Līdz ar tādu tehnoloģiju kā lietu interneta un mākslīgā intelekta straujo attīstību gāzes sensori, kas ir svarīga uztveršanas ierīce, kas pazīstama kā “pieci elektriskie maņi”, izmanto vēl nebijušas attīstības iespējas. Sākot ar sākotnējo rūpniecisko toksisko un kaitīgo gāzu monitoringu un beidzot ar plašu pielietojumu medicīniskajā diagnostikā, viedajās mājās, vides monitoringā un citās mūsdienu jomās, gāzes sensoru tehnoloģija piedzīvo dziļu transformāciju no vienas funkcijas uz intelektu, miniaturizāciju un daudzdimensionalitāti. Šajā rakstā tiks vispusīgi analizētas gāzes sensoru tehniskās īpašības, jaunākie pētījumu sasniegumi un globālais pielietojuma statuss, īpašu uzmanību pievēršot attīstības tendencēm gāzes monitoringa jomā tādās valstīs kā Ķīna un Amerikas Savienotās Valstis.
Gāzes sensoru tehniskās īpašības un attīstības tendences
Kā pārveidotājs, kas pārveido noteiktas gāzes tilpuma daļu atbilstošā elektriskajā signālā, gāzes sensors ir kļuvis par neaizstājamu un svarīgu mūsdienu sensoru tehnoloģijas sastāvdaļu. Šāda veida iekārtas apstrādā gāzes paraugus, izmantojot detektoru galviņas, parasti ietverot tādus soļus kā piemaisījumu un traucējošo gāzu filtrēšana, žāvēšana vai apstrāde ar saldēšanu un galu galā gāzes koncentrācijas informācijas pārveidošana izmērāmos elektriskos signālos. Pašlaik tirgū ir pieejami dažādi gāzes sensoru veidi, tostarp pusvadītāju tipa, elektroķīmiskā tipa, katalītiskās sadegšanas tipa, infrasarkano gāzes sensori un fotojonizācijas (PID) gāzes sensori utt. Katram no tiem ir savas īpašības, un tos plaši izmanto civilās, rūpnieciskās un vides testēšanas jomās.
Stabilitāte un jutība ir divi galvenie rādītāji gāzes sensoru veiktspējas novērtēšanai. Stabilitāte attiecas uz sensora pamata reakcijas noturību visā tā darba laikā, kas ir atkarīga no nulles nobīdes un intervāla nobīdes. Ideālā gadījumā augstas kvalitātes sensoriem nepārtrauktas darbības apstākļos gada nulles nobīdei jābūt mazākai par 10%. Jutība attiecas uz sensora izejas izmaiņu attiecību pret izmērītās ieejas izmaiņām. Dažādu veidu sensoru jutība ievērojami atšķiras, galvenokārt atkarībā no to izmantotajiem tehniskajiem principiem un materiālu izvēles. Turklāt selektivitāte (t. i., šķērsjutība) un izturība pret koroziju ir arī svarīgi parametri gāzes sensoru veiktspējas novērtēšanai. Pirmais nosaka sensora atpazīšanas spēju jauktas gāzes vidē, bet otrais ir saistīts ar sensora toleranci augstas koncentrācijas mērķa gāzēs.
Pašreizējā gāzes sensoru tehnoloģijas attīstība uzrāda vairākas acīmredzamas tendences. Pirmkārt, jaunu materiālu un jaunu procesu izpēte un izstrāde turpina padziļināties. Tradicionālie metālu oksīdu pusvadītāju materiāli, piemēram, ZnO, SiO₂, Fe₂O₃ utt., ir kļuvuši nobrieduši. Pētnieki dopē, modificē un modificē esošos gāzes jutīgos materiālus, izmantojot ķīmiskās modifikācijas metodes, un vienlaikus uzlabo plēves veidošanas procesu, lai uzlabotu sensoru stabilitāti un selektivitāti. Tikmēr aktīvi tiek attīstīti arī jauni materiāli, piemēram, kompozītmateriālu un hibrīdo pusvadītāju gāzes jutīgie materiāli un polimēru gāzes jutīgie materiāli. Šiem materiāliem ir augstāka jutība, selektivitāte un stabilitāte pret dažādām gāzēm.
