Благодаря стремительному развитию таких технологий, как Интернет вещей и искусственный интеллект, газовые датчики, важные сенсорные устройства, известные как «пять электрических чувств», открывают беспрецедентные возможности для развития. От первоначального мониторинга токсичных и вредных промышленных газов до их широкого применения в медицинской диагностике, умном доме, мониторинге окружающей среды и других областях сегодня, технология газовых датчиков претерпевает глубокую трансформацию от однофункциональности к интеллектуальности, миниатюризации и многомерности. В данной статье всесторонне проанализированы технические характеристики, последние достижения в исследованиях и уровень применения газовых датчиков в мире, с особым вниманием к тенденциям развития в области газового мониторинга в таких странах, как Китай и США.
Технические характеристики и тенденции развития газовых сенсоров
Газовый датчик, преобразующий объёмную долю определённого газа в соответствующий электрический сигнал, стал незаменимым и важным компонентом современной сенсорной техники. Этот тип оборудования обрабатывает газовые пробы с помощью детекторных головок, обычно включая такие этапы, как фильтрация примесей и мешающих газов, сушка или охлаждение, и, в конечном итоге, преобразование информации о концентрации газа в измеряемые электрические сигналы. В настоящее время на рынке представлены различные типы газовых датчиков, включая полупроводниковые, электрохимические, каталитические, инфракрасные и фотоионизационные (ФИД) датчики и т.д. Каждый из них имеет свои особенности и широко используется в гражданских, промышленных и экологических испытаниях.
Стабильность и чувствительность являются двумя основными показателями для оценки производительности газовых датчиков. Стабильность относится к постоянству основного отклика датчика в течение всего его рабочего времени, которое зависит от дрейфа нуля и интервального дрейфа. В идеале для высококачественных датчиков в непрерывных условиях работы годовой дрейф нуля должен быть менее 10%. Чувствительность относится к отношению изменения выходного сигнала датчика к изменению измеряемого входного сигнала. Чувствительность различных типов датчиков значительно различается, в основном в зависимости от технических принципов и выбора материалов, которые они используют. Кроме того, селективность (т. е. перекрестная чувствительность) и коррозионная стойкость также являются важными параметрами для оценки производительности газовых датчиков. Первый определяет способность датчика распознавать в смешанной газовой среде, в то время как второй связан с устойчивостью датчика к целевым газам высокой концентрации.
Современное развитие технологий газовых сенсоров демонстрирует несколько очевидных тенденций. Прежде всего, это продолжающееся углубление исследований и разработок новых материалов и новых процессов. Традиционные металл-оксид-полупроводниковые материалы, такие как ZnO, SiO₂, Fe₂O₃ и др., достигли зрелости. Исследователи легируют, модифицируют и модифицируют поверхность существующих газочувствительных материалов методами химической модификации, одновременно совершенствуя процесс формирования пленки для повышения стабильности и селективности сенсоров. В то же время активно развивается разработка новых материалов, таких как композитные и гибридные полупроводниковые газочувствительные материалы и полимерные газочувствительные материалы. Эти материалы обладают более высокой чувствительностью, селективностью и стабильностью к различным газам.
Интеллектуальность датчиков – ещё одно важное направление развития. Благодаря успешному применению новых технологий материалов, таких как нанотехнологии и тонкоплёночные технологии, газовые датчики становятся всё 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. Многопараметрический датчик химического сопротивления и потенциала, недавно разработанный исследовательской группой доцента И Цзяньсиня из Государственной ключевой лаборатории пожарных наук Китайского университета науки и технологий, является типичным представителем этой тенденции. Этот датчик реализует трёхмерное обнаружение и точную идентификацию нескольких газов и характеристик пожара одним устройством 59.
Массивизация и оптимизация алгоритмов также получают все большее внимание. Из-за проблемы широкого спектра отклика одного газового датчика он подвержен помехам при одновременном наличии нескольких газов. Использование нескольких газовых датчиков для формирования массива стало эффективным решением для улучшения способности распознавания. Увеличивая размеры обнаруживаемого газа, массив датчиков может получать больше сигналов, что способствует оценке большего количества параметров и улучшению способности суждения и распознавания. Однако по мере увеличения количества датчиков в массиве возрастает и сложность обработки данных. Поэтому оптимизация массива датчиков особенно важна. При оптимизации массива широко применяются такие методы, как коэффициент корреляции и кластерный анализ, в то время как алгоритмы распознавания газов, такие как анализ главных компонент (PCA) и искусственные нейронные сети (ANN), значительно улучшили способность датчиков распознавать образы.
