Met de snelle ontwikkeling van technologieën zoals het Internet of Things (IoT) en kunstmatige intelligentie (AI) omarmen gassensoren, een belangrijk sensorapparaat dat bekendstaat als de "vijf elektrische zintuigen", ongekende ontwikkelingsmogelijkheden. Van de initiële monitoring van industriële giftige en schadelijke gassen tot de brede toepassing ervan in medische diagnose, smart home, milieumonitoring en andere sectoren, ondergaat de gassensortechnologie vandaag de dag een diepgaande transformatie van een enkele functie naar intelligentie, miniaturisatie en multidimensionaliteit. Dit artikel analyseert uitgebreid de technische kenmerken, de nieuwste onderzoeksvoortgang en de wereldwijde toepassingsstatus van gassensoren, met bijzondere aandacht voor de ontwikkelingstrends op het gebied van gasmonitoring in landen zoals China en de Verenigde Staten.
Technische kenmerken en ontwikkelingstrends van gassensoren
Als converter die de volumefractie van een specifiek gas omzet in het bijbehorende elektrische 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 verschillende soorten gassensoren op de markt, waaronder halfgeleidersensoren, elektrochemische sensoren, katalytische verbrandingssensoren, infraroodsensoren en foto-ionisatie (PID) gassensoren, enz. Elk van deze sensoren heeft zijn eigen kenmerken en wordt veel 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 gebruiksduur, die afhankelijk is van nulpuntsverloop en intervalverloop. Idealiter zou voor hoogwaardige sensoren onder continue gebruiksomstandigheden de jaarlijkse nulpuntsverloop minder dan 10% moeten zijn. Gevoeligheid verwijst naar de verhouding tussen de verandering in de output van de sensor en de verandering in de gemeten input. 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 gemengde gasomgeving, terwijl de tweede gerelateerd is aan de tolerantie van de sensor in doelgassen met een hoge concentratie.
De huidige ontwikkeling van gassensortechnologie laat een aantal duidelijke trends zien. Ten eerste is het onderzoek naar en de ontwikkeling van nieuwe materialen en processen voortdurend toegenomen. Traditionele metaaloxidehalfgeleidermaterialen zoals ZnO, SiO₂, Fe₂O₃, enz. zijn inmiddels volwassen geworden. Onderzoekers doperen, modificeren en modificeren bestaande gasgevoelige materialen met behulp van chemische modificatiemethoden en verbeteren tegelijkertijd het filmvormingsproces om de stabiliteit en selectiviteit van sensoren te verbeteren. Ondertussen wordt ook de ontwikkeling van nieuwe materialen, zoals composiet- en hybride halfgeleidergasgevoelige materialen en polymeergasgevoelige materialen, actief voortgezet. Deze materialen vertonen een hogere gevoeligheid, selectiviteit en stabiliteit voor verschillende gassen.
De intelligentie van sensoren is een andere belangrijke ontwikkelingsrichting. Met de succesvolle toepassing van nieuwe materiaaltechnologieën zoals nanotechnologie en dunnefilmtechnologie worden gassensoren steeds meer geïntegreerd en intelligent. Door volledig 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 gelijktijdig kunnen bewaken. Een multivariabele sensor van het type chemische resistentiepotentiaal, die onlangs is ontwikkeld door de onderzoeksgroep van universitair hoofddocent Yi Jianxin van het State Key Laboratory of Fire Science aan de University of Science and Technology in China, is een typisch voorbeeld van deze trend. Deze sensor realiseert de driedimensionale detectie en nauwkeurige identificatie van meerdere gassen en brandkenmerken met één apparaat 59.