Sensoru intelekts ir vēl viens svarīgs attīstības virziens. Veiksmīgi pielietojot jaunas materiālu tehnoloģijas, piemēram, nanotehnoloģijas un plānplēves tehnoloģijas, gāzes sensori kļūst integrētāki un inteliģentāki. Pilnībā izmantojot daudznozaru integrētās tehnoloģijas, piemēram, mikromehāniskās un mikroelektronikas tehnoloģijas, datortehnoloģijas, signālu apstrādes tehnoloģijas, sensoru tehnoloģijas un defektu diagnostikas tehnoloģijas, pētnieki izstrādā pilnībā automātiskus digitālus intelektuālus gāzes sensorus, kas spēj vienlaikus uzraudzīt vairākas gāzes. Ķīmiskās pretestības potenciāla tipa daudzmainīgo sensors, ko nesen izstrādāja asociētā profesora Ji Dzjaņsjiņa pētniecības grupa no Ķīnas Zinātnes un tehnoloģiju universitātes Valsts ugunsdrošības zinātnes laboratorijas, ir tipisks šīs tendences pārstāvis. Šis sensors realizē vairāku gāzu un ugunsgrēka raksturlielumu trīsdimensiju noteikšanu un precīzu identifikāciju ar vienu ierīci 59.
Arvien lielāka uzmanība tiek pievērsta arī masīvu veidošanai un algoritmu optimizācijai. Viena gāzes sensora plašā spektra reakcijas problēmas dēļ tas ir pakļauts traucējumiem, ja vienlaikus pastāv vairākas gāzes. Vairāku gāzes sensoru izmantošana masīva veidošanā ir kļuvusi par efektīvu risinājumu atpazīšanas spēju uzlabošanai. Palielinot detektētās gāzes izmērus, sensoru masīvs var iegūt vairāk signālu, kas veicina vairāku parametru novērtēšanu un uzlabo sprieduma un atpazīšanas spējas. Tomēr, palielinoties sensoru skaitam masīvā, pieaug arī datu apstrādes sarežģītība. Tāpēc sensoru masīva optimizācija ir īpaši svarīga. Masīva optimizācijā plaši tiek izmantotas tādas metodes kā korelācijas koeficienta un klasteru analīze, savukārt tādi gāzes atpazīšanas algoritmi kā galveno komponentu analīze (PCA) un mākslīgais neironu tīkls (ANN) ir ievērojami uzlabojuši sensoru modeļu atpazīšanas spējas.
Tabula: Galveno gāzes sensoru veidu veiktspējas salīdzinājums
Sensora tips, darbības princips, priekšrocības un trūkumi, tipiskais kalpošanas laiks
Pusvadītāju tipa gāzes adsorbcijai ir zemas izmaksas pusvadītāju pretestības mainīšanā, ātra reakcija, slikta selektivitāte, un to 2–3 gadus lielā mērā ietekmē temperatūra un mitrums.
Elektroķīmiskā gāze pakļaujas REDOX reakcijām, lai ģenerētu strāvu, kurai ir laba selektivitāte un augsta jutība. Tomēr elektrolītam ir ierobežots nodilums un tā kalpošanas laiks ir 1–2 gadi (šķidrajam elektrolītam).
Katalītiskās sadegšanas tipa deggāzes sadegšana izraisa temperatūras izmaiņas. Tā ir īpaši izstrādāta deggāzes noteikšanai un ir piemērojama tikai deggāzei aptuveni trīs gadus.
Infrasarkanajām gāzēm ir augsta precizitāte noteikta viļņu garuma infrasarkanās gaismas absorbēšanā, tās neizraisa saindēšanos, taču tām ir augsta cena un salīdzinoši liels apjoms 5 līdz 10 gadus.
Fotojonizācijas (PID) ultravioletā fotojonizācija GOS gāzes molekulu noteikšanai ir augsta jutība un nespēj atšķirt savienojumu veidus 3 līdz 5 gadus.
