Зі швидким розвитком таких технологій, як Інтернет речей та штучний інтелект, газові сенсори, важливий сенсорний пристрій, відомий як «п'ять електричних відчуттів», відкривають безпрецедентні можливості для розвитку. Від початкового моніторингу промислових токсичних та шкідливих газів до широкого застосування в медичній діагностиці, розумному будинку, моніторингу навколишнього середовища та інших галузях сьогодні, технологія газових сенсорів зазнає глибокої трансформації від однофункціональної до інтелекту, мініатюризації та багатовимірності. У цій статті буде всебічно проаналізовано технічні характеристики, останній прогрес у дослідженнях та глобальний стан застосування газових сенсорів, з особливою увагою до тенденцій розвитку в галузі газового моніторингу в таких країнах, як Китай та Сполучені Штати.
Технічні характеристики та тенденції розвитку газових сенсорів
Як перетворювач, що перетворює об'ємну частку певного газу на відповідний електричний сигнал, газовий датчик став незамінним і важливим компонентом сучасної технології сенсорних датчиків. Цей тип обладнання обробляє газові зразки за допомогою детекторних головок, зазвичай включаючи такі етапи, як фільтрація домішок і газів, що заважають, сушіння або охолодження, і, зрештою, перетворення інформації про концентрацію газу на вимірювані електричні сигнали. Наразі на ринку існують різні типи газових датчиків, включаючи напівпровідникові, електрохімічні, каталітичні, інфрачервоні газові датчики та фотоіонізаційні (PID) газові датчики тощо. Кожен з них має свої характеристики та широко використовується в цивільних, промислових та екологічних випробуваннях.
Стабільність та чутливість – це два основні показники для оцінки роботи газових сенсорів. Стабільність стосується збереження основної реакції сенсора протягом усього часу його роботи, що залежить від дрейфу нуля та інтервального дрейфу. В ідеалі, для високоякісних сенсорів у безперервних умовах роботи річний дрейф нуля має бути менше 10%. Чутливість – це відношення зміни вихідного сигналу сенсора до зміни вимірюваного вхідного сигналу. Чутливість різних типів сенсорів значно варіюється, головним чином залежно від технічних принципів та вибору матеріалів, які вони застосовують. Крім того, селективність (тобто перехресна чутливість) та стійкість до корозії також є важливими параметрами для оцінки роботи газових сенсорів. Перший визначає здатність сенсора розпізнавати середовище змішаних газів, тоді як другий пов'язаний з допуском сенсора до висококонцентрованих цільових газів.
Сучасний розвиток технології газових сенсорів демонструє кілька очевидних тенденцій. Перш за все, дослідження та розробка нових матеріалів і нових процесів продовжують поглиблюватися. Традиційні металооксидні напівпровідникові матеріали, такі як ZnO, SiO₂, Fe₂O₃ тощо, досягли зрілості. Дослідники легують, модифікують та модифікують поверхню існуючих газочутливих матеріалів за допомогою методів хімічної модифікації, а також удосконалюють процес плівкоутворення для підвищення стабільності та селективності сенсорів. Тим часом, також активно розвиваються нові матеріали, такі як композитні та гібридні напівпровідникові газочутливі матеріали та полімерні газочутливі матеріали. Ці матеріали демонструють вищу чутливість, селективність та стабільність до різних газів.
Інтелект датчиків – ще один важливий напрямок розвитку. Завдяки успішному застосуванню нових матеріальних технологій, таких як нанотехнології та тонкоплівкові технології, газові датчики стають більш інтегрованими та інтелектуальними. Завдяки повному використанню багатопрофільних інтегрованих технологій, таких як мікромеханічні та мікроелектронні технології, комп'ютерні технології, технології обробки сигналів, сенсорні технології та технології діагностики несправностей, дослідники розробляють повністю автоматичні цифрові інтелектуальні газові датчики, здатні одночасно контролювати кілька газів. Багатовимірний датчик типу хімічного опору та потенціалу, нещодавно розроблений дослідницькою групою доцента І Цзяньсіня з Державної ключової лабораторії пожежної науки в Університеті науки і технологій Китаю, є типовим представником цієї тенденції. Цей датчик реалізує тривимірне виявлення та точну ідентифікацію кількох газів та характеристик вогню за допомогою одного пристрою 59.
