Dengan perkembangan pesat teknologi seperti Internet Perkara dan kecerdasan buatan, penderia gas, peranti penderiaan penting yang dikenali sebagai "lima deria elektrik", menerima peluang pembangunan yang belum pernah berlaku sebelum ini. Daripada pemantauan awal gas toksik dan berbahaya industri kepada aplikasinya yang meluas dalam diagnosis perubatan, rumah pintar, pemantauan alam sekitar dan bidang lain hari ini, teknologi penderia gas sedang mengalami transformasi yang mendalam daripada satu fungsi kepada kecerdasan, pengecilan dan pelbagai dimensi. Artikel ini akan menganalisis secara menyeluruh ciri teknikal, kemajuan penyelidikan terkini dan status aplikasi global penderia gas, dengan perhatian khusus kepada trend pembangunan dalam bidang pemantauan gas di negara seperti China dan Amerika Syarikat.
Ciri teknikal dan trend pembangunan penderia gas
Sebagai penukar yang menukar pecahan volum 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 pengesan, biasanya termasuk langkah seperti menapis kekotoran 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 penderia gas di pasaran, termasuk jenis semikonduktor, jenis elektrokimia, jenis pembakaran pemangkin, penderia gas inframerah dan penderia gas fotoionisasi (PID), dan lain-lain. Setiap daripada mereka mempunyai ciri tersendiri dan digunakan secara meluas dalam bidang ujian awam, perindustrian dan alam sekitar.
Kestabilan dan kepekaan ialah dua petunjuk teras untuk menilai prestasi penderia gas. Kestabilan merujuk kepada kegigihan tindak balas asas penderia sepanjang masa kerjanya, yang bergantung pada hanyut sifar dan hanyut selang. Sebaik-baiknya, untuk penderia berkualiti tinggi di bawah keadaan kerja berterusan, hanyut sifar tahunan hendaklah kurang daripada 10%. Sensitiviti merujuk kepada nisbah perubahan dalam output sensor kepada perubahan dalam input yang diukur. Kepekaan pelbagai jenis penderia berbeza dengan ketara, terutamanya bergantung pada prinsip teknikal dan pemilihan bahan yang mereka pakai. Selain itu, selektiviti (iaitu, kepekaan silang) dan rintangan kakisan juga merupakan parameter penting untuk menilai prestasi penderia gas. Yang pertama menentukan keupayaan pengecaman sensor dalam persekitaran gas bercampur, manakala yang kedua berkaitan dengan toleransi sensor dalam gas sasaran kepekatan tinggi.
Perkembangan semasa teknologi sensor gas membentangkan 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 lain-lain telah menjadi matang. Penyelidik sedang mendopan, mengubah suai dan mengubah suai permukaan bahan sensitif gas sedia ada melalui kaedah pengubahsuaian kimia, dan menambah baik proses pembentukan filem pada masa yang sama untuk meningkatkan kestabilan dan selektiviti penderia. Sementara itu, pembangunan bahan baharu seperti bahan sensitif gas komposit dan hibrid semikonduktor dan bahan sensitif gas polimer juga sedang giat dimajukan. Bahan-bahan ini mempamerkan kepekaan, selektiviti dan kestabilan yang lebih tinggi kepada gas yang berbeza.
Kecerdasan penderia adalah satu lagi arah pembangunan yang penting. Dengan kejayaan penerapan teknologi bahan baharu seperti nanoteknologi dan teknologi filem nipis, penderia gas menjadi lebih bersepadu dan pintar. Dengan memanfaatkan sepenuhnya teknologi bersepadu pelbagai disiplin seperti teknologi mikro-mekanikal dan mikroelektronik, teknologi komputer, teknologi pemprosesan isyarat, teknologi penderia dan teknologi diagnosis kerosakan, penyelidik sedang membangunkan penderia gas pintar digital automatik sepenuhnya yang mampu memantau berbilang gas secara serentak. Penderia pelbagai pembolehubah jenis potensi rintangan kimia yang dibangunkan baru-baru ini oleh kumpulan penyelidik Profesor Madya Yi Jianxin dari Makmal Utama Sains Kebakaran Negeri di Universiti Sains dan Teknologi China merupakan wakil tipikal trend ini. Penderia ini menyedari pengesanan tiga dimensi dan pengenalpastian tepat berbilang gas dan ciri kebakaran oleh satu peranti 59.