Jāatzīmē, ka, lai gan gāzes sensoru tehnoloģija ir ievērojami progresējusi, tā joprojām saskaras ar dažām kopīgām problēmām. Sensoru kalpošanas laiks ierobežo to pielietojumu noteiktās jomās. Piemēram, pusvadītāju sensoru kalpošanas laiks ir aptuveni 2 līdz 3 gadi, elektroķīmisko gāzes sensoru kalpošanas laiks ir aptuveni 1 līdz 2 gadi elektrolīta zuduma dēļ, savukārt cietvielu elektrolītu elektroķīmisko sensoru kalpošanas laiks var sasniegt 5 gadus. Turklāt dreifa problēmas (sensoru reakcijas izmaiņas laika gaitā) un konsekvences problēmas (veiktspējas atšķirības starp vienas partijas sensoriem) ir arī svarīgi faktori, kas ierobežo gāzes sensoru plašu pielietojumu. Reaģējot uz šīm problēmām, pētnieki, no vienas puses, ir apņēmušies uzlabot pret gāzi jutīgus materiālus un ražošanas procesus, un, no otras puses, viņi kompensē vai nomāc sensoru dreifa ietekmi uz mērījumu rezultātiem, izstrādājot uzlabotus datu apstrādes algoritmus.
Gāzes sensoru daudzveidīgie pielietojuma scenāriji
Gāzes sensoru tehnoloģija ir iekļuvusi visos sociālās dzīves aspektos. Tās pielietojuma scenāriji jau sen ir pārsnieguši tradicionālās rūpnieciskās drošības uzraudzības tvērumu un strauji paplašinās vairākās jomās, piemēram, medicīniskajā veselībā, vides monitoringā, viedās mājās un pārtikas drošībā. Šī daudzveidīgo pielietojumu tendence ne tikai atspoguļo tehnoloģiskā progresa radītās iespējas, bet arī iemieso pieaugošo sociālo pieprasījumu pēc gāzes noteikšanas.
Rūpnieciskā drošība un bīstamo gāzu monitorings
Rūpnieciskās drošības jomā gāzes sensoriem ir neaizstājama loma, īpaši augsta riska nozarēs, piemēram, ķīmijas inženierijā, naftas ieguvē un kalnrūpniecībā. Ķīnas "14. piecu gadu plāns bīstamo ķīmisko vielu drošai ražošanai" nepārprotami pieprasa, lai ķīmiskās rūpniecības parki izveidotu visaptverošu toksisku un kaitīgu gāzu uzraudzības un agrīnās brīdināšanas sistēmu un veicinātu intelektuālu riska kontroles platformu izveidi. "Rūpnieciskais internets plus darba drošības rīcības plāns" arī mudina parkus izvietot lietu interneta sensorus un mākslīgā intelekta analīzes platformas, lai panāktu reāllaika uzraudzību un koordinētu reaģēšanu uz tādiem riskiem kā gāzes noplūde. Šīs politikas ievirzes ir ievērojami veicinājušas gāzes sensoru izmantošanu rūpnieciskās drošības jomā.
Mūsdienu rūpniecisko gāzu monitoringa sistēmas ir izstrādājušas dažādus tehniskus risinājumus. Gāzes mākoņa attēlveidošanas tehnoloģija vizualizē gāzes noplūdi, vizuāli attēlojot gāzes masas kā pikseļu pelēktoņu izmaiņas attēlā. Tās noteikšanas spēja ir saistīta ar tādiem faktoriem kā noplūdušās gāzes koncentrācija un tilpums, fona temperatūras starpība un monitoringa attālums. Furjē transformācijas infrasarkanās spektroskopijas tehnoloģija var kvalitatīvi un daļēji kvantitatīvi uzraudzīt vairāk nekā 500 gāzu veidus, tostarp neorganiskas, organiskas, toksiskas un kaitīgas gāzes, un vienlaikus skenēt 30 gāzu veidus. Tā ir piemērota sarežģītām gāzu monitoringa prasībām ķīmiskās rūpniecības parkos. Šīs progresīvās tehnoloģijas, apvienojumā ar tradicionālajiem gāzes sensoriem, veido daudzlīmeņu rūpniecisko gāzu drošības monitoringa tīklu.
