Co rápido desenvolvemento de tecnoloxías como a Internet das Cousas e a intelixencia artificial, os sensores de gas, un importante dispositivo de detección coñecido como os "cinco sentidos eléctricos", están a abrazar oportunidades de desenvolvemento sen precedentes. Desde a monitorización inicial de gases tóxicos e nocivos industriais ata a súa ampla aplicación no diagnóstico médico, a casa intelixente, a monitorización ambiental e outros campos na actualidade, a tecnoloxía dos sensores de gas está a experimentar unha profunda transformación, pasando dunha única función á intelixencia, a miniaturización e a multidimensionalidade. Este artigo analizará exhaustivamente as características técnicas, os últimos avances na investigación e o estado da aplicación global dos sensores de gas, con especial atención ás tendencias de desenvolvemento no campo da monitorización de gases en países como China e os Estados Unidos.
Características técnicas e tendencias de desenvolvemento dos sensores de gas
Como conversor que converte a fracción volumétrica dun gas específico no sinal eléctrico correspondente, o sensor de gas converteuse nun compoñente indispensable e importante na tecnoloxía de detección moderna. Este tipo de equipo procesa mostras de gas a través de cabezales de detección, incluíndo normalmente pasos como filtrar impurezas e gases interferentes, secar ou tratar con refrixeración e, en última instancia, converter a información sobre a concentración de gas en sinais eléctricos medibles. Na actualidade, existen varios tipos de sensores de gas no mercado, incluíndo sensores de tipo semicondutor, tipo electroquímico, tipo de combustión catalítica, sensores de gas infravermellos e sensores de gas de fotoionización (PID), etc. Cada un deles ten as súas propias características e utilízase amplamente en campos de probas civís, industriais e ambientais.
A estabilidade e a sensibilidade son os dous indicadores principais para avaliar o rendemento dos sensores de gas. A estabilidade refírese á persistencia da resposta básica dun sensor durante todo o seu tempo de funcionamento, que depende da deriva do cero e da deriva do intervalo. Idealmente, para sensores de alta calidade en condicións de traballo continuo, a deriva do cero anual debería ser inferior ao 10 %. A sensibilidade refírese á relación entre o cambio na saída do sensor e o cambio na entrada medida. A sensibilidade dos diferentes tipos de sensores varía significativamente, dependendo principalmente dos principios técnicos e da selección de materiais que adoptan. Ademais, a selectividade (é dicir, a sensibilidade cruzada) e a resistencia á corrosión tamén son parámetros importantes para avaliar o rendemento dos sensores de gas. A primeira determina a capacidade de recoñecemento do sensor nun ambiente de gases mixtos, mentres que a segunda está relacionada coa tolerancia do sensor en gases obxectivo de alta concentración.
O desenvolvemento actual da tecnoloxía de sensores de gas presenta varias tendencias evidentes. En primeiro lugar, a investigación e o desenvolvemento de novos materiais e novos procesos continuou a profundizarse. Os materiais semicondutores de óxido metálico tradicionais, como ZnO, SiO₂, Fe₂O₃, etc., maduraron. Os investigadores están a dopar, modificar e modificar superficialmente os materiais sensibles aos gases existentes mediante métodos de modificación química e, ao mesmo tempo, a mellorar o proceso de formación de películas para mellorar a estabilidade e a selectividade dos sensores. Mentres tanto, tamén se está a avanzar activamente no desenvolvemento de novos materiais, como materiais semicondutores compostos e híbridos sensibles aos gases e materiais poliméricos sensibles aos gases. Estes materiais presentan unha maior sensibilidade, selectividade e estabilidade a diferentes gases.
A intelixencia dos sensores é outra importante dirección de desenvolvemento. Coa aplicación exitosa de novas tecnoloxías de materiais como a nanotecnoloxía e a tecnoloxía de película fina, os sensores de gas están a volverse máis integrados e intelixentes. Ao aproveitar plenamente as tecnoloxías integradas multidisciplinares como a tecnoloxía micromecánica e microelectrónica, a tecnoloxía informática, a tecnoloxía de procesamento de sinais, a tecnoloxía de sensores e a tecnoloxía de diagnóstico de fallos, os investigadores están a desenvolver sensores de gas intelixentes dixitais totalmente automáticos capaces de monitorizar simultaneamente varios gases. Un sensor multivariable de tipo potencial de resistencia química desenvolvido recentemente polo grupo de investigación do profesor asociado Yi Jianxin do Laboratorio Estatal Clave de Ciencia do Lume da Universidade de Ciencia e Tecnoloxía de China é un representante típico desta tendencia. Este sensor realiza a detección tridimensional e a identificación precisa de múltiples gases e características do lume mediante un único dispositivo 59.