Оптимізація масивів та алгоритмів також привертає все більшу увагу. Через проблему широкого спектру реагування одного газового датчика, він схильний до перешкод, коли одночасно існує кілька газів. Використання кількох газових датчиків для формування масиву стало ефективним рішенням для покращення здатності розпізнавання. Збільшуючи розміри виявленого газу, масив датчиків може отримувати більше сигналів, що сприяє оцінці більшої кількості параметрів та покращенню здатності до оцінки та розпізнавання. Однак, зі збільшенням кількості датчиків у масиві, складність обробки даних також зростає. Тому оптимізація масиву датчиків є особливо важливою. В оптимізації масивів широко використовуються такі методи, як коефіцієнт кореляції та кластерний аналіз, тоді як алгоритми розпізнавання газу, такі як аналіз головних компонентів (PCA) та штучні нейронні мережі (ANN), значно покращили здатність датчиків до розпізнавання образів.
Таблиця: Порівняння продуктивності основних типів газових датчиків
Тип датчика, принцип роботи, переваги та недоліки, типовий термін служби
Адсорбція газів напівпровідникового типу має низьку вартість зміни опору напівпровідників, швидку реакцію, низьку селективність та значно залежить від температури та вологості протягом 2-3 років.
Електрохімічний газ зазнає окислювально-відновних реакцій для генерації струму, що має добру селективність та високу чутливість. Однак електроліт має обмежений знос та термін служби 1-2 роки (для рідкого електроліту).
Каталітичне горіння горючого газу викликає зміни температури. Воно спеціально розроблене для виявлення горючих газів і застосовується до горючих газів лише приблизно три роки.
Інфрачервоні гази мають високу точність поглинання інфрачервоного світла певних довжин хвиль, не викликають отруєнь, але мають високу вартість та відносно великий обсяг протягом 5-10 років.
Фотоіонізаційний (PID) ультрафіолетовий фотоіонізаційний метод для виявлення молекул газу ЛОС має високу чутливість і не може розрізняти типи сполук протягом 3-5 років.
Варто зазначити, що хоча технологія газових сенсорів досягла значного прогресу, вона все ще стикається з деякими поширеними проблемами. Термін служби сенсорів обмежує їх застосування в певних галузях. Наприклад, термін служби напівпровідникових сенсорів становить приблизно від 2 до 3 років, електрохімічних газових сенсорів – близько 1-2 років через втрату електроліту, тоді як термін служби твердотільних електрохімічних сенсорів може сягати 5 років. Крім того, проблеми дрейфу (зміни у відгуку сенсора з часом) та проблеми узгодженості (різниця в продуктивності між сенсорами в одній партії) також є важливими факторами, що обмежують широке застосування газових сенсорів. У відповідь на ці проблеми дослідники, з одного боку, прагнуть удосконалити газочутливі матеріали та виробничі процеси, а з іншого боку, компенсують або пригнічують вплив дрейфу сенсора на результати вимірювань, розробляючи передові алгоритми обробки даних.
Різноманітні сценарії застосування газових датчиків
Технологія газових датчиків проникла в усі аспекти суспільного життя. Її застосування давно вийшло за рамки традиційного моніторингу промислової безпеки та швидко розширюється в багатьох галузях, таких як охорона здоров'я, моніторинг навколишнього середовища, розумний дім та безпека харчових продуктів. Ця тенденція диверсифікованого застосування не лише відображає можливості, що з'являються завдяки технологічному прогресу, але й втілює зростаючий суспільний попит на виявлення газів.
