Dengan perkembangan pesat teknologi seperti Internet of Things dan kecerdasan buatan, sensor gas, peranti penderiaan penting yang dikenali sebagai "lima deria elektrik", sedang merangkul peluang pembangunan yang belum pernah terjadi sebelumnya. Daripada pemantauan awal gas toksik dan berbahaya industri hinggalah aplikasinya yang meluas dalam diagnosis perubatan, rumah pintar, pemantauan alam sekitar dan bidang lain pada masa kini, teknologi sensor gas sedang mengalami transformasi yang mendalam daripada fungsi tunggal kepada kecerdasan, pengecilan dan pelbagai dimensi. Artikel ini akan menganalisis secara komprehensif ciri-ciri teknikal, kemajuan penyelidikan terkini dan status aplikasi global sensor gas, dengan perhatian khusus kepada trend pembangunan dalam bidang pemantauan gas di negara-negara seperti China dan Amerika Syarikat.
Ciri-ciri teknikal dan trend pembangunan sensor gas
Sebagai penukar yang menukar pecahan isipadu gas tertentu kepada isyarat elektrik yang sepadan, sensor gas telah menjadi komponen yang sangat diperlukan dan penting dalam teknologi penderiaan moden. Peralatan jenis ini memproses sampel gas melalui kepala pengesanan, biasanya termasuk langkah-langkah seperti menapis bendasing dan gas yang mengganggu, rawatan pengeringan atau penyejukan, dan akhirnya menukar maklumat kepekatan gas kepada isyarat elektrik yang boleh diukur. Pada masa ini, terdapat pelbagai jenis sensor gas di pasaran, termasuk jenis semikonduktor, jenis elektrokimia, jenis pembakaran bermangkin, sensor gas inframerah dan sensor gas fotoionisasi (PID), dan sebagainya. Setiap satunya mempunyai ciri-ciri tersendiri dan digunakan secara meluas dalam bidang ujian awam, perindustrian dan alam sekitar.
Kestabilan dan kepekaan adalah dua petunjuk teras untuk menilai prestasi sensor gas. Kestabilan merujuk kepada kegigihan tindak balas asas sensor sepanjang keseluruhan masa kerjanya, yang bergantung pada hanyutan sifar dan hanyutan selang. Sebaik-baiknya, untuk sensor berkualiti tinggi di bawah keadaan kerja berterusan, hanyutan sifar tahunan hendaklah kurang daripada 10%. Kepekaan merujuk kepada nisbah perubahan dalam output sensor kepada perubahan dalam input yang diukur. Kepekaan pelbagai jenis sensor berbeza-beza dengan ketara, terutamanya bergantung pada prinsip teknikal dan pemilihan bahan yang mereka gunakan. Di samping itu, selektiviti (iaitu, kepekaan silang) dan rintangan kakisan juga merupakan parameter penting untuk menilai prestasi sensor gas. Yang pertama menentukan keupayaan pengecaman sensor dalam persekitaran gas campuran, manakala yang kedua berkaitan dengan toleransi sensor dalam gas sasaran berkepekatan tinggi.
Perkembangan semasa teknologi sensor gas menunjukkan beberapa trend yang jelas. Pertama sekali, penyelidikan dan pembangunan bahan baharu dan proses baharu terus diperdalam. Bahan semikonduktor oksida logam tradisional seperti ZnO, SiO₂, Fe₂O₃, dan sebagainya telah menjadi matang. Penyelidik sedang mendopan, mengubah suai dan mengubah suai permukaan bahan sensitif gas sedia ada melalui kaedah pengubahsuaian kimia, dan pada masa yang sama menambah baik proses pembentukan filem untuk meningkatkan kestabilan dan selektiviti sensor. Sementara itu, pembangunan bahan baharu seperti bahan sensitif gas semikonduktor komposit dan hibrid serta bahan sensitif gas polimer juga sedang giat dibangunkan. Bahan-bahan ini mempamerkan kepekaan, selektiviti dan kestabilan yang lebih tinggi terhadap gas yang berbeza.
