Met de snelle ontwikkeling van technologieën zoals het Internet of Things en kunstmatige intelligentie, krijgen gasdetectoren, een belangrijk detectieapparaat dat ook wel bekendstaat als de "vijf elektrische zintuigen", ongekende ontwikkelingskansen. Van de initiële monitoring van giftige en schadelijke gassen in de industrie tot de brede toepassing ervan in medische diagnostiek, slimme huizen, milieumonitoring en andere gebieden, ondergaat de gasdetectortechnologie een ingrijpende transformatie van een enkelvoudige functie naar intelligentie, miniaturisatie en multidimensionaliteit. Dit artikel analyseert uitgebreid de technische kenmerken, de nieuwste onderzoeksresultaten en de wereldwijde toepassingsstatus van gasdetectoren, met bijzondere aandacht voor de ontwikkelingstrends op het gebied van gasmonitoring in landen als China en de Verenigde Staten.
Technische kenmerken en ontwikkelingstrends van gassensoren
Als omzetter die de volumefractie van een specifiek gas omzet in een overeenkomend elektrisch signaal, is de gassensor een onmisbaar en belangrijk onderdeel geworden van moderne sensortechnologie. Dit type apparatuur verwerkt gasmonsters via detectiekoppen, waarbij doorgaans stappen worden uitgevoerd zoals het filteren van onzuiverheden en storende gassen, drogen of koelen, en uiteindelijk het omzetten van gasconcentratie-informatie in meetbare elektrische signalen. Momenteel zijn er diverse soorten gassensoren op de markt, waaronder halfgeleider-, elektrochemische, katalytische verbrandings-, infrarood- en foto-ionisatie (PID)-gassensoren, enzovoort. Elk type heeft zijn eigen kenmerken en wordt veelvuldig gebruikt in civiele, industriële en milieutests.
Stabiliteit en gevoeligheid zijn de twee belangrijkste indicatoren voor het evalueren van de prestaties van gassensoren. Stabiliteit verwijst naar de persistentie van de basisrespons van een sensor gedurende de gehele werktijd, die afhankelijk is van nulpuntsdrift en intervaldrift. Idealiter zou de jaarlijkse nulpuntsdrift voor hoogwaardige sensoren onder continue bedrijfsomstandigheden minder dan 10% moeten bedragen. Gevoeligheid verwijst naar de verhouding tussen de verandering in de sensoruitvoer en de verandering in de gemeten invoer. De gevoeligheid van verschillende soorten sensoren varieert aanzienlijk, voornamelijk afhankelijk van de technische principes en materiaalkeuze. Daarnaast zijn selectiviteit (d.w.z. kruisgevoeligheid) en corrosiebestendigheid ook belangrijke parameters voor het evalueren van de prestaties van gassensoren. De eerste bepaalt het herkenningsvermogen van de sensor in een gasmengsel, terwijl de laatste verband houdt met de tolerantie van de sensor voor doelgassen met een hoge concentratie.
De huidige ontwikkelingen in gasdetectortechnologie vertonen een aantal duidelijke trends. Ten eerste is het onderzoek naar en de ontwikkeling van nieuwe materialen en processen steeds verder verdiept. Traditionele metaaloxide-halfgeleidermaterialen zoals ZnO, SiO₂, Fe₂O₃, enz. zijn volwassen geworden. Onderzoekers passen doping, modificatie en oppervlaktemodificatie toe op bestaande gasgevoelige materialen door middel van chemische modificatiemethoden, en verbeteren tegelijkertijd het filmvormingsproces om de stabiliteit en selectiviteit van sensoren te verhogen. Daarnaast wordt er actief gewerkt aan de ontwikkeling van nieuwe materialen zoals composiet- en hybride halfgeleidergasgevoelige materialen en polymere gasgevoelige materialen. Deze materialen vertonen een hogere gevoeligheid, selectiviteit en stabiliteit voor verschillende gassen.
De intelligentie van sensoren is een andere belangrijke ontwikkelingsrichting. Dankzij de succesvolle toepassing van nieuwe materiaaltechnologieën zoals nanotechnologie en dunnefilmtechnologie worden gassensoren steeds meer geïntegreerd en intelligent. Door optimaal gebruik te maken van multidisciplinaire, geïntegreerde technologieën zoals micromechanische en micro-elektronische technologie, computertechnologie, signaalverwerkingstechnologie, sensortechnologie en foutdiagnosetechnologie, ontwikkelen onderzoekers volledig automatische, digitale, intelligente gassensoren die meerdere gassen tegelijk kunnen monitoren. Een multivariabele sensor van het chemische weerstand-potentiaaltype, recent ontwikkeld door de onderzoeksgroep van universitair hoofddocent Yi Jianxin van het State Key Laboratory of Fire Science aan de Universiteit voor Wetenschap en Technologie van China, is een typisch voorbeeld van deze trend. Deze sensor maakt driedimensionale detectie en nauwkeurige identificatie van meerdere gassen en brandkenmerken mogelijk met één enkel apparaat 59.