Таблица: Сравнение характеристик основных типов газовых датчиков
Тип датчика, принцип работы, преимущества и недостатки, типичный срок службы
Газовая адсорбция полупроводникового типа характеризуется низкими затратами на изменение сопротивления полупроводников, быстрым откликом, низкой селективностью и сильно подвержена влиянию температуры и влажности в течение 2–3 лет.
Электрохимический газ вступает в окислительно-восстановительные реакции, генерируя ток, обладающий хорошей селективностью и высокой чувствительностью. Однако электролит имеет ограниченный износ и срок службы 1-2 года (для жидкого электролита).
Каталитическое горение горючего газа приводит к изменению температуры. Этот детектор специально разработан для обнаружения горючих газов и применим только для горючих газов в течение примерно трёх лет.
Инфракрасные газы обладают высокой точностью поглощения инфракрасного света определенных длин волн, не вызывают отравления, но имеют высокую стоимость и сравнительно большой объем в течение 5–10 лет.
Фотоионизация (ФИД) ультрафиолетовая фотоионизация для обнаружения молекул газа ЛОС имеет высокую чувствительность и не позволяет различать типы соединений в течение 3–5 лет.
Стоит отметить, что, несмотря на значительный прогресс в области газовых сенсоров, они по-прежнему сталкиваются с некоторыми общими проблемами. Срок службы сенсоров ограничивает их применение в некоторых областях. Например, срок службы полупроводниковых сенсоров составляет приблизительно 2–3 года, электрохимических газовых сенсоров – около 1–2 лет из-за потери электролита, в то время как срок службы твердотельных электрохимических сенсоров может достигать 5 лет. Кроме того, важными факторами, ограничивающими широкое применение газовых сенсоров, являются проблемы дрейфа (изменение отклика сенсора с течением времени) и проблемы согласованности (различия в характеристиках сенсоров одной партии). Для решения этих проблем исследователи, с одной стороны, стремятся улучшить газочувствительные материалы и производственные процессы, а с другой – компенсировать или подавить влияние дрейфа сенсора на результаты измерений, разрабатывая передовые алгоритмы обработки данных.
Разнообразные сценарии применения газовых датчиков
Технология газовых датчиков проникла во все аспекты общественной жизни. Области их применения давно вышли за рамки традиционного мониторинга промышленной безопасности и стремительно расширяются, охватывая такие области, как здравоохранение, мониторинг окружающей среды, умный дом и безопасность пищевых продуктов. Эта тенденция диверсификации сфер применения не только отражает возможности, открываемые технологическим прогрессом, но и отражает 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 уровнем риска, таких как химическое машиностроение, нефтяная и горнодобывающая промышленность. Китайский «14-й пятилетний план по безопасному производству опасных химических веществ» чётко обязывает химические промышленные парки создавать комплексную систему мониторинга и раннего оповещения о токсичных и вредных газах, а также содействовать созданию интеллектуальных платформ управления рисками. «Промышленный интернет плюс план действий по безопасности труда» также поощряет парки к использованию датчиков Интернета вещей и аналитических платформ искусственного интеллекта для мониторинга в режиме реального времени и скоординированного реагирования на такие риски, как утечка газа. Эти политические установки значительно способствовали применению газовых датчиков в области промышленной безопасности.
Современные системы мониторинга промышленных газов разработаны с использованием различных технических подходов. Технология визуализации газового облака визуализирует утечки газа, визуально отображая газовые массы в виде изменений уровней серого пикселей на изображении. Способность обнаружения зависит от таких факторов, как концентрация и объём вытекшего газа, разница фоновой температуры 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 решения сложных задач мониторинга газов в химических промышленных парках. Эти передовые технологии в сочетании с традиционными газовыми датчиками образуют многоуровневую сеть мониторинга безопасности промышленных газов.