Arrayisatie en algoritme-optimalisatie krijgen ook steeds meer aandacht. Vanwege het breedspectrumresponsprobleem van een enkele gassensor is deze gevoelig voor interferentie wanneer er meerdere gassen tegelijkertijd aanwezig zijn. Het gebruik van meerdere gassensoren om een array te vormen is een effectieve oplossing geworden om het herkenningsvermogen te verbeteren. Door de afmetingen van het gedetecteerde gas te vergroten, kan de sensorarray meer signalen ontvangen, wat bevorderlijk 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 array-optimalisatie worden methoden zoals correlatiecoëfficiënt- en clusteranalyse breed toegepast, terwijl gasherkenningsalgoritmen zoals Principal Component Analysis (PCA) en Artificial Neural Network (ANN) het patroonherkenningsvermogen van sensoren aanzienlijk hebben verbeterd.
Tabel: Prestatievergelijking van de belangrijkste typen gassensoren
Sensortype, werkingsprincipe, voor- en nadelen, typische levensduur
Adsorptie van halfgeleidergas heeft lage kosten voor het veranderen van de weerstand van halfgeleiders, snelle respons, slechte selectiviteit en wordt sterk beïnvloed door temperatuur en vochtigheid gedurende 2-3 jaar
Elektrochemisch gas ondergaat REDOX-reacties om stroom op te wekken, die een goede selectiviteit en hoge gevoeligheid heeft. De elektrolyt heeft echter beperkte slijtage en een levensduur van 1-2 jaar (voor vloeibare elektrolyt).
Katalytische verbranding van brandbaar gas veroorzaakt temperatuurveranderingen. Het is specifiek ontworpen voor de detectie van brandbaar gas en is alleen toepasbaar op brandbaar gas gedurende ongeveer drie jaar.
Infraroodgassen hebben een hoge nauwkeurigheid bij het absorberen van infraroodlicht van specifieke golflengten, veroorzaken geen vergiftiging, maar zijn duur en hebben een relatief groot volume voor 5 tot 10 jaar
Foto-ionisatie (PID) ultraviolette foto-ionisatie voor de detectie van gasmoleculen van vluchtige organische stoffen heeft een hoge gevoeligheid en kan de soorten verbindingen gedurende 3 tot 5 jaar niet onderscheiden
Het is vermeldenswaard dat, hoewel de gassensortechnologie aanzienlijke vooruitgang heeft geboekt, deze nog steeds met enkele gemeenschappelijke uitdagingen kampt. De levensduur van sensoren beperkt hun toepassing in bepaalde sectoren. Zo is de levensduur van halfgeleidersensoren ongeveer 2 tot 3 jaar, die van elektrochemische gassensoren ongeveer 1 tot 2 jaar vanwege elektrolytverlies, terwijl die van elektrochemische sensoren met vaste elektrolyt tot 5 jaar kan oplopen. Daarnaast zijn driftproblemen (veranderingen in sensorrespons in de loop van de tijd) en consistentieproblemen (prestatieverschillen tussen sensoren in dezelfde batch) ook belangrijke factoren die de brede toepassing van gassensoren 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 gediversifieerde toepassingsscenario's van gassensoren
Gassensortechnologie is doorgedrongen tot elk aspect van het maatschappelijk leven. De toepassingsmogelijkheden ervan overstijgen al lang de traditionele scope van industriële veiligheidsmonitoring en breiden zich snel uit naar diverse gebieden, zoals medische zorg, milieumonitoring, smart home en voedselveiligheid. Deze trend van gediversifieerde toepassingen weerspiegelt niet alleen de mogelijkheden die technologische vooruitgang biedt, maar belichaamt 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 petroleumindustrie en de mijnbouw. China's "14e Vijfjarenplan voor de Veilige Productie van Gevaarlijke Chemicaliën" vereist duidelijk dat chemische industrieparken een uitgebreid monitoring- en vroegtijdig waarschuwingssysteem voor giftige en schadelijke gassen opzetten en de bouw van intelligente risicobeheersingsplatforms bevorderen. Het "Industrieel Internet Plus Actieplan voor Werkveiligheid" moedigt parken ook aan om sensoren voor het Internet of Things (IoT) en AI-analyseplatforms te implementeren om realtime monitoring en een gecoördineerde reactie op risico's zoals gaslekkage te realiseren. Deze beleidsoriëntaties hebben de toepassing van gassensoren op het gebied van industriële veiligheid sterk bevorderd.
