Odată cu dezvoltarea rapidă a tehnologiilor precum Internetul Lucrurilor și inteligența artificială, senzorii de gaz, un dispozitiv important de detectare cunoscut sub numele de „cele cinci simțuri electrice”, îmbrățișează oportunități de dezvoltare fără precedent. De la monitorizarea inițială a gazelor industriale toxice și nocive până la aplicarea sa largă în diagnosticul medical, casa inteligentă, monitorizarea mediului și alte domenii în prezent, tehnologia senzorilor de gaz trece printr-o transformare profundă, de la o singură funcție la inteligență, miniaturizare și multidimensionalitate. Acest articol va analiza în detaliu caracteristicile tehnice, cele mai recente progrese în cercetare și stadiul global al aplicării senzorilor de gaz, acordând o atenție deosebită tendințelor de dezvoltare în domeniul monitorizării gazelor în țări precum China și Statele Unite.
Caracteristicile tehnice și tendințele de dezvoltare ale senzorilor de gaz
Fiind un convertor care transformă fracția volumică a unui anumit gaz în semnal electric corespunzător, senzorul de gaz a devenit o componentă indispensabilă și importantă în tehnologia modernă de detectare. Acest tip de echipament procesează probele de gaz prin intermediul unor capete de detecție, incluzând de obicei etape precum filtrarea impurităților și a gazelor interferente, uscarea sau tratamentul prin refrigerare și, în final, convertirea informațiilor despre concentrația de gaz în semnale electrice măsurabile. În prezent, există pe piață diverse tipuri de senzori de gaz, inclusiv senzori de gaz de tip semiconductor, senzori electrochimici, senzori de gaz cu combustie catalitică, senzori de gaz cu infraroșu și senzori de gaz cu fotoionizare (PID) etc. Fiecare dintre ei are propriile caracteristici și este utilizat pe scară largă în domeniile testelor civile, industriale și de mediu.
Stabilitatea și sensibilitatea sunt cei doi indicatori principali pentru evaluarea performanței senzorilor de gaz. Stabilitatea se referă la persistența răspunsului de bază al unui senzor pe întreaga sa durată de funcționare, care depinde de deviația zero și deviația intervalului. În mod ideal, pentru senzorii de înaltă calitate în condiții de funcționare continuă, deviația zero anuală ar trebui să fie mai mică de 10%. Sensibilitatea se referă la raportul dintre modificarea ieșirii senzorului și modificarea intrării măsurate. Sensibilitatea diferitelor tipuri de senzori variază semnificativ, în principal în funcție de principiile tehnice și de selecția materialelor pe care le adoptă. În plus, selectivitatea (adică sensibilitatea încrucișată) și rezistența la coroziune sunt, de asemenea, parametri importanți pentru evaluarea performanței senzorilor de gaz. Prima determină capacitatea de recunoaștere a senzorului într-un mediu cu gaze mixte, în timp ce cea de-a doua este legată de toleranța senzorului la gaze țintă cu concentrație mare.
Dezvoltarea actuală a tehnologiei senzorilor de gaz prezintă câteva tendințe evidente. În primul rând, cercetarea și dezvoltarea de noi materiale și procese a continuat să se aprofundeze. Materialele semiconductoare tradiționale din oxid metalic, cum ar fi ZnO, SiO₂, Fe₂O₃ etc., au devenit mature. Cercetătorii dopează, modifică și modifică suprafața materialelor sensibile la gaze existente prin metode de modificare chimică și îmbunătățesc în același timp procesul de formare a peliculei pentru a spori stabilitatea și selectivitatea senzorilor. Între timp, dezvoltarea de noi materiale, cum ar fi materialele compozite și hibride semiconductoare sensibile la gaze și materialele polimerice sensibile la gaze, este, de asemenea, promovată activ. Aceste materiale prezintă o sensibilitate, selectivitate și stabilitate mai mari la diferite gaze.
Inteligența senzorilor este o altă direcție importantă de dezvoltare. Odată cu aplicarea cu succes a noilor tehnologii de materiale, cum ar fi nanotehnologia și tehnologia peliculelor subțiri, senzorii de gaz devin mai integrați și mai inteligenți. Prin valorificarea deplină a tehnologiilor integrate multidisciplinare, cum ar fi tehnologia micromecanică și microelectronică, tehnologia computerelor, tehnologia de procesare a semnalelor, tehnologia senzorilor și tehnologia de diagnosticare a defecțiunilor, cercetătorii dezvoltă senzori de gaz inteligenți digitali complet automați, capabili să monitorizeze simultan mai multe gaze. Un senzor multivariabil de tip rezistență chimică-potențial, dezvoltat recent de grupul de cercetare al profesorului asociat Yi Jianxin de la Laboratorul Cheie de Stat pentru Știința Focului din cadrul Universității de Știință și Tehnologie din China, este un reprezentant tipic al acestei tendințe. Acest senzor realizează detectarea tridimensională și identificarea precisă a mai multor gaze și caracteristici ale focului printr-un singur dispozitiv 59.