Susunan dan pengoptimuman algoritma juga mendapat perhatian yang semakin meningkat. Disebabkan masalah tindak balas spektrum luas bagi penderia gas tunggal, ia terdedah kepada gangguan apabila berbilang gas wujud secara serentak. Menggunakan berbilang penderia gas untuk membentuk tatasusunan telah menjadi penyelesaian yang berkesan untuk meningkatkan keupayaan pengecaman. Dengan meningkatkan dimensi gas yang dikesan, tatasusunan sensor boleh memperoleh lebih banyak isyarat, yang kondusif untuk menilai lebih banyak parameter dan meningkatkan keupayaan pertimbangan dan pengiktirafan. Walau bagaimanapun, apabila bilangan penderia dalam tatasusunan meningkat, kerumitan pemprosesan data juga meningkat. Oleh itu, pengoptimuman tatasusunan sensor adalah amat penting. Dalam pengoptimuman tatasusunan, kaedah seperti pekali korelasi dan analisis kelompok digunakan secara meluas, manakala algoritma pengecaman gas seperti Analisis Komponen Utama (PCA) dan Rangkaian saraf tiruan (ANN) telah meningkatkan keupayaan pengecaman corak penderia.
Jadual: Perbandingan Prestasi Jenis Utama Penderia Gas
Jenis sensor, prinsip kerja, kelebihan dan kekurangan, jangka hayat biasa
Penjerapan gas jenis semikonduktor mempunyai kos yang rendah dalam menukar rintangan semikonduktor, tindak balas yang cepat, selektiviti yang lemah, dan banyak dipengaruhi oleh suhu dan kelembapan selama 2-3 tahun
Gas elektrokimia mengalami tindak balas REDOX untuk menjana arus, yang mempunyai selektiviti yang baik dan kepekaan yang tinggi. Walau bagaimanapun, elektrolit mempunyai kehausan terhad dan jangka hayat 1-2 tahun (untuk elektrolit cecair).
Pembakaran bermangkin jenis pembakaran gas mudah terbakar menyebabkan perubahan suhu. Ia direka khusus untuk pengesanan gas mudah terbakar dan hanya terpakai 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 jumlah yang agak besar selama 5 hingga 10 tahun
Pengionan ultraungu Pengionan (PID) untuk pengesanan molekul gas VOC mempunyai kepekaan yang tinggi dan tidak dapat membezakan jenis sebatian selama 3 hingga 5 tahun
Perlu diingat bahawa walaupun teknologi penderia gas telah mencapai kemajuan yang besar, ia masih menghadapi beberapa cabaran biasa. Jangka hayat penderia mengehadkan penggunaannya dalam bidang tertentu. Sebagai contoh, jangka hayat penderia semikonduktor adalah kira-kira 2 hingga 3 tahun, penderia gas elektrokimia adalah kira-kira 1 hingga 2 tahun disebabkan kehilangan elektrolit, manakala penderia elektrolit elektrolit keadaan pepejal boleh mencapai 5 tahun. Selain itu, isu hanyut (perubahan dalam tindak balas penderia dari semasa ke semasa) dan isu ketekalan (perbezaan prestasi antara penderia dalam kelompok yang sama) juga merupakan faktor penting yang menyekat penggunaan luas penderia gas. Sebagai tindak balas kepada isu-isu ini, penyelidik, dalam satu pihak, komited untuk menambah baik bahan sensitif gas dan proses pembuatan, dan sebaliknya, mereka mengimbangi atau menyekat pengaruh drift sensor pada hasil pengukuran dengan membangunkan algoritma pemprosesan data lanjutan.
Senario aplikasi pelbagai penderia gas
Teknologi penderia gas telah meresap dalam setiap aspek kehidupan sosial. Senario aplikasinya telah lama melangkaui skop pemantauan keselamatan industri tradisional dan berkembang pesat ke dalam pelbagai bidang seperti kesihatan perubatan, pemantauan alam sekitar, rumah pintar dan keselamatan makanan. Aliran aplikasi terpelbagai ini bukan sahaja mencerminkan kemungkinan yang dibawa oleh kemajuan teknologi tetapi juga merangkumi permintaan sosial yang semakin meningkat untuk pengesanan gas.
Keselamatan industri dan pemantauan gas berbahaya
Dalam bidang keselamatan industri, penderia gas memainkan peranan yang tidak boleh diganti, terutamanya dalam industri berisiko tinggi seperti kejuruteraan kimia, petroleum, dan perlombongan. “Rancangan Lima Tahun Ke-14 China untuk Pengeluaran Keselamatan Bahan Kimia Berbahaya” jelas memerlukan taman industri 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 Industri Internet Plus" juga menggalakkan taman untuk menggunakan penderia Internet Perkara dan platform analisis AI untuk mencapai pemantauan masa nyata dan tindak balas yang diselaraskan terhadap risiko seperti kebocoran gas. Orientasi dasar ini telah menggalakkan penggunaan penderia gas dalam bidang keselamatan industri.
Sistem pemantauan gas industri moden telah membangunkan pelbagai laluan teknikal. Teknologi pengimejan awan gas menggambarkan kebocoran gas dengan mempersembahkan secara visual jisim gas sebagai perubahan dalam 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 industri kimia. Teknologi canggih ini, apabila digabungkan dengan penderia gas tradisional, membentuk rangkaian pemantauan keselamatan gas industri pelbagai peringkat.
