Благодаря стремительному развитию таких технологий, как Интернет вещей и искусственный интеллект, газовые датчики, важные сенсорные устройства, известные как «электрические пять чувств», открывают беспрецедентные возможности для развития. От первоначального мониторинга промышленных токсичных и вредных газов до широкого применения в медицинской диагностике, «умном доме», мониторинге окружающей среды и других областях, сегодня технология газовых датчиков претерпевает глубокую трансформацию: от однофункционального подхода к интеллектуальному, миниатюрному и многомерному. В данной статье будет проведен всесторонний анализ технических характеристик, последних достижений в исследованиях и глобального состояния применения газовых датчиков, с особым вниманием к тенденциям развития в области мониторинга газов в таких странах, как Китай и США.
Технические характеристики и тенденции развития газовых датчиков
Газовый датчик, как преобразователь, преобразующий объемную долю определенного газа в соответствующий электрический сигнал, стал незаменимым и важным компонентом в современной сенсорной технике. Этот тип оборудования обрабатывает газовые пробы с помощью детекторов, обычно включая такие этапы, как фильтрация примесей и мешающих газов, сушка или охлаждение, и, в конечном итоге, преобразование информации о концентрации газа в измеримые электрические сигналы. В настоящее время на рынке представлено множество типов газовых датчиков, включая полупроводниковые, электрохимические, каталитические, инфракрасные и фотоионизационные (PID) датчики и др. Каждый из них имеет свои особенности и широко используется в гражданском, промышленном и экологическом анализе.
Стабильность и чувствительность — два основных показателя для оценки характеристик газовых датчиков. Стабильность относится к сохранению основного отклика датчика на протяжении всего времени его работы, что зависит от дрейфа нуля и интервального дрейфа. В идеале, для высококачественных датчиков в условиях непрерывной работы годовой дрейф нуля должен быть менее 10%. Чувствительность — это отношение изменения выходного сигнала датчика к изменению измеряемого входного сигнала. Чувствительность различных типов датчиков значительно различается, в основном в зависимости от используемых технических принципов и материалов. Кроме того, селективность (т.е. перекрестная чувствительность) и коррозионная стойкость также являются важными параметрами для оценки характеристик газовых датчиков. Первая определяет способность датчика распознавать вещества в среде смешанных газов, а вторая связана с устойчивостью датчика к высоким концентрациям целевых газов.
Современное развитие технологии газовых сенсоров демонстрирует несколько очевидных тенденций. Во-первых, продолжается углубление исследований и разработок новых материалов и новых процессов. Традиционные полупроводниковые материалы на основе оксидов металлов, такие как ZnO, SiO₂, Fe₂O₃ и др., достигли зрелости. Исследователи проводят легирование, модификацию и поверхностное модифицирование существующих газочувствительных материалов с помощью методов химической модификации, а также одновременно улучшают процесс формирования пленок для повышения стабильности и селективности сенсоров. Одновременно активно ведется разработка новых материалов, таких как композитные и гибридные полупроводниковые газочувствительные материалы и полимерные газочувствительные материалы. Эти материалы демонстрируют более высокую чувствительность, селективность и стабильность к различным газам.
Интеллектуальность датчиков — еще одно важное направление развития. Благодаря успешному применению новых материальных технологий, таких как нанотехнологии и тонкопленочные технологии, газовые датчики становятся все более интегрированными и интеллектуальными. Используя в полной мере междисциплинарные интегрированные технологии, такие как микромеханика и микроэлектроника, компьютерные технологии, технологии обработки сигналов, сенсорные технологии и технологии диагностики неисправностей, исследователи разрабатывают полностью автоматические цифровые интеллектуальные газовые датчики, способные одновременно контролировать несколько газов. Типичным представителем этой тенденции является недавно разработанный исследовательской группой доцента И Цзяньсиня из Государственной ключевой лаборатории пожарной науки Китайского университета науки и технологий многопараметрический датчик химической стойкости-потенциала. Этот датчик обеспечивает трехмерное обнаружение и точную идентификацию нескольких газов и характеристик пожара с помощью одного устройства 59.