Moderne industriële gasmeetsystemen hebben een verscheidenheid aan technische mogelijkheden ontwikkeld. Gaswolkbeeldtechnologie visualiseert gaslekken door gasmassa's visueel weer te geven als veranderingen in pixelgrijswaarden in het beeld. De detectiecapaciteit is afhankelijk van factoren zoals de concentratie en het volume van het gelekte gas, het temperatuurverschil op de achtergrond en de meetafstand. Fouriertransformatie-infraroodspectroscopietechnologie kan meer dan 500 soorten gassen, waaronder anorganische, organische, toxische en schadelijke gassen, kwalitatief en semi-kwantitatief monitoren en 30 soorten gassen tegelijkertijd scannen. Het is geschikt voor de complexe gasmeetvereisten in chemische industrieparken. Deze geavanceerde technologieën vormen, in combinatie met traditionele gassensoren, een multi-level industrieel gasveiligheidsmeetnetwerk.
Op het specifieke implementatieniveau moeten industriële gasbewakingssystemen voldoen aan een reeks nationale en internationale normen. De Chinese "Ontwerpnorm voor detectie en alarmering van brandbare en toxische gassen in de petrochemische industrie" GB 50493-2019 en de "Algemene technische specificatie voor veiligheidsbewaking van belangrijke bronnen van gevaarlijke chemicaliën" AQ 3035-2010 bevatten technische specificaties voor industriële gasbewaking. OSHA (Occupational Safety and Health Administration van de Verenigde Staten) heeft internationaal een reeks gasdetectienormen ontwikkeld, die gasdetectie vereisen vóór werkzaamheden in besloten ruimten en ervoor zorgen dat de concentratie schadelijke gassen in de lucht onder het veilige niveau van 610 ligt. De normen van de NFPA (National Fire Protection Association van de Verenigde Staten), zoals NFPA 72 en NFPA 54, stellen specifieke eisen aan de detectie van brandbare en toxische gassen.
Medische gezondheid en ziektediagnostiek
De medische en gezondheidssector ontwikkelt zich tot een van de meest veelbelovende toepassingsmarkten voor gassensoren. Het uitgeademde gas van het menselijk lichaam bevat een groot aantal biomarkers die verband houden met gezondheidsproblemen. Door deze biomarkers te detecteren, kunnen ziekten vroegtijdig worden gescreend en continu worden gemonitord. Het draagbare apparaat voor acetondetectie, 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 colorimetrische technologie om het acetongehalte in uitgeademde lucht te meten door de kleurverandering van gasgevoelige materialen te detecteren, wat een snelle en pijnloze detectie van diabetes type 1 mogelijk maakt.
Wanneer het insulineniveau in het menselijk lichaam laag is, kan het geen glucose omzetten in energie en in plaats daarvan vet afbreken. Aceton, een van de bijproducten na vetafbraak, wordt via de ademhaling uitgescheiden. Dr. Wang Di legt uit: 1. Vergeleken met traditionele bloedtesten biedt deze ademtestmethode een betere diagnostische en therapeutische ervaring. Bovendien ontwikkelt het team een acetonsensor met "dagelijkse afgifte" patch. Dit goedkope, draagbare apparaat kan 24 uur per dag automatisch het acetongas meten dat door de huid wordt uitgestoten. In de toekomst kan het, in combinatie met kunstmatige intelligentie, helpen bij de diagnose, monitoring en medicatiebegeleiding van diabetes.
Naast diabetes hebben gassensoren ook een groot potentieel voor de behandeling van chronische ziekten en de monitoring van luchtwegaandoeningen. 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 krachtige kunstmatige intelligentie (AI) 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 verminderd.