Arrayvorming en algoritmeoptimalisatie krijgen ook steeds meer aandacht. Vanwege het probleem van de brede respons van een enkele gassensor is deze gevoelig voor interferentie wanneer meerdere gassen tegelijkertijd aanwezig zijn. Het gebruik van meerdere gassensoren in een array is een effectieve oplossing gebleken om het herkenningsvermogen te verbeteren. Door de dimensies van het te detecteren gas te vergroten, kan de sensorarray meer signalen ontvangen, wat gunstig is voor het evalueren van meer parameters en het verbeteren van het beoordelings- en herkenningsvermogen. Naarmate het aantal sensoren in de array toeneemt, neemt echter ook de complexiteit van de gegevensverwerking toe. Daarom is de optimalisatie van de sensorarray bijzonder belangrijk. Bij arrayoptimalisatie worden methoden zoals correlatiecoëfficiënt en clusteranalyse veelvuldig toegepast, terwijl gasherkenningsalgoritmen zoals Principal Component Analysis (PCA) en kunstmatige neurale netwerken (ANN) het patroonherkenningsvermogen van sensoren aanzienlijk hebben verbeterd.
Tabel: Prestatievergelijking van de belangrijkste typen gasdetectoren
Sensortype, werkingsprincipe, voor- en nadelen, typische levensduur
Gasadsorptie met halfgeleiders heeft als voordelen lage kosten bij het aanpassen van de weerstand van de halfgeleiders, een snelle respons, een lage selectiviteit en is gedurende 2-3 jaar sterk gevoelig voor temperatuur en luchtvochtigheid.
Elektrochemisch gas ondergaat REDOX-reacties om stroom op te wekken, wat een goede selectiviteit en hoge gevoeligheid oplevert. De elektrolyt heeft echter een beperkte slijtage en een levensduur van 1-2 jaar (voor vloeibare elektrolyten).
Bij katalytische verbranding van brandbaar gas ontstaan temperatuurveranderingen. Het is specifiek ontworpen voor de detectie van brandbaar gas en is slechts geschikt voor brandbaar gas met een levensduur van ongeveer drie jaar.
Infraroodgassen absorberen infrarood licht van specifieke golflengten zeer nauwkeurig, veroorzaken geen vergiftiging, maar zijn wel duur en vereisen een relatief grote hoeveelheid voor een gebruiksduur van 5 tot 10 jaar.
Foto-ionisatie (PID) ultraviolette foto-ionisatie voor de detectie van VOC's in gasmoleculen heeft een hoge gevoeligheid, maar kan de verschillende soorten verbindingen pas na 3 tot 5 jaar onderscheiden.
Het is belangrijk op te merken dat, hoewel de technologie voor gasdetectoren aanzienlijke vooruitgang heeft geboekt, er nog steeds een aantal gemeenschappelijke uitdagingen bestaan. De levensduur van sensoren beperkt hun toepassing in bepaalde gebieden. Zo is de levensduur van halfgeleidersensoren ongeveer 2 tot 3 jaar, die van elektrochemische gasdetectoren ongeveer 1 tot 2 jaar vanwege elektrolytverlies, terwijl die van elektrochemische sensoren met een vaste-stofelektrolyt wel 5 jaar kan bereiken. Daarnaast zijn driftproblemen (veranderingen in de sensorrespons in de loop van de tijd) en consistentieproblemen (prestatieverschillen tussen sensoren in dezelfde batch) ook belangrijke factoren die de brede toepassing van gasdetectoren beperken. Om deze problemen aan te pakken, zetten onderzoekers zich enerzijds in voor de verbetering van gasgevoelige materialen en productieprocessen, en anderzijds compenseren of onderdrukken ze de invloed van sensordrift op meetresultaten door geavanceerde dataverwerkingsalgoritmen te ontwikkelen.