Увеличение внимания уделяется также оптимизации массивов и алгоритмов. Из-за проблемы широкого спектра отклика одного газового датчика, он подвержен помехам при одновременном присутствии нескольких газов. Использование нескольких газовых датчиков для формирования массива стало эффективным решением для повышения способности распознавания. За счет увеличения размеров детектируемого газа массив датчиков может получать больше сигналов, что способствует оценке большего количества параметров и улучшению способности к оценке и распознаванию. Однако с увеличением количества датчиков в массиве возрастает и сложность обработки данных. Поэтому оптимизация массива датчиков имеет особое значение. В оптимизации массива широко используются такие методы, как коэффициент корреляции и кластерный анализ, в то время как алгоритмы распознавания газов, такие как анализ главных компонентов (PCA) и искусственные нейронные сети (ANN), значительно повысили способность датчиков к распознаванию образов.
Таблица: Сравнительная оценка характеристик основных типов газовых датчиков.
Тип датчика, принцип работы, преимущества и недостатки, типичный срок службы.
Газоадсорбция полупроводникового типа характеризуется низкой стоимостью при изменении сопротивления полупроводников, быстрым откликом, низкой селективностью и значительным влиянием температуры и влажности в течение 2-3 лет.
Электрохимический газ вступает в окислительно-восстановительные реакции, генерируя электрический ток, который обладает хорошей селективностью и высокой чувствительностью. Однако электролит имеет ограниченный износ и срок службы 1-2 года (для жидкого электролита).
Каталитическое сгорание горючих газов вызывает изменения температуры. Этот метод специально разработан для обнаружения горючих газов и применим только к горючим газам в течение приблизительно трех лет.
Инфракрасные газы обладают высокой точностью поглощения инфракрасного излучения определенных длин волн, не вызывают отравления, но имеют высокую стоимость и относительно большой объем, которого хватает на 5-10 лет.
Фотоионизация (PID) в ультрафиолетовом диапазоне для обнаружения летучих органических соединений (ЛОС) в газовых молекулах обладает высокой чувствительностью, но не позволяет различать типы соединений в течение 3-5 лет.
Стоит отметить, что, несмотря на значительный прогресс в технологии газовых датчиков, она по-прежнему сталкивается с некоторыми общими проблемами. Срок службы датчиков ограничивает их применение в определенных областях. Например, срок службы полупроводниковых датчиков составляет приблизительно 2–3 года, электрохимических газовых датчиков — около 1–2 лет из-за потери электролита, в то время как срок службы твердотельных электрохимических датчиков может достигать 5 лет. Кроме того, важными факторами, ограничивающими широкое применение газовых датчиков, являются проблемы дрейфа (изменения отклика датчика с течением времени) и проблемы стабильности (различия в характеристиках датчиков в одной партии). В ответ на эти проблемы исследователи, с одной стороны, стремятся улучшить газочувствительные материалы и производственные процессы, а с другой — компенсируют или подавляют влияние дрейфа датчика на результаты измерений путем разработки передовых алгоритмов обработки данных.
Разнообразные сценарии применения газовых датчиков
Технология газовых датчиков проникла во все аспекты общественной жизни. Сферы ее применения давно вышли за рамки традиционного мониторинга промышленной безопасности и быстро расширяются в такие области, как здравоохранение, мониторинг окружающей среды, «умный дом» и безопасность пищевых продуктов. Эта тенденция к диверсификации применений не только отражает возможности, предоставляемые технологическим прогрессом, но и воплощает растущий общественный спрос на обнаружение газов.