Kecerdasan sensor merupakan satu lagi hala tuju pembangunan yang penting. Dengan kejayaan aplikasi teknologi bahan baharu seperti nanoteknologi dan teknologi filem nipis, sensor gas menjadi lebih bersepadu dan pintar. Dengan memanfaatkan sepenuhnya teknologi bersepadu pelbagai disiplin seperti teknologi mikromekanikal dan mikroelektronik, teknologi komputer, teknologi pemprosesan isyarat, teknologi sensor dan teknologi diagnosis kerosakan, para penyelidik sedang membangunkan sensor gas pintar digital automatik sepenuhnya yang mampu memantau pelbagai gas secara serentak. Sensor berbilang pembolehubah jenis berpotensi rintangan kimia yang baru-baru ini dibangunkan oleh kumpulan penyelidikan Profesor Madya Yi Jianxin dari Makmal Utama Negeri Sains Kebakaran di Universiti Sains dan Teknologi China merupakan wakil tipikal trend ini. Sensor ini merealisasikan pengesanan tiga dimensi dan pengenalpastian tepat pelbagai gas dan ciri kebakaran oleh satu peranti 59.
Pengoptimuman tatasusunan dan algoritma juga mendapat perhatian yang semakin meningkat. Disebabkan oleh masalah tindak balas spektrum luas bagi satu sensor gas, ia terdedah kepada gangguan apabila berbilang gas wujud secara serentak. Menggunakan berbilang sensor gas untuk membentuk tatasusunan telah menjadi penyelesaian yang berkesan untuk meningkatkan keupayaan pengecaman. Dengan meningkatkan dimensi gas yang dikesan, tatasusunan sensor boleh mendapatkan lebih banyak isyarat, yang kondusif untuk menilai lebih banyak parameter dan meningkatkan keupayaan pertimbangan dan pengecaman. Walau bagaimanapun, apabila bilangan sensor dalam tatasusunan meningkat, kerumitan pemprosesan data juga meningkat. Oleh itu, pengoptimuman tatasusunan sensor amat penting. Dalam pengoptimuman tatasusunan, kaedah seperti pekali korelasi dan analisis kluster digunakan secara meluas, manakala algoritma pengecaman gas seperti Analisis Komponen Utama (PCA) dan Rangkaian Neural Buatan (ANN) telah meningkatkan keupayaan pengecaman corak sensor dengan ketara.
Jadual: Perbandingan Prestasi Jenis Utama Sensor Gas
Jenis sensor, prinsip kerja, kelebihan dan kekurangan, jangka hayat biasa
Penjerapan gas jenis semikonduktor mempunyai kos yang rendah dalam mengubah rintangan semikonduktor, tindak balas yang cepat, selektiviti yang lemah, dan sangat dipengaruhi oleh suhu dan kelembapan selama 2-3 tahun.
Gas elektrokimia menjalani tindak balas REDOX untuk menghasilkan arus, yang mempunyai selektiviti yang baik dan kepekaan yang tinggi. Walau bagaimanapun, elektrolit mempunyai haus yang terhad dan jangka hayat 1-2 tahun (untuk elektrolit cecair).
Pembakaran gas mudah terbakar jenis pembakaran bermangkin menyebabkan perubahan suhu. Ia direka khusus untuk pengesanan gas mudah terbakar dan hanya boleh digunakan untuk gas mudah terbakar selama kira-kira tiga tahun.
Gas inframerah mempunyai ketepatan yang tinggi dalam menyerap cahaya inframerah dengan panjang gelombang tertentu, tidak menyebabkan keracunan, tetapi mempunyai kos yang tinggi dan isipadu yang agak besar selama 5 hingga 10 tahun.