Op het gebied van draagbare gezondheidsapparaten staat de toepassing van gassensoren nog in de kinderschoenen, maar de vooruitzichten zijn breed. Onderzoekers van Zhuhai Gree Electric Appliances wezen erop dat, hoewel huishoudelijke apparaten verschillen van medische apparaten met ziektediagnostische functies, gassensorarrays op het gebied van dagelijkse gezondheidsmonitoring thuis voordelen bieden zoals lage kosten, niet-invasiviteit en miniaturisatie. Hierdoor zullen ze naar verwachting steeds vaker worden gebruikt in huishoudelijke apparaten zoals mondverzorgingsproducten en slimme toiletten als aanvullende oplossingen voor monitoring en realtime monitoring. Met de toenemende vraag naar thuiszorg zal het monitoren van de gezondheidstoestand van mensen via huishoudelijke apparaten een belangrijke richting worden voor de ontwikkeling van slimme huizen.
Milieumonitoring en preventie en bestrijding van vervuiling
Milieumonitoring is een van de gebieden waar gassensoren het meest worden toegepast. Naarmate de wereldwijde aandacht voor milieubescherming toeneemt, groeit ook de vraag naar het monitoren van verschillende verontreinigende stoffen in de atmosfeer met de dag. Gassensoren kunnen schadelijke gassen zoals koolmonoxide, zwaveldioxide en ozon detecteren en vormen een effectief instrument voor het monitoren van de luchtkwaliteit.
De elektrochemische gassensor UGT-E4 van British Gas Shield Company is een representatief product op het gebied van milieumonitoring. Hij kan de concentratie verontreinigende stoffen in de atmosfeer nauwkeurig meten en biedt tijdige en nauwkeurige gegevensondersteuning voor milieubeschermingsafdelingen. Dankzij integratie met moderne informatietechnologie heeft deze sensor functies zoals bewaking op afstand, het uploaden van gegevens en intelligente alarmering, wat de efficiëntie en het gebruiksgemak van gasdetectie aanzienlijk verbetert. Gebruikers kunnen veranderingen in de gasconcentratie altijd en overal volgen via hun mobiele telefoon of computer, wat een wetenschappelijke basis biedt voor milieubeheer en beleidsvorming.
Gassensoren spelen ook een belangrijke rol bij het monitoren van de binnenluchtkwaliteit. De norm EN 45544 van het Europees Comité voor Normalisatie (EN) is specifiek gericht op het testen van de binnenluchtkwaliteit en omvat de testvereisten voor verschillende schadelijke gassen 610. Veelgebruikte kooldioxidesensoren, formaldehydesensoren, enz. worden veel gebruikt in woningen, commerciële gebouwen en openbare uitgaansgelegenheden, en helpen mensen een gezonder en comfortabeler binnenklimaat te creëren. Vooral tijdens de COVID-19-pandemie hebben binnenventilatie en luchtkwaliteit ongekende aandacht gekregen, wat de ontwikkeling en toepassing van gerelateerde sensortechnologieën verder heeft bevorderd.
Monitoring van koolstofemissies is een opkomende toepassingsrichting van gassensoren. Tegen de achtergrond van wereldwijde koolstofneutraliteit is nauwkeurige monitoring van broeikasgassen zoals koolstofdioxide bijzonder belangrijk geworden. Infraroodsensoren voor koolstofdioxide bieden unieke voordelen op dit gebied dankzij hun hoge precisie, goede selectiviteit en lange levensduur. De "Richtlijnen voor de bouw van intelligente platforms voor veiligheidsrisicobeheersing in chemische industrieparken" in China hebben monitoring van brandbare/toxische gassen en analyse van lekkagebronnen opgenomen als verplichte bouwinhoud, wat de nadruk op de rol van gasmonitoring op het gebied van milieubescherming weerspiegelt.