De uiteenlopende toepassingsscenario's van gassensoren
Gasdetectietechnologie is doorgedrongen in elk aspect van het maatschappelijk leven. De toepassingsmogelijkheden reiken al lang verder dan de traditionele industriële veiligheidsmonitoring en breiden zich snel uit naar diverse andere gebieden, zoals de gezondheidszorg, milieumonitoring, slimme woningen en voedselveiligheid. Deze trend van uiteenlopende toepassingen weerspiegelt niet alleen de mogelijkheden die technologische vooruitgang biedt, maar ook de groeiende maatschappelijke vraag naar gasdetectie.
Industriële veiligheid en monitoring van gevaarlijke gassen
Op het gebied van industriële veiligheid spelen gassensoren een onvervangbare rol, met name in risicovolle sectoren zoals de chemische industrie, de aardolie-industrie en de mijnbouw. Het Chinese "14e Vijfjarenplan voor de veilige productie van gevaarlijke chemicaliën" vereist expliciet dat chemische industrieparken een uitgebreid monitorings- en vroegwaarschuwingssysteem voor giftige en schadelijke gassen opzetten en de ontwikkeling van intelligente risicobeheersingsplatformen bevorderen. Het "Actieplan Industrieel Internet Plus Werkveiligheid" moedigt parken ook aan om Internet of Things-sensoren en AI-analyseplatformen in te zetten voor realtime monitoring en gecoördineerde respons op risico's zoals gaslekkage. Deze beleidsrichtingen hebben de toepassing van gassensoren op het gebied van industriële veiligheid sterk bevorderd.
Moderne industriële gasmonitoringssystemen hebben een verscheidenheid aan technische benaderingen ontwikkeld. Gaswolkbeeldvormingstechnologie visualiseert gaslekkages door gasmassa's visueel weer te geven als veranderingen in de grijswaarden van pixels in het beeld. De detectiemogelijkheden zijn afhankelijk van factoren zoals de concentratie en het volume van het gelekte gas, het temperatuurverschil met de omgeving en de monitoringsafstand. Fourier-transformatie-infraroodspectroscopie (FTIR) kan kwalitatief en semi-kwantitatief meer dan 500 soorten gassen monitoren, waaronder anorganische, organische, giftige en schadelijke gassen, en kan tegelijkertijd 30 soorten gassen scannen. Deze technologie is geschikt voor de complexe gasmonitoringseisen in chemische industrieparken. Deze geavanceerde technologieën vormen, in combinatie met traditionele gassensoren, een meerlaags netwerk voor industriële gasveiligheidsmonitoring.
Op implementatieniveau moeten industriële gasmonitoringssystemen voldoen aan een reeks nationale en internationale normen. De Chinese norm GB 50493-2019 (Ontwerpnorm voor detectie en alarm van brandbare en giftige gassen in de petrochemische industrie) en de norm AQ 3035-2010 (Algemene technische specificatie voor veiligheidsmonitoring van belangrijke gevaarlijke bronnen van gevaarlijke chemicaliën) bieden technische specificaties voor industriële gasmonitoring.26 Internationaal heeft OSHA (Occupational Safety and Health Administration van de Verenigde Staten) een reeks normen voor gasdetectie ontwikkeld, die gasdetectie vereisen vóór werkzaamheden in besloten ruimtes en ervoor zorgen dat de concentratie van schadelijke gassen in de lucht onder het veilige niveau van 610 blijft. De normen van NFPA (National Fire Protection Association van de Verenigde Staten), zoals NFPA 72 en NFPA 54, stellen specifieke eisen voor de detectie van brandbare gassen en giftige gassen.610
Medische gezondheid en diagnose van ziekten
De medische en gezondheidszorgsector ontwikkelt zich tot een van de meest veelbelovende toepassingsgebieden voor gasdetectoren. De uitgeademde lucht van het menselijk lichaam bevat een groot aantal biomarkers die verband houden met de gezondheidstoestand. Door deze biomarkers te detecteren, kunnen ziekten vroegtijdig worden opgespoord en continu worden gemonitord. Het draagbare apparaat voor het detecteren van aceton in de uitgeademde lucht, ontwikkeld door het team van Dr. Wang Di van het Super Perception Research Center van het Zhejiang Laboratory, is een typisch voorbeeld van deze toepassing. Dit apparaat maakt gebruik van een colorimetrische technologie om het acetongehalte in de uitgeademde lucht te meten door de kleurverandering van gasgevoelige materialen te detecteren, waardoor een snelle en pijnloze detectie van diabetes type 1 mogelijk is.