Pada peringkat pelaksanaan khusus, sistem pemantauan gas industri perlu mematuhi beberapa siri piawaian kebangsaan dan antarabangsa. “Piawaian Reka Bentuk untuk Pengesanan dan Penggera Gas Mudah Terbakar dan Toksik dalam Industri Petrokimia” GB 50493-2019 dan “Spesifikasi Teknikal Am untuk Pemantauan Keselamatan Sumber Bahaya Utama Bahan Kimia Berbahaya” AQ 3035-2010 menyediakan spesifikasi teknikal untuk pemantauan gas industri dan siri gas industri 26. Di peringkat antarabangsa, Pentadbiran Keselamatan dan Gas Negara Amerika Syarikat (AS) piawaian pengesanan, memerlukan pengesanan gas sebelum operasi ruang terkurung dan memastikan kepekatan gas berbahaya di udara berada di bawah paras selamat 610. Piawaian NFPA(National Fire Protection Association of the United States), seperti NFPA 72 dan NFPA 54, mengemukakan keperluan khusus untuk pengesanan gas mudah terbakar dan gas toksik.
Kesihatan perubatan dan diagnosis penyakit
Bidang perubatan dan kesihatan menjadi salah satu pasaran aplikasi yang paling menjanjikan untuk penderia gas. Gas yang dihembus badan manusia mengandungi sejumlah besar biomarker yang berkaitan dengan keadaan kesihatan. Dengan mengesan biomarker ini, saringan awal dan pemantauan berterusan penyakit boleh dicapai. Peranti pengesanan aseton pernafasan pegang tangan yang dibangunkan oleh pasukan Dr. Wang Di dari Pusat Penyelidikan Persepsi Super Makmal Zhejiang ialah wakil tipikal aplikasi ini. Peranti ini menggunakan laluan teknologi kolorimetrik untuk mengukur kandungan aseton dalam nafas yang dihembus oleh manusia dengan mengesan perubahan warna bahan sensitif gas, dengan itu mencapai pengesanan diabetes jenis 1 yang cepat dan tidak menyakitkan.
Apabila tahap insulin dalam tubuh manusia rendah, ia tidak dapat menukar glukosa kepada tenaga dan sebaliknya memecahkan lemak. Sebagai salah satu produk sampingan selepas pemecahan lemak, aseton dikeluarkan 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 itu sedang membangunkan penderia tampalan aseton "pelepasan harian". Peranti boleh pakai kos rendah ini secara automatik boleh mengukur gas aseton yang dikeluarkan dari kulit 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 besar dalam pengurusan penyakit kronik dan pemantauan penyakit pernafasan. Lengkung kepekatan karbon dioksida adalah asas penting untuk menilai status pengudaraan paru-paru 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, penderia gas pintar bukan sahaja dapat mengesan gas dan menarik lengkung, tetapi juga menentukan tahap perkembangan penyakit, sangat mengurangkan tekanan ke atas kakitangan perubatan.
Dalam bidang peranti boleh pakai kesihatan, aplikasi penderia gas masih di peringkat awal, tetapi prospeknya adalah luas. Penyelidik dari Zhuhai Gree Electric Appliances menegaskan bahawa walaupun perkakas rumah berbeza daripada peranti perubatan dengan fungsi diagnosis penyakit, dalam bidang pemantauan kesihatan rumah harian, tatasusunan sensor gas mempunyai kelebihan seperti kos rendah, tidak invasif dan pengecilan, menjadikannya dijangka semakin muncul dalam perkakas rumah seperti peralatan penjagaan mulut dan tandas pintar sebagai penyelesaian tambahan dan pemantauan masa nyata. Dengan peningkatan permintaan untuk kesihatan di rumah, pemantauan status kesihatan manusia melalui perkakas rumah akan menjadi hala tuju penting untuk pembangunan rumah pintar.
Pemantauan alam sekitar dan pencegahan dan kawalan pencemaran
Pemantauan alam sekitar adalah salah satu bidang di mana penderia 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. Penderia 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 Syarikat Perisai Gas British ialah produk yang mewakili dalam bidang pemantauan alam sekitar. Ia boleh mengukur dengan tepat kandungan bahan pencemar di atmosfera dan menyediakan sokongan data yang tepat pada masanya dan tepat untuk jabatan perlindungan alam sekitar. Penderia ini, melalui penyepaduan dengan teknologi maklumat moden, telah mencapai fungsi seperti pemantauan jarak jauh, muat naik data dan penggera pintar, dengan ketara meningkatkan kecekapan dan kemudahan pengesanan gas. Pengguna boleh menjejaki perubahan dalam kepekatan gas pada bila-bila masa dan di mana-mana sahaja melalui telefon mudah alih atau komputer mereka, menyediakan asas saintifik untuk pengurusan alam sekitar dan penggubalan dasar.
