsevnen til sensorer betraktelig.
Tabell: Ytelsessammenligning av hovedtyper gassensorer
Sensortype, virkemåte, fordeler og ulemper, typisk levetid
Halvledergassadsorpsjon har lave kostnader ved å endre motstanden til halvledere, rask respons, dårlig selektivitet og påvirkes sterkt av temperatur og fuktighet i 2–3 år.
Elektrokjemisk gass gjennomgår REDOX-reaksjoner for å generere strøm, som har god selektivitet og høy følsomhet. Elektrolytten har imidlertid begrenset slitasje og en levetid på 1–2 år (for flytende elektrolytt).
Katalytisk forbrenning av brennbar gass forårsaker temperaturendringer. Den er spesielt utviklet for deteksjon av brennbar gass og kan kun brukes på brennbar gass i omtrent tre år.
Infrarøde gasser har høy nøyaktighet i å absorbere infrarødt lys med spesifikke bølgelengder, forårsaker ikke forgiftning, men har en høy kostnad og et relativt stort volum i 5 til 10 år.
Fotoionisering (PID) ultrafiolett fotoionisering for gassmolekyldeteksjon av VOC-er har høy følsomhet og kan ikke skille mellom typene forbindelser på 3 til 5 år.
Det er verdt å merke seg at selv om gasssensorteknologien har gjort betydelige fremskritt, står den fortsatt overfor noen vanlige utfordringer. Levetiden til sensorer begrenser bruken av dem på visse felt. For eksempel er levetiden til halvledersensorer omtrent 2 til 3 år, levetiden til elektrokjemiske gasssensorer er omtrent 1 til 2 år på grunn av elektrolytttap, mens levetiden til elektrokjemiske solid-state-elektrolyttsensorer kan nå 5 år. I tillegg er driftproblemer (endringer i sensorrespons over tid) og konsistensproblemer (ytelsesforskjeller mellom sensorer i samme batch) også viktige faktorer som begrenser den brede bruken av gasssensorer. Som svar på disse problemene er forskere på den ene siden forpliktet til å forbedre gassfølsomme materialer og produksjonsprosesser, og på den andre siden kompenserer de for eller undertrykker påvirkningen av sensordrift på måleresultater ved å utvikle avanserte databehandlingsalgoritmer.
De varierte bruksscenariene for gassensorer
Gasssensorteknologi har gjennomsyret alle aspekter av samfunnslivet. Bruksområder har for lengst overskredet det tradisjonelle omfanget av industriell sikkerhetsovervåking og ekspanderer raskt til flere felt som medisinsk helse, miljøovervåking, smarthus og mattrygghet. Denne trenden med mangfoldige bruksområder gjenspeiler ikke bare mulighetene som teknologiske fremskritt gir, men legemliggjør også den økende sosiale etterspørselen etter gassdeteksjon.
Industriell sikkerhet og overvåking av farlige gasser
Innen industriell sikkerhet spiller gassensorer en uerstattelig rolle, spesielt i høyrisikoindustrier som kjemiteknikk, petroleum og gruvedrift. Kinas «14. femårsplan for sikker produksjon av farlige kjemikalier» krever tydelig at kjemiske industriparker etablerer et omfattende overvåkings- og tidlig varslingssystem for giftige og skadelige gasser og fremmer byggingen av intelligente risikostyringsplattformer. «Handlingsplanen for industrielt internett pluss arbeidssikkerhet» oppfordrer også parker til å distribuere sensorer for tingenes internett og AI-analyseplattformer for å oppnå sanntidsovervåking og koordinert respons på risikoer som gasslekkasje. Disse politiske retningene har i stor grad fremmet bruken av gassensorer innen industriell sikkerhet.
Moderne industrielle gassovervåkingssystemer har utviklet en rekke tekniske ruter. Gasssky-avbildningsteknologi visualiserer gasslekkasje ved å visuelt presentere gassmasser som endringer i pikselgrånivåer i bildet. Deteksjonsevnen er relatert til faktorer som konsentrasjon og volum av den lekkede gassen, bakgrunnstemperaturforskjell og overvåkingsavstand. Fourier-transform infrarødspektroskopiteknologi kan kvalitativt og semi-kvantitativt overvåke over 500 typer gasser, inkludert uorganiske, organiske, giftige og skadelige, og kan samtidig skanne 30 typer gasser. Den er egnet for de komplekse gassovervåkingskravene i kjemiske industriparker. Disse avanserte teknologiene, kombinert med tradisjonelle gasssensorer, danner et flernivånettverk for industrielt gasssikkerhetsovervåking.
På det spesifikke implementeringsnivået må industrielle gassovervåkingssystemer overholde en rekke nasjonale og internasjonale 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 gir tekniske spesifikasjoner for industriell gassovervåking 26. Internasjonalt har OSHA (Occupational Safety and Health Administration of the United States) utviklet en rekke gassdeteksjonsstandarder som krever gassdeteksjon før operasjoner i lukkede rom og sikrer at konsentrasjonen av skadelige gasser i luften er under det sikre nivået på 610. Standardene til NFPA (National Fire Protection Association of the United States), som NFPA 72 og NFPA 54, stiller spesifikke krav til deteksjon av brannfarlige gasser og giftige gasser 610.