Wanneer het insulineniveau in het lichaam laag is, kan het lichaam glucose niet omzetten in energie en breekt het in plaats daarvan vet af. Aceton, een van de bijproducten van de vetafbraak, wordt via de ademhaling uit het lichaam verwijderd. Dr. Wang Di legde uit: 1. In vergelijking met traditionele bloedtesten biedt deze ademtestmethode een betere diagnostische en therapeutische ervaring. Bovendien ontwikkelt het team een acetonsensor in de vorm van een pleister met dagelijkse afgifte. Dit goedkope, draagbare apparaat kan automatisch de acetonconcentratie in de huid 24 uur per dag meten. In de toekomst kan het, in combinatie met kunstmatige intelligentie, helpen bij de diagnose, monitoring en medicatiebegeleiding van diabetes.
Naast diabetes tonen gassensoren ook een groot potentieel in het beheer van chronische ziekten en de monitoring van aandoeningen aan de luchtwegen. De koolstofdioxideconcentratiecurve is een belangrijke basis voor het beoordelen van de longventilatiestatus van patiënten, terwijl de concentratiecurves van bepaalde gasmarkers de ontwikkelingstrend van chronische ziekten weerspiegelen. Traditioneel vereiste de interpretatie van deze gegevens de medewerking van medisch personeel. Dankzij de opkomst van kunstmatige intelligentie kunnen intelligente gassensoren echter niet alleen gassen detecteren en curves tekenen, maar ook de mate van ziekteontwikkeling bepalen, waardoor de druk op medisch personeel aanzienlijk wordt verlicht.
Op het gebied van draagbare gezondheidsapparaten bevindt de toepassing van gassensoren zich nog in een vroeg stadium, maar de vooruitzichten zijn breed. Onderzoekers van Zhuhai Gree Electric Appliances wijzen erop dat, hoewel huishoudelijke apparaten verschillen van medische apparaten met functies voor ziektediagnose, gassensorarrays voordelen bieden op het gebied van dagelijkse gezondheidsmonitoring thuis, zoals lage kosten, niet-invasiviteit en miniaturisatie. Hierdoor wordt verwacht dat ze steeds vaker zullen verschijnen in huishoudelijke apparaten zoals mondverzorgingsapparaten en slimme toiletten als aanvullende monitoring- en realtime monitoringoplossingen. Met de toenemende vraag naar gezondheidszorg thuis zal het monitoren van de gezondheidstoestand van mensen via huishoudelijke apparaten een belangrijke richting worden voor de ontwikkeling van slimme woningen.
Milieumonitoring en preventie en beheersing van vervuiling
Milieumonitoring is een van de gebieden waar gasdetectoren het meest worden toegepast. Naarmate de wereldwijde nadruk op milieubescherming toeneemt, groeit ook de vraag naar monitoring van diverse verontreinigende stoffen in de atmosfeer. Gasdetectoren kunnen schadelijke gassen zoals koolmonoxide, zwaveldioxide en ozon detecteren en vormen daarmee een effectief instrument voor het monitoren van de luchtkwaliteit.
De UGT-E4 elektrochemische gassensor van het Britse bedrijf Gas Shield is een toonaangevend product op het gebied van milieumonitoring. Deze sensor kan nauwkeurig de concentratie van verontreinigende stoffen in de atmosfeer meten en levert actuele en betrouwbare gegevens aan milieudiensten. Dankzij de integratie met moderne informatietechnologie beschikt deze sensor over functies zoals monitoring op afstand, data-upload en intelligente alarmen, waardoor gasdetectie aanzienlijk efficiënter en gebruiksvriendelijker wordt. Gebruikers kunnen de veranderingen in gasconcentratie altijd en overal volgen via hun mobiele telefoon of computer, wat een wetenschappelijke basis vormt voor milieubeheer en beleidsvorming.
Ook bij het monitoren van de binnenluchtkwaliteit spelen gassensoren een belangrijke rol. De EN 45544-norm van het Europees Comité voor Normalisatie (EN) is specifiek voor het testen van de binnenluchtkwaliteit en beschrijft de testvereisten voor diverse schadelijke gassen. Gangbare koolstofdioxidesensoren, formaldehydesensoren, enzovoort, worden veelvuldig gebruikt in woningen, commerciële gebouwen en openbare gelegenheden, waardoor mensen een gezondere en comfortabelere binnenomgeving kunnen creëren. Vooral tijdens de COVID-19-pandemie kregen binnenventilatie en luchtkwaliteit ongekende aandacht, wat de ontwikkeling en toepassing van gerelateerde sensortechnologieën verder stimuleerde.