Dari segi pemantauan kualiti udara dalaman, penderia gas juga memainkan peranan penting. Piawaian EN 45544 yang dikeluarkan oleh Jawatankuasa Piawaian Eropah (EN) adalah khusus untuk ujian kualiti udara dalaman dan meliputi keperluan ujian untuk pelbagai gas berbahaya 610. Penderia karbon dioksida biasa, penderia formaldehid, dsb. di pasaran digunakan secara meluas di kediaman awam, bangunan komersial dan tempat hiburan awam, membantu orang ramai mencipta persekitaran dalaman yang lebih sihat dan selesa. Terutama semasa pandemik COVID-19, pengudaraan dalaman dan kualiti udara telah mendapat perhatian yang tidak pernah berlaku sebelum ini, seterusnya menggalakkan pembangunan dan aplikasi teknologi sensor yang berkaitan.
Pemantauan pelepasan karbon ialah arah aplikasi yang muncul bagi penderia gas. Berlatarbelakangkan neutraliti karbon global, pemantauan tepat gas rumah hijau seperti karbon dioksida telah menjadi sangat penting. Penderia karbon dioksida inframerah mempunyai kelebihan unik dalam bidang ini kerana ketepatannya yang tinggi, selektiviti yang baik dan hayat perkhidmatan 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 tahap dasar terhadap peranan pemantauan gas dalam bidang perlindungan alam sekitar.
Rumah Pintar dan Keselamatan Makanan
Rumah pintar ialah pasaran aplikasi pengguna yang paling menjanjikan untuk penderia gas. Pada masa ini, penderia gas digunakan terutamanya dalam peralatan rumah seperti penulen udara dan penghawa dingin segar. Walau bagaimanapun, dengan pengenalan tatasusunan penderia dan algoritma pintar, potensi aplikasinya dalam senario seperti pemeliharaan, memasak dan pemantauan kesihatan sedang diterokai secara beransur-ansur.
Dari segi pengawetan makanan, sensor gas boleh memantau bau tidak menyenangkan yang dikeluarkan oleh makanan semasa penyimpanan untuk menentukan kesegaran makanan. Keputusan penyelidikan terkini menunjukkan bahawa sama ada penderia tunggal digunakan untuk memantau kepekatan bau atau tatasusunan penderia gas yang digabungkan dengan kaedah pengecaman corak diterima pakai untuk menentukan kesegaran makanan, kesan yang baik telah dicapai. Walau bagaimanapun, disebabkan oleh kerumitan senario penggunaan peti sejuk sebenar (seperti gangguan daripada pengguna membuka dan menutup pintu, pemampat memulakan dan memberhentikan, dan peredaran udara dalaman, dll.), serta pengaruh bersama pelbagai gas meruap daripada bahan makanan, masih terdapat ruang untuk penambahbaikan dalam ketepatan penentuan kesegaran makanan.
Aplikasi memasak adalah satu lagi senario penting untuk penderia 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 penderia gas menunjukkan kelebihan yang lebih jelas daripada penderia tunggal. Kajian menunjukkan bahawa tatasusunan sensor gas boleh digunakan untuk menentukan status memasak makanan berdasarkan citarasa peribadi, atau sebagai alat pemantauan diet tambahan untuk melaporkan secara kerap tabiat memasak kepada pengguna. Walau bagaimanapun, faktor persekitaran memasak seperti suhu tinggi, asap memasak dan wap air dengan mudah boleh menyebabkan sensor "racun", yang merupakan masalah teknikal yang perlu diselesaikan.
Dalam bidang keselamatan makanan, penyelidikan pasukan Wang Di telah menunjukkan potensi nilai aplikasi penderia gas. Mereka menyasarkan matlamat "mengenal pasti berpuluh-puluh gas serentak dengan pemalam telefon mudah alih kecil", dan komited untuk menyediakan maklumat keselamatan makanan dengan mudah. Peranti olfaktori tatasusunan yang sangat bersepadu ini boleh mengesan komponen yang tidak menentu dalam makanan, menentukan kesegaran dan keselamatan makanan, dan menyediakan rujukan masa nyata untuk pengguna.
Jadual: Objek Pengesanan Utama dan ciri teknikal penderia gas dalam pelbagai bidang aplikasi
Medan aplikasi, objek pengesanan utama, jenis penderia yang biasa digunakan, cabaran teknikal, trend pembangunan
Keselamatan industri gas mudah terbakar, jenis pembakaran pemangkin gas toksik, jenis elektrokimia, toleransi persekitaran yang keras pemantauan segerak berbilang gas, 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 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: Jun-11-2025