Konkrētajā ieviešanas līmenī rūpniecisko gāzu monitoringa sistēmām ir jāatbilst virknei nacionālo un starptautisko standartu. Ķīnas “Uzliesmojošu un toksisku gāzu noteikšanas un trauksmes signalizācijas projektēšanas standarts naftas ķīmijas rūpniecībā” GB 50493-2019 un “Vispārīgā tehniskā specifikācija bīstamo ķīmisko vielu galveno bīstamības avotu drošības monitoringam” AQ 3035-2010 sniedz tehniskās specifikācijas rūpniecisko gāzu monitoringam 26. Starptautiskā līmenī OSHA (Amerikas Savienoto Valstu Darba drošības un veselības aizsardzības administrācija) ir izstrādājusi virkni gāzu noteikšanas standartu, kas pieprasa gāzes noteikšanu pirms darbībām slēgtās telpās un nodrošina, ka kaitīgo gāzu koncentrācija gaisā ir zem drošā līmeņa 610. NFPA (Amerikas Savienoto Valstu Nacionālās ugunsdrošības asociācijas) standarti, piemēram, NFPA 72 un NFPA 54, izvirza īpašas prasības uzliesmojošu un toksisku gāzu noteikšanai 610.
Medicīniskā veselība un slimību diagnostika
Medicīnas un veselības aprūpes joma kļūst par vienu no daudzsološākajiem gāzes sensoru pielietojuma tirgiem. Cilvēka ķermeņa izelpotā gāze satur lielu skaitu biomarķieru, kas saistīti ar veselības stāvokli. Atklājot šos biomarķierus, var panākt slimību agrīnu skrīningu un nepārtrauktu uzraudzību. Rokas elpošanas acetona noteikšanas ierīce, ko izstrādājusi Dr. Van Di komanda no Džedzjanas laboratorijas Superuztveres pētniecības centra, ir tipisks šī pielietojuma piemērs. Šī ierīce izmanto kolorimetrisko tehnoloģiju, lai mērītu acetona saturu cilvēka izelpotajā gaisā, nosakot gāzei jutīgu materiālu krāsas izmaiņas, tādējādi panākot ātru un nesāpīgu 1. tipa diabēta noteikšanu.
Kad insulīna līmenis cilvēka organismā ir zems, tas nespēj pārvērst glikozi enerģijā un tā vietā sadalīt taukus. Kā viens no blakusproduktiem pēc tauku sadalīšanās, acetons, tiek izvadīts no organisma caur elpošanu. Dr. Van Di paskaidroja 1. Salīdzinot ar tradicionālajām asins analīzēm, šī elpas testa metode piedāvā labāku diagnostikas un terapeitisko pieredzi. Turklāt komanda izstrādā "ikdienas atbrīvošanas" plākstera acetona sensoru. Šī lētā valkājamā ierīce var automātiski mērīt no ādas izdalīto acetona gāzi visu diennakti. Nākotnē, apvienojumā ar mākslīgā intelekta tehnoloģiju, tā var palīdzēt diagnosticēt, uzraudzīt un noteikt medikamentus diabēta gadījumā.
Papildus diabēta ārstēšanai gāzes sensoriem ir arī liels potenciāls hronisku slimību pārvaldībā un elpceļu slimību uzraudzībā. Oglekļa dioksīda koncentrācijas līkne ir svarīgs pamats pacientu plaušu ventilācijas stāvokļa novērtēšanai, savukārt noteiktu gāzu marķieru koncentrācijas līknes atspoguļo hronisku slimību attīstības tendences. Tradicionāli šo datu interpretācijai bija nepieciešama medicīnas personāla līdzdalība. Tomēr, pateicoties mākslīgā intelekta tehnoloģiju attīstībai, viedie gāzes sensori var ne tikai noteikt gāzes un zīmēt līknes, bet arī noteikt slimības attīstības pakāpi, ievērojami samazinot medicīnas personāla slodzi.