На уровне конкретной реализации промышленные системы мониторинга газов должны соответствовать ряду национальных и международных стандартов. Китайские «Стандарт проектирования для обнаружения и сигнализации горючих и токсичных газов в нефтехимической промышленности» GB 50493-2019 и «Общие технические условия для мониторинга безопасности основных источников опасности опасных химических веществ» AQ 3035-2010 предоставляют технические условия для промышленного мониторинга газов 26. На международном уровне OSHA (Управление по охране труда и технике безопасности США) разработало ряд стандартов обнаружения газов, требующих обнаружения газа перед операциями в замкнутом пространстве и гарантирующих, что концентрация вредных газов в воздухе будет ниже безопасного уровня 610. Стандарты NFPA (Национальной ассоциации противопожарной защиты США), такие как NFPA 72 и NFPA 54, выдвигают конкретные требования к обнаружению горючих газов и токсичных газов 610.
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. Портативный прибор для определения ацетона в выдыхаемом воздухе, разработанный командой доктора Ван Ди из Центра исследований супервосприятия Чжэцзянской лаборатории, является типичным представителем такого применения. В этом приборе используется колориметрический метод измерения содержания ацетона в выдыхаемом воздухе человека путем обнаружения изменения цвета газочувствительных материалов, что обеспечивает быстрое и безболезненное выявление диабета 1 типа.
Когда уровень инсулина в организме человека низкий, он не может преобразовывать глюкозу в энергию и вместо этого расщепляет жир. Будучи одним из побочных продуктов распада жира, ацетон выводится из организма через дыхание. Доктор Ван Ди объяснил: 1. По сравнению с традиционными анализами крови, этот метод дыхательного теста обеспечивает более высокую диагностическую и терапевтическую эффективность. Более того, команда разрабатывает пластырь-датчик ацетона «ежедневного высвобождения». Это недорогое носимое устройство может автоматически измерять газообразный ацетон, выделяемый кожей, круглосуточно. В будущем, в сочетании с технологиями 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 важным показателем для оценки состояния легочной вентиляции пациентов, в то время как кривые концентрации некоторых газовых маркеров отражают динамику 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, что значительно снижает нагрузку на медицинский персонал.
В области носимых медицинских устройств применение газовых датчиков пока находится на ранней стадии, но перспективы обширны. Исследователи из Zhuhai Gree Electric Appliances отметили, что, хотя бытовая техника отличается от медицинских приборов с функциями диагностики заболеваний, в области ежедневного мониторинга здоровья дома массивы газовых датчиков обладают такими преимуществами, как низкая стоимость, неинвазивность и миниатюрность, что позволяет ожидать их всё большего использования в бытовой технике, такой как приборы для ухода за полостью рта и умные туалеты, в качестве вспомогательных средств мониторинга и мониторинга в режиме реального времени. С ростом спроса на домашние медицинские устройства, мониторинг состояния здоровья человека с помощью бытовой техники станет важным направлением развития умных домов.
Мониторинг окружающей среды и предотвращение и контроль загрязнения
Мониторинг окружающей среды — одна из областей, где газовые датчики нашли наиболее широкое применение. Поскольку во всем мире особое внимание уделяется охране окружающей среды, спрос на мониторинг различных загрязняющих веществ в атмосфере также растёт с каждым днём. Газовые датчики способны обнаруживать такие вредные газы, как оксид углерода, диоксид серы и озон, что делает их эффективным инструментом для мониторинга качества воздуха.
Электрохимический газовый сенсор UGT-E4 компании British Gas Shield – яркий представитель в области мониторинга окружающей среды. Он позволяет точно измерять содержание загрязняющих веществ в атмосфере и предоставлять оперативные и точные данные природоохранным органам. Благодаря интеграции с современными информационными технологиями этот сенсор реализует такие функции, как удаленный мониторинг, загрузка данных и интеллектуальная сигнализация, что значительно повышает эффективность и удобство обнаружения газа. Пользователи могут отслеживать изменения концентрации газа в любое время и в любом месте с помощью мобильного телефона или компьютера, обеспечивая научную основу для управления охраной окружающей среды и разработки политики.
Газовые датчики также играют важную роль в контроле качества воздуха в помещениях. Стандарт EN 45544, выпущенный Европейским комитетом по стандартизации (EN), специально предназначен для контроля качества воздуха в помещениях и охватывает требования к испытаниям на содержание различных вредных газов. Распространённые на рынке датчики углекислого газа, формальдегида и другие датчики широко используются в жилых домах, коммерческих зданиях и общественных развлекательных заведениях, помогая людям создавать более здоровую и комфортную среду в помещениях. В период пандемии COVID-19 вентиляция и качество воздуха в помещениях получили беспрецедентное внимание, что ещё больше стимулирует разработку и применение соответствующих сенсорных технологий.