Fotoionisasi ultraungu (PID) untuk pengesanan molekul gas VOC mempunyai kepekaan yang tinggi dan tidak dapat membezakan jenis sebatian selama 3 hingga 5 tahun
Perlu diingatkan bahawa walaupun teknologi sensor gas telah mencapai kemajuan yang besar, ia masih menghadapi beberapa cabaran biasa. Jangka hayat sensor menyekat aplikasinya dalam bidang tertentu. Contohnya, jangka hayat sensor semikonduktor adalah kira-kira 2 hingga 3 tahun, sensor gas elektrokimia adalah kira-kira 1 hingga 2 tahun disebabkan oleh kehilangan elektrolit, manakala sensor elektrokimia elektrolit keadaan pepejal boleh mencapai 5 tahun. Di samping itu, isu hanyutan (perubahan tindak balas sensor dari semasa ke semasa) dan isu konsistensi (perbezaan prestasi antara sensor dalam kelompok yang sama) juga merupakan faktor penting yang menyekat aplikasi sensor gas yang meluas. Sebagai tindak balas kepada isu-isu ini, penyelidik, di satu pihak, komited untuk menambah baik bahan sensitif gas dan proses pembuatan, dan di pihak lain, mereka mengimbangi atau menyekat pengaruh hanyutan sensor terhadap keputusan pengukuran dengan membangunkan algoritma pemprosesan data lanjutan.
Senario aplikasi pelbagai sensor gas
Teknologi sensor gas telah meresap ke dalam setiap aspek kehidupan sosial. Senario aplikasinya telah lama melangkaui skop pemantauan keselamatan perindustrian tradisional dan berkembang pesat ke dalam pelbagai bidang seperti kesihatan perubatan, pemantauan alam sekitar, rumah pintar dan keselamatan makanan. Trend aplikasi yang pelbagai ini bukan sahaja mencerminkan kemungkinan yang dibawa oleh kemajuan teknologi tetapi juga merangkumi permintaan sosial yang semakin meningkat untuk pengesanan gas.
Pemantauan keselamatan industri dan gas berbahaya
Dalam bidang keselamatan perindustrian, sensor gas memainkan peranan yang tidak tergantikan, terutamanya dalam industri berisiko tinggi seperti kejuruteraan kimia, petroleum dan perlombongan. "Rancangan Lima Tahun ke-14 untuk Pengeluaran Keselamatan Bahan Kimia Berbahaya" China dengan jelas mewajibkan taman perindustrian kimia untuk mewujudkan sistem pemantauan dan amaran awal yang komprehensif untuk gas toksik dan berbahaya serta menggalakkan pembinaan platform kawalan risiko pintar. "Pelan Tindakan Keselamatan Kerja Internet Perindustrian Plus" juga menggalakkan taman-taman untuk menggunakan sensor Internet of Things dan platform analisis AI untuk mencapai pemantauan masa nyata dan tindak balas yang diselaraskan terhadap risiko seperti kebocoran gas. Orientasi dasar ini telah banyak menggalakkan penggunaan sensor gas dalam bidang keselamatan perindustrian.
Sistem pemantauan gas perindustrian moden telah membangunkan pelbagai laluan teknikal. Teknologi pengimejan awan gas menggambarkan kebocoran gas dengan mempersembahkan jisim gas secara visual sebagai perubahan tahap kelabu piksel dalam imej. Keupayaan pengesanannya berkaitan dengan faktor seperti kepekatan dan isipadu gas yang bocor, perbezaan suhu latar belakang dan jarak pemantauan. Teknologi spektroskopi inframerah transformasi Fourier boleh memantau secara kualitatif dan separa kuantitatif lebih 500 jenis gas termasuk gas bukan organik, organik, toksik dan berbahaya, dan boleh mengimbas 30 jenis gas secara serentak. Ia sesuai untuk keperluan pemantauan gas yang kompleks di taman perindustrian kimia. Teknologi canggih ini, apabila digabungkan dengan sensor gas tradisional, membentuk rangkaian pemantauan keselamatan gas perindustrian berbilang peringkat.