Organizarea în matrice și optimizarea algoritmilor se bucură, de asemenea, de o atenție tot mai mare. Datorită problemei răspunsului cu spectru larg a unui singur senzor de gaz, acesta este predispus la interferențe atunci când există mai multe gaze simultan. Utilizarea mai multor senzori de gaz pentru a forma o matrice a devenit o soluție eficientă pentru îmbunătățirea capacității de recunoaștere. Prin creșterea dimensiunilor gazului detectat, matricea de senzori poate obține mai multe semnale, ceea ce conduce la evaluarea mai multor parametri și la îmbunătățirea capacității de judecată și recunoaștere. Cu toate acestea, pe măsură ce numărul de senzori din matrice crește, crește și complexitatea procesării datelor. Prin urmare, optimizarea matricei de senzori este deosebit de importantă. În optimizarea matricei, metode precum coeficientul de corelație și analiza cluster sunt adoptate pe scară largă, în timp ce algoritmii de recunoaștere a gazelor, cum ar fi Analiza Componentelor Principale (PCA) și Rețeaua Neuronală Artificială (ANN), au îmbunătățit considerabil capacitatea de recunoaștere a tiparelor senzorilor.
Tabel: Comparație a performanței principalelor tipuri de senzori de gaz
Tipul senzorului, principiul de funcționare, avantajele și dezavantajele, durata de viață tipică
Adsorbția de gaz de tip semiconductor are costuri reduse în modificarea rezistenței semiconductorilor, răspuns rapid, selectivitate slabă și este puternic afectată de temperatură și umiditate timp de 2-3 ani.
Gazul electrochimic suferă reacții REDOX pentru a genera curent, care are o selectivitate bună și o sensibilitate ridicată. Cu toate acestea, electrolitul are o uzură limitată și o durată de viață de 1-2 ani (pentru electrolitul lichid).
Arderea gazelor combustibile de tip catalitic provoacă schimbări de temperatură. Este special concepută pentru detectarea gazelor combustibile și este aplicabilă numai gazelor combustibile timp de aproximativ trei ani.
Gazele infraroșii au o precizie ridicată în absorbția luminii infraroșii de lungimi de undă specifice, nu provoacă intoxicații, dar au un cost ridicat și un volum relativ mare timp de 5 până la 10 ani.
Fotoionizarea ultravioletă (PID) pentru detectarea moleculelor de gaz din COV are o sensibilitate ridicată și nu poate distinge tipurile de compuși timp de 3 până la 5 ani.
Este demn de remarcat faptul că, deși tehnologia senzorilor de gaz a înregistrat progrese considerabile, aceasta se confruntă încă cu unele provocări comune. Durata de viață a senzorilor restricționează aplicarea lor în anumite domenii. De exemplu, durata de viață a senzorilor semiconductori este de aproximativ 2 până la 3 ani, cea a senzorilor electrochimici de gaz este de aproximativ 1 până la 2 ani din cauza pierderii de electrolit, în timp ce cea a senzorilor electrochimici cu electrolit în stare solidă poate ajunge la 5 ani. În plus, problemele de drift (modificări ale răspunsului senzorului în timp) și problemele de consecvență (diferențe de performanță între senzorii din același lot) sunt, de asemenea, factori importanți care restricționează aplicarea pe scară largă a senzorilor de gaz. Ca răspuns la aceste probleme, cercetătorii, pe de o parte, se angajează să îmbunătățească materialele sensibile la gaze și procesele de fabricație, iar pe de altă parte, compensează sau suprimă influența derivei senzorilor asupra rezultatelor măsurătorilor prin dezvoltarea de algoritmi avansați de procesare a datelor.
Scenarii de aplicare diversificate ale senzorilor de gaz
Tehnologia senzorilor de gaz a pătruns în fiecare aspect al vieții sociale. Scenariile sale de aplicare au depășit de mult domeniul tradițional de monitorizare a siguranței industriale și se extind rapid în multiple domenii, cum ar fi sănătatea medicală, monitorizarea mediului, casa inteligentă și siguranța alimentară. Această tendință de diversificare a aplicațiilor nu numai că reflectă posibilitățile aduse de progresul tehnologic, dar întruchipează și cererea socială tot mai mare pentru detectarea gazelor.