Промислова безпека та моніторинг небезпечних газів
У сфері промислової безпеки газові датчики відіграють незамінну роль, особливо у галузях з високим рівнем ризику, таких як хімічна інженерія, нафта та гірничодобувна промисловість. Китайський «14-й п'ятирічний план безпечного виробництва небезпечних хімічних речовин» чітко вимагає від хімічних промислових парків створити комплексну систему моніторингу та раннього попередження про токсичні та шкідливі гази, а також сприяти створенню інтелектуальних платформ контролю ризиків. «План дій щодо промислового Інтернету плюс безпека праці» також заохочує парки розгортати датчики Інтернету речей та платформи аналізу на основі штучного інтелекту для забезпечення моніторингу в режимі реального часу та скоординованого реагування на такі ризики, як витік газу. Ці політичні орієнтири значно сприяли застосуванню газових датчиків у сфері промислової безпеки.
Сучасні системи моніторингу промислових газів розробили різноманітні технічні шляхи. Технологія візуалізації газової хмари візуалізує витік газу, візуально представляючи газові маси як зміни рівнів сірого пікселів на зображенні. Її здатність до виявлення залежить від таких факторів, як концентрація та об'єм витоку газу, різниця фонових температур та відстань моніторингу. Технологія інфрачервоної спектроскопії з перетворенням Фур'є може якісно та напівкількісно контролювати понад 500 типів газів, включаючи неорганічні, органічні, токсичні та шкідливі, а також одночасно сканувати 30 типів газів. Вона підходить для складних вимог моніторингу газу в хімічних промислових парках. Ці передові технології в поєднанні з традиційними газовими датчиками утворюють багаторівневу мережу моніторингу безпеки промислових газів.
На рівні конкретного впровадження, системи моніторингу промислових газів повинні відповідати низці національних та міжнародних стандартів. Китайський «Стандарт проектування для виявлення та сигналізації про легкозаймисті та токсичні гази в нафтохімічній промисловості» GB 50493-2019 та «Загальна технічна специфікація для моніторингу безпеки основних джерел небезпечних хімічних речовин» AQ 3035-2010 містять технічні специфікації для моніторингу промислових газів26. На міжнародному рівні OSHA (Управління з охорони праці та здоров'я Сполучених Штатів) розробило низку стандартів виявлення газів, які вимагають виявлення газу перед початком операцій у замкнутому просторі та забезпечення того, щоб концентрація шкідливих газів у повітрі була нижче безпечного рівня 610. Стандарти NFPA (Національної асоціації пожежної охорони Сполучених Штатів), такі як NFPA 72 та NFPA 54, висувають конкретні вимоги до виявлення легкозаймистих та токсичних газів610.
Медичне здоров'я та діагностика захворювань
Медична галузь та сфера охорони здоров'я стають одним із найперспективніших ринків застосування газових датчиків. Газ, що видихається людиною, містить велику кількість біомаркерів, пов'язаних зі станами здоров'я. Виявлення цих біомаркерів дозволяє проводити ранній скринінг та постійний моніторинг захворювань. Типовим представником цього застосування є портативний пристрій для виявлення ацетону в диханні, розроблений командою доктора Ван Ді з Науково-дослідного центру суперсприйняття лабораторії Чжецзян. Цей пристрій використовує колориметричну технологію для вимірювання вмісту ацетону у видихуваному людиною повітрі шляхом виявлення зміни кольору газочутливих матеріалів, що дозволяє швидко та безболісно виявити діабет 1 типу.
Коли рівень інсуліну в організмі людини низький, він не здатний перетворювати глюкозу на енергію, а натомість розщеплює жири. Як один із побічних продуктів розщеплення жирів, ацетон виводиться з організму через дихання. Доктор Ван Ді пояснив: 1. Порівняно з традиційними аналізами крові, цей метод дихального тесту пропонує кращий діагностичний та терапевтичний досвід. Крім того, команда розробляє датчик ацетону «щоденного вивільнення». Цей недорогий носимий пристрій може автоматично вимірювати газоподібний ацетон, що виділяється шкірою, цілодобово. У майбутньому, у поєднанні з технологією штучного інтелекту, він може допомогти в діагностиці, моніторингу та призначенні ліків при діабеті.