Veselības valkājamo ierīču jomā gāzes sensoru pielietojums joprojām ir agrīnā stadijā, taču perspektīvas ir plašas. Pētnieki no Zhuhai Gree Electric Appliances norādīja, ka, lai gan sadzīves tehnika atšķiras no medicīnas ierīcēm ar slimību diagnostikas funkcijām, ikdienas mājas veselības uzraudzības jomā gāzes sensoru masīviem ir tādas priekšrocības kā zemas izmaksas, neinvazivitāte un miniaturizācija, tāpēc sagaidāms, ka tie arvien vairāk parādīsies sadzīves tehnikā, piemēram, mutes dobuma higiēnas ierīcēs un viedajās tualetēs, kā papildu uzraudzības un reāllaika uzraudzības risinājumi. Pieaugot pieprasījumam pēc mājas veselības, cilvēku veselības stāvokļa uzraudzība, izmantojot sadzīves tehnikas ierīces, kļūs par svarīgu virzienu viedās mājas attīstībā.
Vides monitorings un piesārņojuma novēršana un kontrole
Vides monitorings ir viena no jomām, kurā visplašāk tiek izmantoti gāzes sensori. Tā kā globālais uzsvars uz vides aizsardzību turpina pieaugt, pieaug arī pieprasījums pēc dažādu atmosfēras piesārņotāju monitoringa. Gāzes sensori var noteikt tādas kaitīgas gāzes kā oglekļa monoksīds, sēra dioksīds un ozons, nodrošinot efektīvu instrumentu vides gaisa kvalitātes monitoringam.
Britu Gas Shield Company UGT-E4 elektroķīmiskais gāzes sensors ir reprezentatīvs produkts vides monitoringa jomā. Tas var precīzi izmērīt piesārņotāju saturu atmosfērā un sniegt savlaicīgu un precīzu datu atbalstu vides aizsardzības departamentiem. Šis sensors, pateicoties integrācijai ar modernām informācijas tehnoloģijām, ir sasniedzis tādas funkcijas kā attālināta uzraudzība, datu augšupielāde un viedā trauksme, ievērojami uzlabojot gāzes noteikšanas efektivitāti un ērtības. Lietotāji var sekot līdzi gāzes koncentrācijas izmaiņām jebkurā laikā un vietā, vienkārši izmantojot savus mobilos tālruņus vai datorus, nodrošinot zinātnisku pamatu vides pārvaldībai un politikas veidošanai.
Iekštelpu gaisa kvalitātes monitoringa ziņā svarīga loma ir arī gāzes sensoriem. Eiropas Standartizācijas komitejas (EN) izdotais standarts EN 45544 ir īpaši paredzēts iekštelpu gaisa kvalitātes testēšanai un aptver dažādu kaitīgu gāzu 610 testēšanas prasības. Tirgū pieejamie izplatītākie oglekļa dioksīda sensori, formaldehīda sensori utt. tiek plaši izmantoti civilās dzīvojamās ēkās, komerciālās ēkās un sabiedriskās izklaides vietās, palīdzot cilvēkiem radīt veselīgāku un ērtāku iekštelpu vidi. Īpaši COVID-19 pandēmijas laikā iekštelpu ventilācijai un gaisa kvalitātei ir pievērsta nepieredzēta uzmanība, vēl vairāk veicinot saistītu sensoru tehnoloģiju izstrādi un pielietošanu.
Oglekļa emisiju monitorings ir jauns gāzes sensoru pielietojuma virziens. Globālās oglekļa neitralitātes kontekstā precīza siltumnīcefekta gāzu, piemēram, oglekļa dioksīda, monitoringa ir kļuvusi īpaši svarīga. Infrasarkanajiem oglekļa dioksīda sensoriem šajā jomā ir unikālas priekšrocības, pateicoties to augstajai precizitātei, labai selektivitātei un ilgam kalpošanas laikam. Ķīnas "Vadlīnijās viedu drošības riska kontroles platformu būvniecībai ķīmiskās rūpniecības parkos" degošu/toksisku gāzu monitorings un noplūdes avotu izsekošanas analīze ir noteikta kā obligāts būvniecības saturs, kas atspoguļo politikas līmeņa uzsvaru uz gāzes monitoringa lomu vides aizsardzības jomā.
Viedā māja un pārtikas drošība
Viedās mājas ir visdaudzsološākais patērētāju pielietojumu tirgus gāzes sensoriem. Pašlaik gāzes sensorus galvenokārt izmanto sadzīves tehnikā, piemēram, gaisa attīrītājos un svaiga gaisa kondicionieros. Tomēr, ieviešot sensoru masīvus un viedos algoritmus, pakāpeniski tiek izmantots to pielietojuma potenciāls tādās jomās kā konservēšana, ēdiena gatavošana un veselības uzraudzība.