Siguranță industrială și monitorizare a gazelor periculoase
În domeniul siguranței industriale, senzorii de gaz joacă un rol de neînlocuit, în special în industriile cu risc ridicat, cum ar fi ingineria chimică, petrolul și mineritul. „Cel de-al 14-lea Plan cincinal al Chinei pentru producția în siguranță a substanțelor chimice periculoase” impune în mod clar parcurilor industriale chimice să stabilească un sistem cuprinzător de monitorizare și avertizare timpurie pentru gazele toxice și nocive și să promoveze construirea de platforme inteligente de control al riscurilor. „Planul de acțiune pentru siguranța la locul de muncă Internetul industrial plus” încurajează, de asemenea, parcurile să implementeze senzori Internet of Things și platforme de analiză AI pentru a realiza monitorizare în timp real și un răspuns coordonat la riscuri precum scurgerile de gaze. Aceste orientări politice au promovat considerabil aplicarea senzorilor de gaz în domeniul siguranței industriale.
Sistemele moderne de monitorizare a gazelor industriale au dezvoltat o varietate de rute tehnice. Tehnologia de imagistică a norilor de gaze vizualizează scurgerile de gaze prin prezentarea vizuală a maselor de gaz ca modificări ale nivelurilor de gri ale pixelilor din imagine. Capacitatea sa de detectare este legată de factori precum concentrația și volumul gazului scurs, diferența de temperatură de fond și distanța de monitorizare. Tehnologia de spectroscopie în infraroșu cu transformare Fourier poate monitoriza calitativ și semicantitativ peste 500 de tipuri de gaze, inclusiv gaze anorganice, organice, toxice și nocive, și poate scana simultan 30 de tipuri de gaze. Este potrivită pentru cerințele complexe de monitorizare a gazelor din parcurile industriale chimice. Aceste tehnologii avansate, combinate cu senzorii tradiționali de gaz, formează o rețea de monitorizare a siguranței gazelor industriale pe mai multe niveluri.
La nivelul implementării specifice, sistemele de monitorizare a gazelor industriale trebuie să respecte o serie de standarde naționale și internaționale. „Standardul de proiectare pentru detectarea și alarmarea gazelor inflamabile și toxice în industria petrochimică” GB 50493-2019 din China și „Specificația tehnică generală pentru monitorizarea siguranței surselor majore de substanțe chimice periculoase” AQ 3035-2010 oferă specificații tehnice pentru monitorizarea gazelor industriale 26. La nivel internațional, OSHA (Administrația pentru Securitate și Sănătate în Muncă din Statele Unite) a dezvoltat o serie de standarde de detectare a gazelor, care impun detectarea gazelor înainte de operațiunile în spații închise și asigură că concentrația gazelor nocive din aer este sub nivelul de siguranță de 610. Standardele NFPA (Asociația Națională de Protecție împotriva Incendiilor din Statele Unite), cum ar fi NFPA 72 și NFPA 54, prezintă cerințe specifice pentru detectarea gazelor inflamabile și a gazelor toxice 610.
Sănătate medicală și diagnosticul bolilor
Domeniul medical și al sănătății devine una dintre cele mai promițătoare piețe de aplicare pentru senzorii de gaz. Gazul expirat al corpului uman conține un număr mare de biomarkeri legați de afecțiuni. Prin detectarea acestor biomarkeri, se poate realiza screening-ul precoce și monitorizarea continuă a bolilor. Dispozitivul portabil de detectare a acetonei respiratorii, dezvoltat de echipa Dr. Wang Di de la Centrul de Cercetare Super Perception al Laboratorului Zhejiang, este un reprezentant tipic al acestei aplicații. Acest dispozitiv utilizează o tehnologie colorimetrică pentru a măsura conținutul de acetonă din respirația umană prin detectarea schimbării de culoare a materialelor sensibile la gaz, realizând astfel o detectare rapidă și nedureroasă a diabetului de tip 1.
Când nivelul de insulină din corpul uman este scăzut, acesta nu este capabil să transforme glucoza în energie și, în schimb, să descompună grăsimile. Ca unul dintre produsele secundare ale descompunerii grăsimilor, acetona este excretată din organism prin respirație. Dr. Wang Di a explicat 1. Comparativ cu testele de sânge tradiționale, această metodă de testare a respirației oferă o experiență diagnostică și terapeutică mai bună. Mai mult, echipa dezvoltă un senzor de acetonă cu „eliberare zilnică” pe plasture. Acest dispozitiv portabil cu cost redus poate măsura automat acetona gazoasă emisă de piele non-stop. În viitor, atunci când este combinat cu tehnologia inteligenței artificiale, poate ajuta la diagnosticarea, monitorizarea și ghidarea medicației pentru diabet.