Окрім діабету, газові сенсори також демонструють великий потенціал у лікуванні хронічних захворювань та моніторингу респіраторних захворювань. Крива концентрації вуглекислого газу є важливою основою для оцінки стану легеневої вентиляції пацієнтів, тоді як криві концентрації певних газових маркерів відображають тенденцію розвитку хронічних захворювань. Традиційно інтерпретація цих даних вимагала участі медичного персоналу. Однак, завдяки розширенню можливостей технології штучного інтелекту, інтелектуальні газові сенсори можуть не тільки виявляти гази та будувати криві, але й визначати ступінь розвитку захворювання, що значно знижує навантаження на медичний персонал.
У сфері носимих медичних пристроїв застосування газових датчиків все ще перебуває на ранній стадії, але перспективи широкі. Дослідники з Zhuhai Gree Electric Appliances зазначили, що хоча побутові прилади відрізняються від медичних приладів з функціями діагностики захворювань, у сфері щоденного моніторингу здоров'я дому масиви газових датчиків мають такі переваги, як низька вартість, неінвазивність та мініатюризація, що дозволяє очікувати їх дедалі частішої появи в побутових приладах, таких як прилади для догляду за порожниною рота та розумні туалети, як допоміжні рішення для моніторингу та моніторингу в режимі реального часу. Зі зростанням попиту на здоров'я дому, моніторинг стану здоров'я людини за допомогою побутових приладів стане важливим напрямком розвитку розумних будинків.
Моніторинг навколишнього середовища та запобігання забрудненню та контроль
Моніторинг навколишнього середовища є однією з галузей, де газові сенсори знаходять найбільше застосування. Оскільки глобальна увага до захисту навколишнього середовища продовжує зростати, попит на моніторинг різних забруднювачів в атмосфері також зростає з кожним днем. Газові сенсори можуть виявляти шкідливі гази, такі як чадний газ, діоксид сірки та озон, що забезпечує ефективний інструмент для моніторингу якості навколишнього повітря.
Електрохімічний газовий датчик UGT-E4 компанії British Gas Shield Company є репрезентативним продуктом у галузі моніторингу навколишнього середовища. Він може точно вимірювати вміст забруднюючих речовин в атмосфері та забезпечувати своєчасну та точну підтримку даних для служб охорони навколишнього середовища. Цей датчик, завдяки інтеграції із сучасними інформаційними технологіями, реалізував такі функції, як дистанційний моніторинг, завантаження даних та інтелектуальна сигналізація, що значно підвищує ефективність та зручність виявлення газу. Користувачі можуть відстежувати зміни концентрації газу будь-коли та будь-де просто за допомогою своїх мобільних телефонів або комп'ютерів, забезпечуючи наукову основу для управління навколишнім середовищем та розробки політики.
Щодо моніторингу якості повітря в приміщеннях, газові датчики також відіграють важливу роль. Стандарт EN 45544, виданий Європейським комітетом зі стандартизації (EN), спеціально призначений для тестування якості повітря в приміщеннях та охоплює вимоги до тестування на різні шкідливі гази 610. Поширені на ринку датчики вуглекислого газу, датчики формальдегіду тощо широко використовуються в житлових будинках, комерційних будівлях та громадських розважальних закладах, допомагаючи людям створювати здоровіше та комфортніше середовище в приміщенні. Особливо під час пандемії COVID-19 вентиляція приміщень та якість повітря отримали безпрецедентну увагу, що ще більше сприяло розвитку та застосуванню відповідних сенсорних технологій.
Моніторинг викидів вуглецю – це новий напрямок застосування газових датчиків. На тлі глобальної вуглецевої нейтральності, точний моніторинг парникових газів, таких як вуглекислий газ, став особливо важливим. Інфрачервоні датчики вуглекислого газу мають унікальні переваги в цій галузі завдяки високій точності, хорошій селективності та тривалому терміну служби. У «Керівних принципах будівництва інтелектуальних платформ контролю ризиків безпеки в хімічних промислових парках» у Китаї моніторинг горючих/токсичних газів та аналіз відстеження джерел витоків перелічені як обов'язкові будівельні матеріали, що відображає акцент на рівні політики на ролі моніторингу газу в галузі охорони навколишнього середовища.