Pada peringkat pelaksanaan khusus, sistem pemantauan gas perindustrian perlu mematuhi beberapa piawaian kebangsaan dan antarabangsa. "Standard Reka Bentuk China untuk Pengesanan dan Penggera Gas Mudah Terbakar dan Toksik dalam Industri Petrokimia" GB 50493-2019 dan "Spesifikasi Teknikal Umum untuk Pemantauan Keselamatan Sumber Bahaya Utama Bahan Kimia Berbahaya" AQ 3035-2010 menyediakan spesifikasi teknikal untuk pemantauan gas perindustrian 26. Di peringkat antarabangsa, OSHA (Pentadbiran Keselamatan dan Kesihatan Pekerjaan Amerika Syarikat) telah membangunkan satu siri piawaian pengesanan gas, yang memerlukan pengesanan gas sebelum operasi ruang terkurung dan memastikan kepekatan gas berbahaya di udara berada di bawah tahap selamat 610. Piawaian NFPA (Persatuan Perlindungan Kebakaran Kebangsaan Amerika Syarikat), seperti NFPA 72 dan NFPA 54, mengemukakan keperluan khusus untuk pengesanan gas mudah terbakar dan gas toksik 610.
Diagnosis kesihatan dan penyakit perubatan
Bidang perubatan dan kesihatan menjadi salah satu pasaran aplikasi yang paling menjanjikan untuk sensor gas. Gas yang dihembus keluar dari tubuh manusia mengandungi sejumlah besar biomarker yang berkaitan dengan keadaan kesihatan. Dengan mengesan biomarker ini, pemeriksaan awal dan pemantauan berterusan penyakit dapat dicapai. Peranti pengesanan aseton pernafasan pegang tangan yang dibangunkan oleh pasukan Dr. Wang Di dari Pusat Penyelidikan Persepsi Super Makmal Zhejiang merupakan wakil tipikal aplikasi ini. Peranti ini menggunakan laluan teknologi kolorimetrik untuk mengukur kandungan aseton dalam nafas yang dihembus keluar oleh manusia dengan mengesan perubahan warna bahan sensitif gas, sekali gus mencapai pengesanan diabetes jenis 1 yang cepat dan tidak menyakitkan.
Apabila tahap insulin dalam badan manusia rendah, ia tidak dapat menukar glukosa menjadi tenaga dan sebaliknya memecahkan lemak. Sebagai salah satu hasil sampingan selepas pemecahan lemak, aseton dikumuhkan dari badan melalui pernafasan. Dr. Wang Di menjelaskan 1. Berbanding dengan ujian darah tradisional, kaedah ujian nafas ini menawarkan pengalaman diagnostik dan terapeutik yang lebih baik. Selain itu, pasukan ini sedang membangunkan sensor aseton tampalan "pelepasan harian". Peranti boleh pakai berkos rendah ini boleh mengukur gas aseton yang dipancarkan dari kulit secara automatik sepanjang masa. Pada masa hadapan, apabila digabungkan dengan teknologi kecerdasan buatan, ia boleh membantu dalam diagnosis, pemantauan dan panduan ubat diabetes.
Selain diabetes, sensor gas juga menunjukkan potensi yang besar dalam pengurusan penyakit kronik dan pemantauan penyakit pernafasan. Lengkung kepekatan karbon dioksida merupakan asas penting untuk menilai status pengudaraan pulmonari pesakit, manakala lengkung kepekatan penanda gas tertentu mencerminkan trend perkembangan penyakit kronik. Secara tradisinya, tafsiran data ini memerlukan penyertaan kakitangan perubatan. Walau bagaimanapun, dengan pemerkasaan teknologi kecerdasan buatan, sensor gas pintar bukan sahaja dapat mengesan gas dan melukis lengkung, tetapi juga menentukan tahap perkembangan penyakit, sekali gus mengurangkan tekanan ke atas kakitangan perubatan dengan ketara.