Pe lângă diabet, senzorii de gaz prezintă, de asemenea, un mare potențial în gestionarea bolilor cronice și monitorizarea bolilor respiratorii. Curba concentrației de dioxid de carbon este o bază importantă pentru evaluarea stării ventilației pulmonare a pacienților, în timp ce curbele de concentrație ale anumitor markeri de gaz reflectă tendința de dezvoltare a bolilor cronice. În mod tradițional, interpretarea acestor date necesita participarea personalului medical. Cu toate acestea, odată cu dezvoltarea tehnologiei inteligenței artificiale, senzorii inteligenți de gaz nu numai că pot detecta gazele și pot trasa curbe, ci și pot determina gradul de dezvoltare a bolii, reducând considerabil presiunea asupra personalului medical.
În domeniul dispozitivelor portabile pentru sănătate, aplicarea senzorilor de gaz este încă într-un stadiu incipient, dar perspectivele sunt largi. Cercetătorii de la Zhuhai Gree Electric Appliances au subliniat că, deși electrocasnicele sunt diferite de dispozitivele medicale cu funcții de diagnosticare a bolilor, în domeniul monitorizării zilnice a sănătății la domiciliu, rețelele de senzori de gaz prezintă avantaje precum costul redus, non-invazivitatea și miniaturizarea, ceea ce face ca acestea să apară din ce în ce mai mult în electrocasnice, cum ar fi aparatele de îngrijire orală și toaletele inteligente, ca soluții auxiliare de monitorizare și monitorizare în timp real. Odată cu creșterea cererii de sănătate la domiciliu, monitorizarea stării de sănătate a oamenilor prin intermediul electrocasnicelor va deveni o direcție importantă pentru dezvoltarea caselor inteligente.
Monitorizarea mediului și prevenirea și controlul poluării
Monitorizarea mediului este unul dintre domeniile în care senzorii de gaz sunt aplicați pe scară largă. Pe măsură ce accentul global pus pe protecția mediului continuă să crească, cererea de monitorizare a diverșilor poluanți din atmosferă crește și ea zi de zi. Senzorii de gaz pot detecta gaze nocive precum monoxidul de carbon, dioxidul de sulf și ozonul, oferind un instrument eficient pentru monitorizarea calității aerului din mediu.
Senzorul electrochimic de gaz UGT-E4 al companiei British Gas Shield este un produs reprezentativ în domeniul monitorizării mediului. Acesta poate măsura cu precizie conținutul de poluanți din atmosferă și poate oferi suport de date prompt și precis departamentelor de protecție a mediului. Acest senzor, prin integrarea cu tehnologia informației moderne, a atins funcții precum monitorizarea de la distanță, încărcarea datelor și alarma inteligentă, sporind semnificativ eficiența și confortul detectării gazelor. Utilizatorii pot urmări modificările concentrației de gaz oricând și oriunde, pur și simplu prin intermediul telefoanelor mobile sau computerelor, oferind o bază științifică pentru managementul de mediu și elaborarea politicilor.
În ceea ce privește monitorizarea calității aerului din interior, senzorii de gaz joacă, de asemenea, un rol important. Standardul EN 45544 emis de Comitetul European de Standardizare (EN) este specific pentru testarea calității aerului din interior și acoperă cerințele de testare pentru diverse gaze nocive 610. Senzorii comuni de dioxid de carbon, senzorii de formaldehidă etc. de pe piață sunt utilizați pe scară largă în locuințe civile, clădiri comerciale și locuri de divertisment publice, ajutând oamenii să creeze un mediu interior mai sănătos și mai confortabil. În special în timpul pandemiei de COVID-19, ventilația interioară și calitatea aerului au primit o atenție fără precedent, promovând în continuare dezvoltarea și aplicarea tehnologiilor de senzori aferente.
Monitorizarea emisiilor de carbon este o direcție emergentă de aplicare a senzorilor de gaze. Pe fondul neutralității globale a carbonului, monitorizarea precisă a gazelor cu efect de seră, cum ar fi dioxidul de carbon, a devenit deosebit de importantă. Senzorii cu infraroșu de dioxid de carbon au avantaje unice în acest domeniu datorită preciziei lor ridicate, selectivității bune și duratei lungi de viață. „Liniile directoare pentru construirea de platforme inteligente de control al riscurilor de siguranță în parcurile industriale chimice” din China au inclus monitorizarea gazelor combustibile/toxice și analiza trasării surselor de scurgeri ca fiind conținuturi obligatorii în construcție, ceea ce reflectă accentul pus la nivel de politică pe rolul monitorizării gazelor în domeniul protecției mediului.