Het monitoren van koolstofemissies is een opkomende toepassing voor gasdetectoren. In het kader van de wereldwijde koolstofneutraliteit is nauwkeurige monitoring van broeikasgassen zoals koolstofdioxide bijzonder belangrijk geworden. Infrarood koolstofdioxidesensoren hebben unieke voordelen op dit gebied vanwege hun hoge precisie, goede selectiviteit en lange levensduur. De "Richtlijnen voor de bouw van intelligente platforms voor risicobeheersing in chemische industrieparken" in China hebben monitoring van brandbare/giftige gassen en analyse van lekbronnen als verplichte bouwelementen opgenomen, wat de nadruk op beleidsniveau op de rol van gasmonitoring in de milieubescherming weerspiegelt.
Slimme woning en voedselveiligheid
De slimme woning is de meest veelbelovende consumentenmarkt voor gassensoren. Momenteel worden gassensoren vooral gebruikt in huishoudelijke apparaten zoals luchtreinigers en airconditioners. Met de introductie van sensorarrays en intelligente algoritmen wordt hun toepassingspotentieel echter steeds meer benut in scenario's zoals conservering, koken en gezondheidsmonitoring.
Wat betreft voedselconservering kunnen gassensoren de onaangename geuren die vrijkomen tijdens de opslag van voedsel monitoren om de versheid ervan te bepalen. Recent onderzoek toont aan dat zowel het gebruik van een enkele sensor voor het meten van de geurconcentratie als het gebruik van een gassensorarray in combinatie met patroonherkenningsmethoden goede resultaten oplevert. Echter, door de complexiteit van de daadwerkelijke gebruikssituatie in koelkasten (zoals verstoringen door het openen en sluiten van deuren, het starten en stoppen van compressoren en de interne luchtcirculatie, enz.) en de onderlinge beïnvloeding van diverse vluchtige gassen uit voedselingrediënten, is er nog ruimte voor verbetering in de nauwkeurigheid van de versheidsbepaling.
Koken is een ander belangrijk toepassingsgebied voor gassensoren. Tijdens het koken ontstaan honderden gasvormige verbindingen, waaronder fijnstof, alkanen, aromatische verbindingen, aldehyden, ketonen, alcoholen, alkenen en andere vluchtige organische stoffen. In zo'n complexe omgeving bieden gassensorarrays duidelijkere voordelen dan afzonderlijke sensoren. Studies tonen aan dat gassensorarrays gebruikt kunnen worden om de gaarheid van voedsel te bepalen op basis van persoonlijke smaak, of als hulpmiddel voor het monitoren van het voedingspatroon om gebruikers regelmatig te informeren over hun kookgewoonten. Factoren in de kookomgeving, zoals hoge temperaturen, kookdampen en waterdamp, kunnen de sensor echter gemakkelijk "vergiftigen", wat een technisch probleem is dat moet worden opgelost.
Op het gebied van voedselveiligheid heeft het team van Wang Di de potentiële toepassingswaarde van gassensoren aangetoond. Hun doel is om "tientallen gassen tegelijkertijd te identificeren met een klein apparaatje dat je op een mobiele telefoon kunt aansluiten" en ze zetten zich in om informatie over voedselveiligheid gemakkelijk toegankelijk te maken. Dit sterk geïntegreerde apparaat met een array van reuksensoren kan vluchtige componenten in voedsel detecteren, de versheid en veiligheid van voedsel bepalen en consumenten realtime informatie verschaffen.
Tabel: Belangrijkste detectieobjecten en technische kenmerken van gassensoren in diverse toepassingsgebieden
Toepassingsgebieden, belangrijkste detectieobjecten, veelgebruikte sensortypes, technische uitdagingen, ontwikkelingstrends
Industriële veiligheid voor brandbare gassen, giftige gassen, katalytische verbranding, elektrochemische verbranding, tolerantie voor zware omstandigheden, gelijktijdige bewaking van meerdere gassen, opsporing van lekkages.
Medische en gezondheidstoepassingen: aceton, CO₂, VOC's, halfgeleidertype, colorimetrisch type, selectiviteit en gevoeligheid, draagbaar en intelligent diagnostisch.
Langetermijnstabiliteit van het netwerk en realtime gegevensoverdracht voor milieumonitoring van luchtverontreinigende stoffen en broeikasgassen in infrarood- en elektrochemische vormen.
Slimme woning met detectie van vluchtige gassen in de keuken, kookrook, halfgeleider, PID-regelaar en anti-interferentiefunctie.
Neem contact op met Honde Technology Co., LTD.
Email: info@hondetech.com
Bedrijfswebsite:www.hondetechco.com
Tel: +86-15210548582
Geplaatst op: 11 juni 2025