A organización en matrices e a optimización de algoritmos tamén están a recibir unha atención crecente. Debido ao problema da resposta de amplo espectro dun único sensor de gas, é propenso a interferencias cando existen varios gases simultaneamente. O uso de varios sensores de gas para formar unha matriz converteuse nunha solución eficaz para mellorar a capacidade de recoñecemento. Ao aumentar as dimensións do gas detectado, a matriz de sensores pode obter máis sinais, o que favorece a avaliación de máis parámetros e a mellora da capacidade de xuízo e recoñecemento. Non obstante, a medida que aumenta o número de sensores na matriz, tamén aumenta a complexidade do procesamento de datos. Polo tanto, a optimización da matriz de sensores é particularmente importante. Na optimización de matrices, adóptanse amplamente métodos como o coeficiente de correlación e a análise de clústeres, mentres que os algoritmos de recoñecemento de gases como a análise de compoñentes principais (PCA) e a rede neuronal artificial (ANN) melloraron enormemente a capacidade de recoñecemento de patróns dos sensores.
Táboa: Comparación do rendemento dos principais tipos de sensores de gas
Tipo de sensor, principio de funcionamento, vantaxes e desvantaxes, vida útil típica
A adsorción de gas de tipo semicondutor ten un baixo custo para cambiar a resistencia dos semicondutores, unha resposta rápida, unha baixa selectividade e vese moi afectada pola temperatura e a humidade durante 2-3 anos.
O gas electroquímico sofre reaccións REDOX para xerar corrente, que ten boa selectividade e alta sensibilidade. Non obstante, o electrolito ten un desgaste limitado e unha vida útil de 1 a 2 anos (para o electrolito líquido).
A combustión de gases combustibles de tipo catalítico provoca cambios de temperatura. Está deseñada especificamente para a detección de gases combustibles e só é aplicable a gases combustibles durante aproximadamente tres anos.
Os gases infravermellos teñen unha alta precisión na absorción de luz infravermella de lonxitudes de onda específicas, non causan intoxicación, pero teñen un custo elevado e un volume relativamente grande durante 5 a 10 anos.
A fotoionización ultravioleta por fotoionización (PID) para a detección de moléculas de gas de COV ten unha alta sensibilidade e non pode distinguir os tipos de compostos durante 3 a 5 anos.
Cómpre sinalar que, aínda que a tecnoloxía dos sensores de gas fixo progresos considerables, aínda se enfronta a algúns desafíos comúns. A vida útil dos sensores restrinxe a súa aplicación en certos campos. Por exemplo, a vida útil dos sensores semicondutores é de aproximadamente 2 a 3 anos, a dos sensores de gas electroquímicos é de aproximadamente 1 a 2 anos debido á perda de electrólitos, mentres que a dos sensores electroquímicos de electrólitos de estado sólido pode chegar aos 5 anos. Ademais, os problemas de deriva (cambios na resposta do sensor ao longo do tempo) e os problemas de consistencia (diferenzas de rendemento entre sensores do mesmo lote) tamén son factores importantes que restrinxen a ampla aplicación dos sensores de gas. En resposta a estes problemas, os investigadores, por unha banda, están comprometidos coa mellora dos materiais sensibles aos gases e os procesos de fabricación e, por outra banda, están a compensar ou suprimir a influencia da deriva do sensor nos resultados das medicións mediante o desenvolvemento de algoritmos avanzados de procesamento de datos.
Os escenarios de aplicación diversificados dos sensores de gas
A tecnoloxía dos sensores de gas impregnou todos os aspectos da vida social. Os seus escenarios de aplicación transcenderon hai tempo o ámbito tradicional da vixilancia da seguridade industrial e están a expandirse rapidamente a múltiples campos como a saúde médica, a vixilancia ambiental, as casas intelixentes e a seguridade alimentaria. Esta tendencia de aplicacións diversificadas non só reflicte as posibilidades que ofrece o progreso tecnolóxico, senón que tamén representa a crecente demanda social de detección de gases.