Промышленная безопасность и мониторинг опасных газов
В области промышленной безопасности газовые датчики играют незаменимую роль, особенно в отраслях с высоким риском, таких как химическая промышленность, нефтедобыча и горнодобывающая промышленность. Китайский «14-й пятилетний план по безопасному производству опасных химических веществ» четко требует от химических промышленных парков создания комплексной системы мониторинга и раннего предупреждения о токсичных и вредных газах, а также содействия созданию интеллектуальных платформ управления рисками. «План действий по обеспечению безопасности труда с использованием промышленного интернета» также поощряет развертывание в парках датчиков Интернета вещей и аналитических платформ на основе искусственного интеллекта для обеспечения мониторинга в реальном времени и скоординированного реагирования на такие риски, как утечка газа. Эти политические направления значительно способствовали применению газовых датчиков в области промышленной безопасности.
Современные системы мониторинга промышленных газов разработали множество технических решений. Технология визуализации газовых облаков позволяет визуализировать утечки газа, отображая газовые массы в виде изменений уровня серого пикселя на изображении. Ее возможности обнаружения зависят от таких факторов, как концентрация и объем утечки газа, разница температур фона и расстояние мониторинга. Технология инфракрасной спектроскопии с преобразованием Фурье позволяет качественно и полуколичественно контролировать более 500 типов газов, включая неорганические, органические, токсичные и вредные, и одновременно сканировать 30 типов газов. Она подходит для сложных задач мониторинга газов в химических промышленных парках. Эти передовые технологии в сочетании с традиционными газовыми датчиками формируют многоуровневую сеть мониторинга безопасности промышленных газов.
На уровне практического применения системы мониторинга промышленных газов должны соответствовать ряду национальных и международных стандартов. Китайский «Стандарт проектирования для обнаружения и оповещения о легковоспламеняющихся и токсичных газах в нефтехимической промышленности» GB 50493-2019 и «Общие технические условия для мониторинга безопасности основных источников опасных химических веществ» AQ 3035-2010 содержат технические требования к мониторингу промышленных газов. На международном уровне OSHA (Управление по охране труда и здоровья США) разработало ряд стандартов обнаружения газов, требующих проведения газовой детекции перед работами в замкнутых пространствах и обеспечения того, чтобы концентрация вредных газов в воздухе была ниже безопасного уровня. Стандарты NFPA (Национальная ассоциация противопожарной защиты США), такие как NFPA 72 и NFPA 54, устанавливают конкретные требования к обнаружению легковоспламеняющихся и токсичных газов.
Медицинское здоровье и диагностика заболеваний
Медицина и здравоохранение становятся одним из наиболее перспективных рынков применения газовых датчиков. Выдыхаемый человеком газ содержит большое количество биомаркеров, связанных с состоянием здоровья. Обнаружение этих биомаркеров позволяет проводить раннюю диагностику и непрерывный мониторинг заболеваний. Типичным примером такого применения является портативное устройство для обнаружения ацетона в выдыхаемом воздухе, разработанное командой доктора Ван Ди из Научно-исследовательского центра сверхвосприятия Чжэцзянской лаборатории. Это устройство использует колориметрический метод для измерения содержания ацетона в выдыхаемом воздухе человека путем обнаружения изменения цвета газочувствительных веществ, что позволяет быстро и безболезненно выявлять диабет 1 типа.
Когда уровень инсулина в организме человека низок, он не способен преобразовывать глюкозу в энергию и вместо этого расщепляет жиры. В качестве одного из побочных продуктов расщепления жиров, ацетон выводится из организма через дыхание. Доктор Ван Ди объяснил 1. По сравнению с традиционными анализами крови, этот метод анализа дыхания предлагает лучшие диагностические и терапевтические возможности. Более того, команда разрабатывает датчик ацетона в виде пластыря с «ежедневным высвобождением». Это недорогое носимое устройство может автоматически измерять количество ацетона, выделяемого кожей, круглосуточно. В будущем, в сочетании с технологией искусственного интеллекта, оно может помочь в диагностике, мониторинге и назначении лекарств при диабете.