Medisinsk helse og sykdomsdiagnose
Det medisinske og helsemessige feltet er i ferd med å bli et av de mest lovende bruksområder for gassensorer. Den utåndede gassen fra menneskekroppen inneholder et stort antall biomarkører relatert til helsetilstander. Ved å oppdage disse biomarkørene kan man oppnå tidlig screening og kontinuerlig overvåking av sykdommer. Den håndholdte enheten for deteksjon av aceton i pusten, utviklet av Dr. Wang Di-teamet fra Zhejiang Laboratorys Super Perception Research Center, er en typisk representant for denne applikasjonen. Denne enheten bruker en kolorimetrisk teknologirute for å måle acetoninnholdet i menneskelig utåndet pust ved å oppdage fargeendringen til gassfølsomme materialer, og dermed oppnå rask og smertefri deteksjon av type 1-diabetes.
Når insulinnivået i menneskekroppen er lavt, klarer den ikke å omdanne glukose til energi, men bryter i stedet ned fett. Som et av biproduktene etter fettnedbrytning skilles aceton ut fra kroppen gjennom respirasjon. Dr. Wang Di forklarte 1. Sammenlignet med tradisjonelle blodprøver gir denne pustetestmetoden en bedre diagnostisk og terapeutisk opplevelse. I tillegg utvikler teamet en "daglig frigjørings"-acetonsensor på et lappeteppe. Denne rimelige, bærbare enheten kan automatisk måle acetongassen som slippes ut fra huden døgnet rundt. I fremtiden, kombinert med kunstig intelligens-teknologi, kan den hjelpe til med diagnose, overvåking og medisineringsveiledning for diabetes.
Bortsett fra diabetes, viser gassensorer også stort potensial i behandling av kroniske sykdommer og overvåking av luftveissykdommer. Karbondioksidkonsentrasjonskurven er et viktig grunnlag for å bedømme pasientenes lungeventilasjonsstatus, mens konsentrasjonskurvene for visse gassmarkører gjenspeiler utviklingstrenden for kroniske sykdommer. Tradisjonelt krevde tolkningen av disse dataene deltakelse fra medisinsk personell. Men med styrkingen av kunstig intelligens-teknologi kan intelligente gassensorer ikke bare oppdage gasser og tegne kurver, men også bestemme graden av sykdomsutvikling, noe som reduserer presset på medisinsk personell betraktelig.
Innen helsevesenets bærbare enheter er bruken av gassensorer fortsatt i en tidlig fase, men utsiktene er brede. Forskere fra Zhuhai Gree Electric Appliances påpekte at selv om husholdningsapparater er forskjellige fra medisinsk utstyr med sykdomsdiagnosefunksjoner, har gassensormatriser fordeler som lave kostnader, ikke-invasivitet og miniatyrisering innen daglig helseovervåking i hjemmet, noe som gjør at de forventes å dukke opp i økende grad i husholdningsapparater som munnhygieneapparater og smarte toaletter som tilleggsovervåkings- og sanntidsovervåkingsløsninger. Med den økende etterspørselen etter hjemmehelse vil overvåking av menneskers helsetilstand gjennom husholdningsapparater bli en viktig retning for utviklingen av smarte hjem.
Miljøovervåking og forebygging og kontroll av forurensning
Miljøovervåking er et av feltene der gassensorer er mest brukt. Etter hvert som den globale vektleggingen av miljøvern fortsetter å øke, øker også behovet for å overvåke ulike forurensende stoffer i atmosfæren dag for dag. Gassensorer kan oppdage skadelige gasser som karbonmonoksid, svoveldioksid og ozon, og gir et effektivt verktøy for å overvåke luftkvaliteten i miljøet.
Den elektrokjemiske gasssensoren UGT-E4 fra British Gas Shield Company er et representativt produkt innen miljøovervåking. Den kan måle innholdet av forurensende stoffer i atmosfæren nøyaktig og gi rettidig og nøyaktig datastøtte til miljøvernavdelinger. Denne sensoren har, gjennom integrering med moderne informasjonsteknologi, oppnådd funksjoner som fjernovervåking, dataopplasting og intelligent alarm, noe som forbedrer effektiviteten og bekvemmeligheten ved gassdeteksjon betydelig. Brukere kan holde oversikt over endringer i gasskonsentrasjon når som helst og hvor som helst enkelt via mobiltelefoner eller datamaskiner, noe som gir et vitenskapelig grunnlag for miljøstyring og politikkutforming.