Slimme woning en voedselveiligheid
Smart home is de meest veelbelovende consumentenmarkt voor gassensoren. Momenteel worden gassensoren vooral toegepast in huishoudelijke apparaten zoals luchtreinigers en airconditioners. Met de introductie van sensorarrays en intelligente algoritmen wordt hun toepassingspotentieel echter geleidelijk benut in scenario's zoals conservering, koken en gezondheidsmonitoring.
Op het gebied van voedselconservering kunnen gassensoren de onaangename geuren die vrijkomen tijdens de opslag monitoren om de versheid van het voedsel te bepalen. Recente onderzoeksresultaten tonen aan dat er goede resultaten zijn behaald, of het nu gaat om het gebruik van één enkele sensor om de geurconcentratie te monitoren of om een gassensorarray in combinatie met patroonherkenningsmethoden om de versheid van voedsel te bepalen. Vanwege de complexiteit van de werkelijke gebruiksscenario's van koelkasten (zoals interferentie door gebruikers die deuren openen en sluiten, compressoren starten en stoppen, interne luchtcirculatie, enz.), en de wederzijdse beïnvloeding van verschillende vluchtige gassen uit voedselingrediënten, is er echter nog ruimte voor verbetering in de nauwkeurigheid van het bepalen van de versheid van voedsel.
Kooktoepassingen vormen een ander belangrijk scenario voor gassensoren. Tijdens het kookproces worden honderden gasvormige verbindingen geproduceerd, waaronder fijnstof, alkanen, aromatische verbindingen, aldehyden, ketonen, alcoholen, alkenen en andere vluchtige organische stoffen. In zo'n complexe omgeving bieden gassensorarrays duidelijkere voordelen dan losse sensoren. Studies tonen aan dat gassensorarrays kunnen worden gebruikt om de kookstatus van voedsel te bepalen op basis van persoonlijke smaak, of als hulpmiddel bij het monitoren van het dieet om kookgewoonten regelmatig aan gebruikers te rapporteren. Factoren in de kookomgeving, zoals hoge temperaturen, kookdampen en waterdamp, kunnen er echter gemakkelijk toe leiden dat de sensor "vergiftigd" raakt, een technisch probleem dat moet worden opgelost.
Op het gebied van voedselveiligheid heeft het onderzoek van Wang Di's team de potentiële toepassingswaarde van gassensoren aangetoond. Ze streven ernaar om "tientallen gassen tegelijk te identificeren met een kleine plug-in voor een mobiele telefoon" en zetten zich in om informatie over voedselveiligheid direct beschikbaar te maken. Dit sterk geïntegreerde array-olfactorische apparaat kan vluchtige componenten in voedsel detecteren, de versheid en veiligheid ervan bepalen en consumenten realtime referenties bieden.
Tabel: Belangrijkste detectieobjecten en technische kenmerken van gassensoren in verschillende toepassingsgebieden
Toepassingsgebieden, belangrijkste detectieobjecten, veelgebruikte sensortypen, technische uitdagingen, ontwikkelingstrends
Industriële veiligheid brandbaar gas, katalytische verbranding van giftig gas, elektrochemisch type, tolerantie voor zware omgevingen, synchrone bewaking van meerdere gassen, opsporen van lekkages
Medische en gezondheidsaceton, CO₂, VOC's halfgeleidertype, colorimetrisch type selectiviteit en gevoeligheid, draagbare en intelligente diagnose
Inzet van een langetermijnstabiliteitsnetwerk en realtime gegevensoverdracht voor milieumonitoring van luchtverontreinigende stoffen en broeikasgassen in infrarood- en elektrochemische vormen
Slimme woning voedsel vluchtige gassen, kookrook halfgeleidertype, PID anti-interferentievermogen
Neem contact op met Honde Technology Co., LTD.
Email: info@hondetech.com
Bedrijfswebsite:www.hondetechco.com
Telefoon: +86-15210548582
Plaatsingstijd: 11 juni 2025