Casă inteligentă și siguranță alimentară
Casa inteligentă este cea mai promițătoare piață de aplicații pentru senzorii de gaz. În prezent, senzorii de gaz sunt aplicați în principal în electrocasnice, cum ar fi purificatoarele de aer și aparatele de aer condiționat. Cu toate acestea, odată cu introducerea rețelelor de senzori și a algoritmilor inteligenți, potențialul lor de aplicare în scenarii precum conservarea, gătitul și monitorizarea sănătății este exploatat treptat.
În ceea ce privește conservarea alimentelor, senzorii de gaz pot monitoriza mirosurile neplăcute eliberate de alimente în timpul depozitării pentru a determina prospețimea acestora. Rezultatele cercetărilor recente arată că, indiferent dacă se utilizează un singur senzor pentru a monitoriza concentrația mirosului sau se adoptă o matrice de senzori de gaz combinată cu metode de recunoaștere a modelelor pentru a determina prospețimea alimentelor, s-au obținut rezultate bune. Cu toate acestea, din cauza complexității scenariilor reale de utilizare a frigiderului (cum ar fi interferențele cauzate de utilizatori la deschiderea și închiderea ușilor, pornirea și oprirea compresoarelor și circulația internă a aerului etc.), precum și a influenței reciproce a diferitelor gaze volatile din ingredientele alimentare, există încă loc de îmbunătățiri în ceea ce privește precizia determinării prospețimii alimentelor.
Aplicațiile de gătit reprezintă un alt scenariu important pentru senzorii de gaz. În timpul procesului de gătit se produc sute de compuși gazoși, inclusiv particule în suspensie, alcani, compuși aromatici, aldehide, cetone, alcooli, alchene și alți compuși organici volatili. Într-un mediu atât de complex, rețelele de senzori de gaz prezintă avantaje mai evidente decât senzorii individuali. Studiile arată că rețelele de senzori de gaz pot fi utilizate pentru a determina starea de gătire a alimentelor pe baza gustului personal sau ca instrument auxiliar de monitorizare a dietei pentru a raporta în mod regulat utilizatorilor obiceiurile de gătit. Cu toate acestea, factorii din mediul de gătit, cum ar fi temperatura ridicată, fumul de gătit și vaporii de apă, pot provoca cu ușurință „otrăvirea” senzorului, ceea ce reprezintă o problemă tehnică ce trebuie rezolvată.
În domeniul siguranței alimentare, cercetările echipei lui Wang Di au demonstrat valoarea potențială de aplicare a senzorilor de gaz. Aceștia își propun „identificarea simultană a zeci de gaze cu un mic adaptor de telefon mobil” și se angajează să facă informațiile privind siguranța alimentară ușor accesibile. Acest dispozitiv olfactiv cu matrice extrem de integrată poate detecta componentele volatile din alimente, poate determina prospețimea și siguranța alimentelor și poate oferi referințe în timp real consumatorilor.
Tabel: Principalele obiecte de detectare și caracteristicile tehnice ale senzorilor de gaz în diverse domenii de aplicare
Domenii de aplicare, principalele obiecte de detectare, tipuri de senzori utilizați în mod obișnuit, provocări tehnice, tendințe de dezvoltare
Siguranță industrială gaz combustibil, gaz toxic tip combustie catalitică, tip electrochimic, toleranță la medii dure monitorizare sincronă multi-gaz, urmărire sursă scurgeri
Acetonă medicală și de sănătate, CO₂, tip semiconductor COV, selectivitate și sensibilitate de tip colorimetric, diagnosticare portabilă și inteligentă
Implementarea unei rețele de stabilitate pe termen lung și transmiterea datelor în timp real pentru monitorizarea mediului înconjurător a poluanților atmosferici și a gazelor cu efect de seră în forme infraroșii și electrochimice
Gaz volatil alimentar inteligent pentru casă, tip semiconductor pentru fum de gătit, capacitate anti-interferențe PID
Vă rugăm să contactați Honde Technology Co., LTD.
Email: info@hondetech.com
Site-ul web al companiei:www.hondetechco.com
Tel: +86-15210548582
Data publicării: 11 iunie 2025