Dalam bidang peranti boleh pakai kesihatan, aplikasi sensor gas masih di peringkat awal, tetapi prospeknya luas. Penyelidik dari Zhuhai Gree Electric Appliances menunjukkan bahawa walaupun peralatan rumah berbeza daripada peralatan perubatan dengan fungsi diagnosis penyakit, dalam bidang pemantauan kesihatan rumah harian, susunan sensor gas mempunyai kelebihan seperti kos rendah, tidak invasif dan pengecilan saiz, menjadikannya dijangka semakin muncul dalam peralatan rumah seperti peralatan penjagaan mulut dan tandas pintar sebagai pemantauan tambahan dan penyelesaian pemantauan masa nyata. Dengan peningkatan permintaan untuk kesihatan rumah, pemantauan status kesihatan manusia melalui peralatan rumah akan menjadi hala tuju penting untuk pembangunan rumah pintar.
Pemantauan alam sekitar dan pencegahan serta kawalan pencemaran
Pemantauan alam sekitar merupakan salah satu bidang di mana sensor gas paling banyak digunakan. Memandangkan penekanan global terhadap perlindungan alam sekitar terus meningkat, permintaan untuk memantau pelbagai bahan pencemar di atmosfera juga semakin meningkat dari hari ke hari. Sensor gas boleh mengesan gas berbahaya seperti karbon monoksida, sulfur dioksida dan ozon, menyediakan alat yang berkesan untuk memantau kualiti udara alam sekitar.
Sensor gas elektrokimia UGT-E4 daripada British Gas Shield Company merupakan produk yang mewakili bidang pemantauan alam sekitar. Ia boleh mengukur kandungan bahan pencemar di atmosfera dengan tepat dan menyediakan sokongan data yang tepat pada masanya dan tepat untuk jabatan perlindungan alam sekitar. Sensor ini, melalui penyepaduan dengan teknologi maklumat moden, telah mencapai fungsi seperti pemantauan jarak jauh, muat naik data dan penggera pintar, meningkatkan kecekapan dan kemudahan pengesanan gas dengan ketara. Pengguna boleh menjejaki perubahan kepekatan gas pada bila-bila masa dan di mana sahaja hanya melalui telefon bimbit atau komputer mereka, menyediakan asas saintifik untuk pengurusan alam sekitar dan pembuatan dasar.
Dari segi pemantauan kualiti udara dalaman, sensor gas juga memainkan peranan penting. Piawaian EN 45544 yang dikeluarkan oleh Jawatankuasa Standardisasi Eropah (EN) adalah khusus untuk ujian kualiti udara dalaman dan merangkumi keperluan ujian untuk pelbagai gas berbahaya 610. Sensor karbon dioksida yang biasa, sensor formaldehid, dan sebagainya di pasaran digunakan secara meluas di kediaman awam, bangunan komersial dan tempat hiburan awam, membantu orang ramai mewujudkan persekitaran dalaman yang lebih sihat dan selesa. Terutamanya semasa pandemik COVID-19, pengudaraan dalaman dan kualiti udara telah mendapat perhatian yang belum pernah terjadi sebelumnya, seterusnya menggalakkan pembangunan dan aplikasi teknologi sensor yang berkaitan.
Pemantauan pelepasan karbon merupakan hala tuju aplikasi sensor gas yang baru muncul. Berlatarbelakangkan peneutralan karbon global, pemantauan tepat gas rumah hijau seperti karbon dioksida telah menjadi sangat penting. Sensor karbon dioksida inframerah mempunyai kelebihan unik dalam bidang ini kerana ketepatannya yang tinggi, selektiviti yang baik dan jangka hayat yang panjang. "Garis Panduan untuk Pembinaan Platform Kawalan Risiko Keselamatan Pintar di Taman Perindustrian Kimia" di China telah menyenaraikan pemantauan gas mudah terbakar/toksik dan analisis pengesanan sumber kebocoran sebagai kandungan pembinaan mandatori, yang mencerminkan penekanan peringkat dasar terhadap peranan pemantauan gas dalam bidang perlindungan alam sekitar.