Seguridade industrial e monitorización de gases perigosos
No campo da seguridade industrial, os sensores de gas desempeñan un papel irremplazable, especialmente en industrias de alto risco como a enxeñaría química, o petróleo e a minería. O "14º Plan quinquenal para a produción segura de produtos químicos perigosos" da China esixe claramente que os parques industriais químicos establezan un sistema integral de vixilancia e alerta temperá para gases tóxicos e nocivos e promovan a construción de plataformas intelixentes de control de riscos. O "Plan de acción de seguridade laboral para a Internet industrial e a Internet das cousas" tamén anima aos parques a despregar sensores da Internet das cousas e plataformas de análise de IA para lograr unha vixilancia en tempo real e unha resposta coordinada a riscos como as fugas de gas. Estas orientacións políticas promoveron enormemente a aplicación de sensores de gas no campo da seguridade industrial.
Os sistemas modernos de monitorización de gases industriais desenvolveron unha variedade de rutas técnicas. A tecnoloxía de imaxe de nubes de gas visualiza as fugas de gas presentando visualmente as masas de gas como os cambios nos niveis de gris dos píxeles na imaxe. A súa capacidade de detección está relacionada con factores como a concentración e o volume do gas filtrado, a diferenza de temperatura de fondo e a distancia de monitorización. A tecnoloxía de espectroscopia infravermella por transformada de Fourier pode monitorizar cualitativa e semicuantitativamente máis de 500 tipos de gases, incluídos os inorgánicos, orgánicos, tóxicos e nocivos, e pode dixitalizar simultaneamente 30 tipos de gases. É axeitada para os complexos requisitos de monitorización de gases en parques industriais químicos. Estas tecnoloxías avanzadas, cando se combinan cos sensores de gas tradicionais, forman unha rede de monitorización de seguridade de gases industriais multinivel.
A nivel de implementación específica, os sistemas de monitorización de gases industriais deben cumprir unha serie de normas nacionais e internacionais. A norma chinesa GB 50493-2019 "Estándar de deseño para a detección e alarma de gases inflamables e tóxicos na industria petroquímica" e a norma AQ 3035-2010 "Especificación técnica xeral para a monitorización de seguridade de fontes de risco importantes de produtos químicos perigosos" proporcionan especificacións técnicas para a monitorización de gases industriais 26. A nivel internacional, a OSHA (Administración de Seguridade e Saúde no Traballo dos Estados Unidos) desenvolveu unha serie de normas de detección de gases, que esixen a detección de gases antes das operacións en espazos confinados e garanten que a concentración de gases nocivos no aire estea por debaixo do nivel seguro de 610. As normas da NFPA (Asociación Nacional de Protección contra Incendios dos Estados Unidos), como a NFPA 72 e a NFPA 54, propoñen requisitos específicos para a detección de gases inflamables e gases tóxicos 610.
Saúde médica e diagnóstico de enfermidades
O campo da medicina e a saúde está a converterse nun dos mercados de aplicación máis prometedores para os sensores de gas. O gas exhalado do corpo humano contén un gran número de biomarcadores relacionados con problemas de saúde. Ao detectar estes biomarcadores, pódense conseguir probas precoces e unha monitorización continua das enfermidades. O dispositivo portátil de detección de acetona respiratoria desenvolvido polo equipo do Dr. Wang Di do Centro de Investigación de Superpercepción do Laboratorio de Zhejiang é un representante típico desta aplicación. Este dispositivo utiliza unha ruta tecnolóxica colorimétrica para medir o contido de acetona no alento exhalado humano mediante a detección do cambio de cor dos materiais sensibles aos gases, conseguindo así unha detección rápida e indolora da diabetes tipo 1.
Cando o nivel de insulina no corpo humano é baixo, este non é capaz de converter a glicosa en enerxía e, no seu lugar, descompón a graxa. Como un dos subprodutos da descomposición das graxas, a acetona excrétase do corpo a través da respiración. O doutor Wang Di explicou 1. En comparación coas análises de sangue tradicionais, este método de proba de alento ofrece unha mellor experiencia diagnóstica e terapéutica. Ademais, o equipo está a desenvolver un sensor de acetona en parche de "liberación diaria". Este dispositivo portátil de baixo custo pode medir automaticamente o gas acetona emitido pola pel durante todo o día. No futuro, cando se combine coa tecnoloxía de intelixencia artificial, pode axudar no diagnóstico, seguimento e orientación da medicación da diabetes.