Розумний дім та безпека харчових продуктів
Розумний дім є найперспективнішим ринком споживчих застосувань газових датчиків. Наразі газові датчики в основному використовуються в побутовій техніці, такій як очищувачі повітря та кондиціонери. Однак, з появою сенсорних масивів та інтелектуальних алгоритмів, їхній потенціал застосування в таких сценаріях, як консервування, приготування їжі та моніторинг здоров'я, поступово розкривається.
Що стосується збереження харчових продуктів, газові датчики можуть контролювати неприємні запахи, що виділяються продуктами під час зберігання, щоб визначити їх свіжість. Результати останніх досліджень показують, що незалежно від того, чи використовується один датчик для контролю концентрації запаху, чи масив газових датчиків у поєднанні з методами розпізнавання образів для визначення свіжості продуктів, було досягнуто хороших результатів. Однак, через складність реальних сценаріїв використання холодильника (таких як перешкоди від користувачів, що відкривають та закривають дверцята, запускають та зупиняють компресори, а також внутрішню циркуляцію повітря тощо), а також взаємний вплив різних летких газів з харчових інгредієнтів, все ще існує потенціал для покращення точності визначення свіжості продуктів.
Приготування їжі – це ще один важливий сценарій для газових датчиків. Під час процесу приготування їжі утворюються сотні газоподібних сполук, включаючи тверді частинки, алкани, ароматичні сполуки, альдегіди, кетони, спирти, алкени та інші леткі органічні сполуки. У такому складному середовищі масиви газових датчиків демонструють більш очевидні переваги, ніж окремі датчики. Дослідження показують, що масиви газових датчиків можна використовувати для визначення стану приготування їжі на основі особистих смаків або як допоміжний інструмент моніторингу харчування для регулярного повідомлення користувачів про кулінарні звички. Однак фактори середовища приготування, такі як висока температура, кухонні випари та водяна пара, можуть легко призвести до «отруєння» датчика, що є технічною проблемою, яку необхідно вирішити.
У галузі безпеки харчових продуктів дослідження команди Ван Ді продемонстрували потенційну цінність застосування газових датчиків. Вони прагнуть «ідентифікувати десятки газів одночасно за допомогою невеликого плагіна для мобільного телефону» та прагнуть зробити інформацію про безпеку харчових продуктів легкодоступною. Цей високоінтегрований нюховий пристрій може виявляти леткі компоненти в продуктах харчування, визначати свіжість та безпеку продуктів, а також надавати споживачам інформацію в режимі реального часу.
Таблиця: Основні об'єкти виявлення та технічні характеристики газових сенсорів у різних сферах застосування
Галузі застосування, основні об'єкти виявлення, типові типи датчиків, технічні проблеми, тенденції розвитку
Промислова безпека горючих газів, токсичних газів каталітичного типу спалювання, електрохімічного типу, стійкість до суворих умов навколишнього середовища, багатогазовий синхронний моніторинг, відстеження джерела витоку
Медичний та охоронний ацетон, CO₂, ЛОС напівпровідниковий тип, колориметричний тип селективності та чутливості, носимий та інтелектуальний діагностичний пристрій
Розгортання довгострокової стабільної мережі та передача даних у режимі реального часу для моніторингу навколишнього середовища забруднювачами повітря та парниковими газами в інфрачервоній та електрохімічній формах
Розумний домашній харчовий леткий газ, напівпровідниковий тип диму для приготування їжі, PID-регулятор з можливістю захисту від перешкод
Будь ласка, зв'яжіться з компанією Honde Technology Co., LTD.
Email: info@hondetech.com
Вебсайт компанії:www.hondetechco.com
Тел.: +86-15210548582
Час публікації: 11 червня 2025 р.