Når det gjelder overvåking av inneluftkvalitet, spiller gassensorer også en viktig rolle. EN 45544-standarden utstedt av Den europeiske standardiseringskomiteen (EN) er spesifikt for testing av inneluftkvalitet og dekker testkravene for ulike skadelige gasser 610. Vanlige karbondioksidsensorer, formaldehydsensorer osv. på markedet er mye brukt i sivile boliger, næringsbygg og offentlige underholdningssteder, og hjelper folk med å skape et sunnere og mer komfortabelt innemiljø. Spesielt under COVID-19-pandemien har innendørs ventilasjon og luftkvalitet fått enestående oppmerksomhet, noe som ytterligere fremmer utviklingen og anvendelsen av relaterte sensorteknologier.
Overvåking av karbonutslipp er en fremvoksende bruksretning for gassensorer. Med tanke på global karbonnøytralitet har presis overvåking av klimagasser som karbondioksid blitt spesielt viktig. Infrarøde karbondioksidsensorer har unike fordeler på dette feltet på grunn av høy presisjon, god selektivitet og lang levetid. «Retningslinjene for bygging av intelligente sikkerhetsrisikokontrollplattformer i kjemiske industriparker» i Kina har listet overvåking av brennbare/giftige gasser og sporing av lekkasjekilder som obligatorisk konstruksjonsinnhold, noe som gjenspeiler policynivåets vektlegging av gassovervåkingens rolle innen miljøvern.
Smart hjem og mattrygghet
Smarthjem er det mest lovende forbrukermarkedet for gassensorer. For tiden brukes gassensorer hovedsakelig i husholdningsapparater som luftrensere og friske klimaanlegg. Med introduksjonen av sensormatriser og intelligente algoritmer utnyttes imidlertid potensialet for bruk i scenarier som konservering, matlaging og helseovervåking gradvis.
Når det gjelder konservering av mat, kan gasssensorer overvåke ubehagelig lukt fra mat under lagring for å bestemme matens ferskhet. Nyere forskningsresultater viser at enten en enkelt sensor brukes til å overvåke luktkonsentrasjonen eller en gasssensormatrise kombinert med mønstergjenkjenningsmetoder brukes for å bestemme matens ferskhet, har det blitt oppnådd gode effekter. På grunn av kompleksiteten i faktiske bruksscenarier for kjøleskap (som forstyrrelser fra brukere som åpner og lukker dører, starter og stopper kompressorer og intern luftsirkulasjon, etc.), samt den gjensidige påvirkningen av ulike flyktige gasser fra matingredienser, er det fortsatt rom for forbedring i nøyaktigheten av bestemmelsen av matens ferskhet.
Matlagingsapplikasjoner er et annet viktig scenario for gassensorer. Hundrevis av gassformige forbindelser produseres under matlagingsprosessen, inkludert partikler, alkaner, aromatiske forbindelser, aldehyder, ketoner, alkoholer, alkener og andre flyktige organiske forbindelser. I et så komplekst miljø viser gassensormatriser flere åpenbare fordeler enn enkeltstående sensorer. Studier viser at gassensormatriser kan brukes til å bestemme matlagingsstatusen til mat basert på personlig smak, eller som et ekstra kostholdsovervåkingsverktøy for regelmessig å rapportere matlagingsvaner til brukerne. Imidlertid kan faktorer i matlagingsmiljøet, som høy temperatur, matos og vanndamp, lett føre til at sensoren "forgiftes", noe som er et teknisk problem som må løses.
Innen mattrygghet har forskningen til Wang Di-teamet vist den potensielle bruksverdien til gasssensorer. De har som mål å «identifisere dusinvis av gasser samtidig med en liten mobiltelefon-plugin», og er forpliktet til å gjøre informasjon om mattrygghet lett tilgjengelig. Denne svært integrerte luktesensoren kan oppdage flyktige komponenter i mat, bestemme matens friskhet og sikkerhet og gi sanntidsreferanser til forbrukerne.
Tabell: Hoveddeteksjonsobjekter og tekniske egenskaper for gassensorer i ulike bruksområder
Bruksområder, viktigste deteksjonsobjekter, vanlige sensortyper, tekniske utfordringer, utviklingstrender
Industriell sikkerhetsbrennbar gass, katalytisk forbrenningstype for giftig gass, elektrokjemisk type, toleranse for tøffe miljøer, synkron overvåking av flere gasser, sporing av lekkasjekilder
Medisinsk og helsemessig aceton, CO₂, VOC-er, halvledertype, kolorimetrisk typeselektivitet og følsomhet, bærbar og intelligent diagnose
Utplassering av langsiktig stabilitetsnett og sanntids dataoverføring for miljøovervåking av luftforurensende stoffer og klimagasser i infrarød og elektrokjemisk form
Smart hjem mat flyktig gass, matlagingsrøyk halvledertype, PID anti-interferensfunksjon
Ta kontakt med Honde Technology Co., LTD.
Email: info@hondetech.com
Selskapets nettside:www.hondetechco.com
Tlf: +86-15210548582
Publisert: 11. juni 2025