Ademais da diabetes, os sensores de gas tamén mostran un gran potencial no tratamento de enfermidades crónicas e na monitorización de enfermidades respiratorias. A curva de concentración de dióxido de carbono é unha base importante para xulgar o estado de ventilación pulmonar dos pacientes, mentres que as curvas de concentración de certos marcadores de gas reflicten a tendencia de desenvolvemento de enfermidades crónicas. Tradicionalmente, a interpretación destes datos requiría a participación do persoal médico. Non obstante, coa potenciación da tecnoloxía de intelixencia artificial, os sensores de gas intelixentes non só poden detectar gases e debuxar curvas, senón tamén determinar o grao de desenvolvemento da enfermidade, o que reduce considerablemente a presión sobre o persoal médico.
No campo dos dispositivos sanitarios portátiles, a aplicación de sensores de gas aínda está na súa fase inicial, pero as perspectivas son amplas. Investigadores de Zhuhai Gree Electric Appliances sinalaron que, aínda que os electrodomésticos son diferentes dos dispositivos médicos con funcións de diagnóstico de enfermidades, no campo da monitorización diaria da saúde no fogar, as matrices de sensores de gas teñen vantaxes como o baixo custo, a non invasividade e a miniaturización, o que fai que se espere que aparezan cada vez máis en electrodomésticos como aparellos de coidado bucal e baños intelixentes como solucións auxiliares de monitorización e monitorización en tempo real. Coa crecente demanda de saúde no fogar, a monitorización do estado de saúde humana a través de electrodomésticos converterase nunha dirección importante para o desenvolvemento de fogares intelixentes.
Vixilancia ambiental e prevención e control da contaminación
A vixilancia ambiental é un dos campos onde os sensores de gas se aplican máis amplamente. A medida que a énfase global na protección ambiental segue a aumentar, a demanda de vixilancia de diversos contaminantes na atmosfera tamén medra día a día. Os sensores de gas poden detectar gases nocivos como o monóxido de carbono, o dióxido de xofre e o ozono, proporcionando unha ferramenta eficaz para vixiar a calidade do aire ambiental.
O sensor de gas electroquímico UGT-E4 da British Gas Shield Company é un produto representativo no campo da monitorización ambiental. Pode medir con precisión o contido de contaminantes na atmosfera e proporcionar soporte de datos oportuno e preciso para os departamentos de protección ambiental. Este sensor, mediante a integración coa tecnoloxía da información moderna, conseguiu funcións como a monitorización remota, a carga de datos e a alarma intelixente, mellorando significativamente a eficiencia e a comodidade da detección de gases. Os usuarios poden seguir os cambios na concentración de gas en calquera momento e lugar simplemente a través dos seus teléfonos móbiles ou ordenadores, proporcionando unha base científica para a xestión ambiental e a elaboración de políticas.
En canto á monitorización da calidade do aire interior, os sensores de gas tamén desempeñan un papel importante. A norma EN 45544 emitida polo Comité Europeo de Normalización (EN) é específica para as probas da calidade do aire interior e abrangue os requisitos de proba para varios gases nocivos 610. Os sensores habituais de dióxido de carbono, os sensores de formaldehido, etc., que se atopan no mercado, úsanse amplamente en residencias civís, edificios comerciais e locais de entretemento público, o que axuda ás persoas a crear un ambiente interior máis saudable e cómodo. Especialmente durante a pandemia da COVID-19, a ventilación interior e a calidade do aire recibiron unha atención sen precedentes, o que promoveu aínda máis o desenvolvemento e a aplicación de tecnoloxías de sensores relacionadas.