Помимо диабета, газовые датчики также демонстрируют большой потенциал в лечении хронических заболеваний и мониторинге респираторных заболеваний. Кривая концентрации углекислого газа является важной основой для оценки состояния легочной вентиляции пациентов, а кривые концентрации определенных газовых маркеров отражают тенденцию развития хронических заболеваний. Традиционно интерпретация этих данных требовала участия медицинского персонала. Однако с развитием технологий искусственного интеллекта интеллектуальные газовые датчики могут не только обнаруживать газы и строить кривые, но и определять степень развития заболевания, значительно снижая нагрузку на медицинский персонал.
В области носимых медицинских устройств применение газовых датчиков все еще находится на ранней стадии, но перспективы широки. Исследователи из компании Zhuhai Gree Electric Appliances отметили, что, хотя бытовые приборы отличаются от медицинских устройств с функциями диагностики заболеваний, в области ежедневного домашнего мониторинга здоровья массивы газовых датчиков обладают такими преимуществами, как низкая стоимость, неинвазивность и миниатюризация, что делает их ожидаемым все более распространенным элементом в бытовых приборах, таких как устройства для ухода за полостью рта и «умные» туалеты, в качестве вспомогательных средств мониторинга и решений для мониторинга в реальном времени. С ростом спроса на домашний мониторинг состояния здоровья человека с помощью бытовых приборов станет важным направлением развития «умных» домов.
Экологический мониторинг, предотвращение и контроль загрязнения окружающей среды.
Экологический мониторинг — одна из областей, где газовые датчики находят наиболее широкое применение. Поскольку глобальное внимание к защите окружающей среды продолжает расти, спрос на мониторинг различных загрязняющих веществ в атмосфере также увеличивается с каждым днем. Газовые датчики способны обнаруживать вредные газы, такие как окись углерода, диоксид серы и озон, предоставляя эффективный инструмент для мониторинга качества воздуха в окружающей среде.
Электрохимический газовый датчик UGT-E4 от британской компании Gas Shield является представительным продуктом в области экологического мониторинга. Он позволяет точно измерять содержание загрязняющих веществ в атмосфере и предоставлять своевременные и точные данные для природоохранных ведомств. Благодаря интеграции с современными информационными технологиями, этот датчик обладает такими функциями, как дистанционный мониторинг, загрузка данных и интеллектуальная сигнализация, что значительно повышает эффективность и удобство обнаружения газов. Пользователи могут отслеживать изменения концентрации газа в любое время и в любом месте с помощью своих мобильных телефонов или компьютеров, обеспечивая научную основу для управления окружающей средой и разработки политики.
В сфере мониторинга качества воздуха в помещениях важную роль играют также газовые датчики. Стандарт EN 45544, выпущенный Европейским комитетом по стандартизации (EN), специально предназначен для тестирования качества воздуха в помещениях и охватывает требования к тестированию различных вредных газов 610. Обычные датчики углекислого газа, формальдегида и т.д., представленные на рынке, широко используются в жилых домах, коммерческих зданиях и общественных развлекательных заведениях, помогая людям создавать более здоровую и комфортную среду в помещениях. Особенно во время пандемии COVID-19 вентиляция и качество воздуха в помещениях получили беспрецедентное внимание, что еще больше способствовало развитию и применению соответствующих сенсорных технологий.
Мониторинг выбросов углерода — это перспективное направление применения газовых датчиков. На фоне глобальной углеродной нейтральности точный мониторинг парниковых газов, таких как углекислый газ, приобрел особое значение. Инфракрасные датчики углекислого газа обладают уникальными преимуществами в этой области благодаря высокой точности, хорошей селективности и длительному сроку службы. В «Руководстве по созданию интеллектуальных платформ контроля рисков безопасности в химических промышленных парках» Китая мониторинг горючих/токсичных газов и анализ источников утечек указаны в качестве обязательных элементов строительства, что отражает акцент на роли мониторинга газов в сфере охраны окружающей среды на уровне государственной политики.