Pārtikas uzglabāšanas ziņā gāzes sensori var uzraudzīt nepatīkamās smakas, ko pārtikas produkti izdala uzglabāšanas laikā, lai noteiktu pārtikas svaigumu. Jaunākie pētījumu rezultāti liecina, ka ir sasniegti labi rezultāti neatkarīgi no tā, vai smaku koncentrācijas uzraudzībai tiek izmantots viens sensors vai pārtikas svaiguma noteikšanai tiek izmantota gāzes sensoru masīva kombinācija apvienojumā ar modeļu atpazīšanas metodēm. Tomēr, ņemot vērā faktisko ledusskapju lietošanas scenāriju sarežģītību (piemēram, lietotāju radītie traucējumi durvju atvēršanā un aizvēršanā, kompresoru ieslēgšanā un apturēšanā, iekšējā gaisa cirkulācijā utt.), kā arī dažādu pārtikas sastāvdaļu gaistošo gāzu savstarpējo ietekmi, pārtikas svaiguma noteikšanas precizitātē joprojām ir iespējams uzlabojums.
Vēl viens svarīgs scenārijs gāzes sensoriem ir ēdiena gatavošana. Gatavošanas procesā rodas simtiem gāzveida savienojumu, tostarp daļiņas, alkāni, aromātiskie savienojumi, aldehīdi, ketoni, spirti, alkēni un citi gaistošie organiskie savienojumi. Šādā sarežģītā vidē gāzes sensoru blokiem ir acīmredzamākas priekšrocības nekā atsevišķiem sensoriem. Pētījumi liecina, ka gāzes sensoru blokus var izmantot, lai noteiktu pārtikas gatavošanas statusu, pamatojoties uz personīgo gaumi, vai kā papildu uztura uzraudzības rīku, lai regulāri ziņotu lietotājiem par gatavošanas paradumiem. Tomēr tādi gatavošanas vides faktori kā augsta temperatūra, gatavošanas dūmi un ūdens tvaiki var viegli izraisīt sensora "saindēšanos", kas ir tehniska problēma, kas jāatrisina.
Pārtikas nekaitīguma jomā Van Di komandas pētījumi ir parādījuši gāzes sensoru potenciālo pielietojumu. Viņu mērķis ir "vienlaikus identificēt desmitiem gāzu, izmantojot nelielu mobilā tālruņa spraudni", un viņi ir apņēmušies padarīt pārtikas nekaitīguma informāciju viegli pieejamu. Šī ļoti integrētā ožas atpazīšanas ierīce var noteikt gaistošos komponentus pārtikā, noteikt pārtikas svaigumu un drošību, kā arī sniegt patērētājiem reāllaika atsauces datus.
Tabula: Galvenie noteikšanas objekti un gāzes sensoru tehniskās īpašības dažādās pielietojuma jomās
Pielietojuma jomas, galvenie noteikšanas objekti, bieži izmantotie sensoru veidi, tehniskās problēmas, attīstības tendences
Rūpnieciskā drošība: degoša gāze, toksiska gāze, katalītiskās sadegšanas veids, elektroķīmiskais veids, skarbas vides tolerance, vairāku gāzu sinhronā uzraudzība, noplūdes avota izsekošana
Medicīniskā un veselības acetona, CO₂, pusvadītāju tipa GOS, kolorimetriskā tipa selektivitāte un jutība, valkājama un vieda diagnostika
Ilgtermiņa stabilitātes tīkla izvietošana un reāllaika datu pārraide gaisa piesārņotāju un siltumnīcefekta gāzu vides monitoringam infrasarkanā un elektroķīmiskā formā
Viedās mājas pārtikas gaistošās gāzes, pusvadītāju tipa dūmi ēdiena gatavošanai, PID traucējumu novēršanas iespējas
Lūdzu, sazinieties ar Honde Technology Co., LTD.
Email: info@hondetech.com
Uzņēmuma tīmekļa vietne:www.hondetechco.com
Tālrunis: +86-15210548582
Publicēšanas laiks: 2025. gada 11. jūnijs