Rumah Pintar dan Keselamatan Makanan
Rumah pintar merupakan pasaran aplikasi pengguna yang paling menjanjikan untuk sensor gas. Pada masa ini, sensor gas digunakan terutamanya dalam peralatan rumah seperti pembersih udara dan penghawa dingin segar. Walau bagaimanapun, dengan pengenalan tatasusunan sensor dan algoritma pintar, potensi aplikasinya dalam senario seperti pengawetan, memasak dan pemantauan kesihatan secara beransur-ansur dimanfaatkan.
Dari segi pengawetan makanan, sensor gas boleh memantau bau yang tidak menyenangkan yang dikeluarkan oleh makanan semasa penyimpanan untuk menentukan kesegaran makanan. Keputusan penyelidikan terkini menunjukkan bahawa sama ada satu sensor digunakan untuk memantau kepekatan bau atau susunan sensor gas yang digabungkan dengan kaedah pengecaman corak digunakan untuk menentukan kesegaran makanan, kesan yang baik telah dicapai. Walau bagaimanapun, disebabkan oleh kerumitan senario penggunaan peti sejuk sebenar (seperti gangguan daripada pengguna yang membuka dan menutup pintu, menghidupkan dan menghentikan pemampat, dan peredaran udara dalaman, dsb.), serta pengaruh bersama pelbagai gas meruap daripada bahan makanan, masih terdapat ruang untuk penambahbaikan dalam ketepatan penentuan kesegaran makanan.
Aplikasi memasak merupakan satu lagi senario penting untuk sensor gas. Terdapat beratus-ratus sebatian gas yang dihasilkan semasa proses memasak, termasuk bahan zarahan, alkana, sebatian aromatik, aldehid, keton, alkohol, alkena dan sebatian organik meruap yang lain. Dalam persekitaran yang begitu kompleks, susunan sensor gas menunjukkan kelebihan yang lebih jelas berbanding sensor tunggal. Kajian menunjukkan bahawa susunan sensor gas boleh digunakan untuk menentukan status memasak makanan berdasarkan citarasa peribadi, atau sebagai alat pemantauan diet tambahan untuk melaporkan tabiat memasak secara berkala kepada pengguna. Walau bagaimanapun, faktor persekitaran memasak seperti suhu tinggi, asap memasak dan wap air boleh menyebabkan sensor "meracuni" dengan mudah, yang merupakan masalah teknikal yang perlu diselesaikan.
Dalam bidang keselamatan makanan, kajian pasukan Wang Di telah menunjukkan potensi nilai aplikasi sensor gas. Ia bertujuan untuk "mengenal pasti berpuluh-puluh gas secara serentak dengan pemalam telefon bimbit kecil", dan komited untuk menyediakan maklumat keselamatan makanan dengan mudah. Peranti olfaktori tatasusunan bersepadu yang sangat tinggi ini dapat mengesan komponen meruap dalam makanan, menentukan kesegaran dan keselamatan makanan, dan menyediakan rujukan masa nyata untuk pengguna.
Jadual: Objek Pengesanan Utama dan ciri teknikal sensor gas dalam pelbagai bidang aplikasi
Medan aplikasi, objek pengesanan utama, jenis sensor yang biasa digunakan, cabaran teknikal, trend pembangunan
Gas mudah terbakar keselamatan industri, jenis pembakaran pemangkin gas toksik, jenis elektrokimia, pemantauan segerak berbilang gas toleransi persekitaran yang keras, pengesanan sumber kebocoran
Aseton perubatan dan kesihatan, CO₂, jenis semikonduktor VOC, selektiviti dan kepekaan jenis kolorimetrik, diagnosis boleh pakai dan pintar
Penggunaan grid kestabilan jangka panjang dan penghantaran data masa nyata untuk pemantauan alam sekitar bahan pencemar udara dan gas rumah hijau dalam bentuk inframerah dan elektrokimia
Gas meruap makanan rumah pintar, jenis semikonduktor asap memasak, keupayaan anti-gangguan PID
Sila hubungi Honde Technology Co., LTD.
Email: info@hondetech.com
Laman web syarikat:www.hondetechco.com
Tel: +86-15210548582
Masa siaran: 11 Jun 2025