A monitorización das emisións de carbono é unha emerxente dirección de aplicación dos sensores de gas. No contexto da neutralidade global do carbono, a monitorización precisa dos gases de efecto invernadoiro como o dióxido de carbono tornouse particularmente importante. Os sensores de dióxido de carbono infravermello teñen vantaxes únicas neste campo debido á súa alta precisión, boa selectividade e longa vida útil. As "Directrices para a construción de plataformas intelixentes de control de riscos de seguridade en parques industriais químicos" na China incluíron a monitorización de gases combustibles/tóxicos e a análise de rastrexo de fontes de fugas como contidos de construción obrigatorios, o que reflicte a énfase a nivel de política no papel da monitorización de gases no campo da protección ambiental.
Fogar intelixente e seguridade alimentaria
O fogar intelixente é o mercado de aplicacións de consumo máis prometedor para os sensores de gas. Na actualidade, os sensores de gas aplícanse principalmente en electrodomésticos como purificadores de aire e aparellos de aire acondicionado. Non obstante, coa introdución de matrices de sensores e algoritmos intelixentes, está a aproveitarse gradualmente o seu potencial de aplicación en escenarios como a conservación, a cociña e a monitorización da saúde.
En termos de conservación de alimentos, os sensores de gas poden monitorizar os cheiros desagradables que liberan os alimentos durante o almacenamento para determinar a súa frescura. Os resultados de investigacións recentes mostran que, tanto se se utiliza un único sensor para monitorizar a concentración de cheiros como se se adopta unha matriz de sensores de gas combinada con métodos de recoñecemento de patróns para determinar a frescura dos alimentos, conseguíronse bos resultados. Non obstante, debido á complexidade dos escenarios reais de uso do frigorífico (como a interferencia dos usuarios ao abrir e pechar portas, ao iniciar e parar compresores e á circulación interna do aire, etc.), así como á influencia mutua de varios gases volátiles dos ingredientes alimentarios, aínda hai marxe de mellora na precisión da determinación da frescura dos alimentos.
As aplicacións de cocción son outro escenario importante para os sensores de gas. Durante o proceso de cocción prodúcense centos de compostos gasosos, incluíndo partículas, alcanos, compostos aromáticos, aldehídos, cetonas, alcohois, alcenos e outros compostos orgánicos volátiles. Nun ambiente tan complexo, as matrices de sensores de gas mostran vantaxes máis evidentes que os sensores individuais. Os estudos demostran que as matrices de sensores de gas poden usarse para determinar o estado de cocción dos alimentos en función do gusto persoal ou como ferramenta auxiliar de monitorización dietética para informar regularmente aos usuarios sobre os seus hábitos de cocción. Non obstante, os factores do ambiente de cocción, como as altas temperaturas, os fumes de cocción e o vapor de auga, poden causar facilmente que o sensor se "envelene", o que supón un problema técnico que debe resolverse.
No campo da seguridade alimentaria, a investigación do equipo de Wang Di demostrou o valor potencial de aplicación dos sensores de gas. O seu obxectivo é "identificar ducias de gases simultaneamente cun pequeno enchufe de teléfono móbil" e están comprometidos en facer que a información sobre seguridade alimentaria estea dispoñible facilmente. Este dispositivo olfactivo de matriz altamente integrado pode detectar compoñentes volátiles nos alimentos, determinar a frescura e a seguridade dos alimentos e proporcionar referencias en tempo real aos consumidores.
Táboa: Principais obxectos de detección e características técnicas dos sensores de gas en varios campos de aplicación
Campos de aplicación, principais obxectos de detección, tipos de sensores de uso común, desafíos técnicos, tendencias de desenvolvemento
Gas combustible de seguridade industrial, tipo de combustión catalítica de gases tóxicos, tipo electroquímico, tolerancia a ambientes agresivos, monitorización síncrona multigas, rastrexo de fontes de fugas
Acetona médica e sanitaria, CO₂, tipo semicondutor de COV, selectividade e sensibilidade de tipo colorimétrico, diagnóstico intelixente e portátil
Despregamento de redes de estabilidade a longo prazo e transmisión de datos en tempo real para a monitorización ambiental de contaminantes atmosféricos e gases de efecto invernadoiro en formas infravermellas e electroquímicas
Gas volátil para alimentos en fogar intelixente, tipo semicondutor de fume de cociña, capacidade antiinterferencia PID
Póñase en contacto con Honde Technology Co., LTD.
Email: info@hondetech.com
Sitio web da empresa:www.hondetechco.com
Teléfono: +86-15210548582
Data de publicación: 11 de xuño de 2025