«Умный дом» и безопасность пищевых продуктов
«Умный дом» — наиболее перспективный рынок потребительских приложений для газовых датчиков. В настоящее время газовые датчики в основном применяются в бытовой технике, такой как очистители воздуха и кондиционеры. Однако с внедрением сенсорных матриц и интеллектуальных алгоритмов постепенно раскрывается их потенциал в таких сценариях, как хранение продуктов, приготовление пищи и мониторинг состояния здоровья.
В контексте сохранения продуктов питания газовые датчики могут отслеживать неприятные запахи, выделяемые продуктами во время хранения, для определения их свежести. Результаты последних исследований показывают, что как использование одного датчика для мониторинга концентрации запаха, так и применение массива газовых датчиков в сочетании с методами распознавания образов для определения свежести продуктов дают хорошие результаты. Однако из-за сложности реальных сценариев использования холодильников (таких как помехи от открывания и закрывания дверей, запуска и остановки компрессоров, внутренней циркуляции воздуха и т. д.), а также взаимного влияния различных летучих газов из пищевых ингредиентов, точность определения свежести продуктов все еще нуждается в улучшении.
Применение газовых датчиков в кулинарии — ещё один важный сценарий. В процессе приготовления пищи образуются сотни газообразных соединений, включая твердые частицы, алканы, ароматические соединения, альдегиды, кетоны, спирты, алкены и другие летучие органические соединения. В такой сложной среде массивы газовых датчиков демонстрируют более очевидные преимущества, чем отдельные датчики. Исследования показывают, что массивы газовых датчиков могут использоваться для определения степени готовности пищи на основе личных предпочтений или в качестве вспомогательного инструмента мониторинга рациона питания для регулярного информирования пользователей о привычках приготовления пищи. Однако факторы окружающей среды, такие как высокая температура, кухонные испарения и водяной пар, могут легко привести к «отравлению» датчика, что является технической проблемой, требующей решения.
В области безопасности пищевых продуктов исследования команды Ван Ди продемонстрировали потенциальную ценность применения газовых датчиков. Они ставят перед собой цель «одновременно идентифицировать десятки газов с помощью небольшого устройства, подключаемого к мобильному телефону», и стремятся сделать информацию о безопасности пищевых продуктов легкодоступной. Это высокоинтегрированное устройство на основе ольфакторного анализа может обнаруживать летучие компоненты в пищевых продуктах, определять свежесть и безопасность продуктов, а также предоставлять потребителям информацию в режиме реального времени.
Таблица: Основные объекты обнаружения и технические характеристики газовых датчиков в различных областях применения.
Области применения, основные объекты обнаружения, наиболее часто используемые типы датчиков, технические проблемы, тенденции развития.
Безопасность в промышленности: горючие газы, токсичные газы, каталитическое сжигание, электрохимическое сжигание, устойчивость к суровым условиям окружающей среды, синхронный мониторинг нескольких газов, поиск источников утечек.
Медицинские и оздоровительные исследования: ацетон, CO₂, летучие органические соединения (ЛОС) полупроводникового типа, колориметрический тип, селективность и чувствительность, носимая и интеллектуальная диагностика.
Развертывание энергосистемы для обеспечения долгосрочной стабильности и передачи данных в режиме реального времени для экологического мониторинга загрязняющих веществ в воздухе и парниковых газов в инфракрасном и электрохимическом диапазонах.
«Умный» дом: датчик летучих газов в пище, датчик дыма при приготовлении пищи, полупроводниковый тип, защита от помех PID.
Пожалуйста, свяжитесь с компанией Honde Technology Co., LTD.
Email: info@hondetech.com
Веб-сайт компании:www.hondetechco.com
Тел.: +86-15210548582
Дата публикации: 11 июня 2025 г.