Мониторинг выбросов углерода – это новое направление применения газовых датчиков. В условиях глобальной углеродной нейтральности точный мониторинг парниковых газов, таких как углекислый газ, приобрел особую важность. 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 управления рисками безопасности в химических промышленных парках» Китая мониторинг горючих/токсичных газов и анализ отслеживания источников утечек указаны в качестве обязательных компонентов, что отражает акцент на роли газового мониторинга в области охраны окружающей среды.
Умный дом и безопасность пищевых продуктов
Умный дом — наиболее перспективный рынок потребительского применения газовых датчиков. В настоящее время газовые датчики в основном используются в бытовой технике, такой как очистители воздуха и кондиционеры. Однако с появлением массивов датчиков и интеллектуальных алгоритмов их потенциал применения в таких областях, как консервирование, приготовление пищи и мониторинг состояния здоровья, постепенно раскрывается.
Что касается сохранения продуктов питания, газовые датчики могут отслеживать неприятные запахи, выделяемые продуктами во время хранения, для определения их свежести. Результаты последних исследований показывают, что независимо от того, используется ли один датчик для контроля концентрации запаха или массив газовых датчиков в сочетании с методами распознавания образов для определения свежести продуктов, достигаются хорошие результаты. Однако, учитывая сложность реальных сценариев использования холодильника (например, помехи, возникающие при открывании и закрывании дверей, запуске и остановке компрессоров, циркуляции воздуха внутри холодильника и т. д.), а также взаимное влияние различных летучих газов, содержащихся в пищевых ингредиентах, точность определения свежести продуктов всё ещё нуждается в повышении.
Применение газовых датчиков в кулинарии — ещё одна важная область применения. В процессе приготовления пищи образуются сотни газообразных соединений, включая твёрдые частицы, алканы, ароматические соединения, альдегиды, кетоны, спирты, алкены и другие летучие органические соединения. В такой сложной среде массивы газовых датчиков демонстрируют более очевидные преимущества по сравнению с одиночными датчиками. Исследования показывают, что массивы газовых датчиков могут использоваться для определения степени готовности пищи на основе личных предпочтений или в качестве вспомогательного инструмента мониторинга питания для регулярного информирования пользователей о привычках приготовления пищи. Однако факторы среды приготовления, такие как высокая температура, кухонные испарения и водяной пар, могут легко привести к «отравлению» датчика, что представляет собой техническую проблему, требующую решения.
В области безопасности пищевых продуктов исследования группы Ван Ди продемонстрировали потенциальную ценность газовых датчиков. Целью разработки является «одновременное обнаружение десятков газов с помощью небольшого разъёма для подключения к мобильному телефону» и обеспечение лёгкого доступа к информации о безопасности пищевых продуктов. Этот высокоинтегрированный обонятельный прибор с матрицей способен обнаруживать летучие компоненты в пищевых продуктах, определять их свежесть и безопасность, а также предоставлять потребителям справочную информацию в режиме реального времени.
Таблица: Основные объекты обнаружения и технические характеристики газовых сенсоров в различных областях применения
Области применения, основные объекты обнаружения, наиболее часто используемые типы датчиков, технические проблемы, тенденции развития
Промышленная безопасность: горючий газ, токсичный газ, каталитическое сжигание, электрохимический тип, устойчивость к суровым условиям окружающей среды, синхронный многогазовый мониторинг, отслеживание источника утечки
Медицинский и оздоровительный ацетон, CO₂, ЛОС полупроводникового типа, селективность и чувствительность колориметрического типа, носимые устройства и интеллектуальная диагностика
Развертывание сети долгосрочной стабильности и передача данных в режиме реального времени для мониторинга окружающей среды, загрязняющих воздух и парниковых газов в инфракрасной и электрохимической формах
Умный дом, летучий пищевой газ, полупроводниковый тип дыма при готовке, ПИД-регулирование с защитой от помех
Пожалуйста, свяжитесь с Honde Technology Co., LTD.
Email: info@hondetech.com
Сайт компании:www.hondetechco.com
Тел.: +86-15210548582
Время публикации: 11 июня 2025 г.