Dengan perkembangan pesat teknologi seperti Internet of Things dan kecerdasan buatan, sensor gas, perangkat penginderaan penting yang dikenal sebagai "lima indera listrik", merangkul peluang pengembangan yang belum pernah terjadi sebelumnya. Dari pemantauan awal gas beracun dan berbahaya di industri hingga penerapannya yang luas dalam diagnosis medis, rumah pintar, pemantauan lingkungan, dan bidang lainnya saat ini, teknologi sensor gas mengalami transformasi mendalam dari fungsi tunggal menjadi kecerdasan, miniaturisasi, dan multidimensi. Artikel ini akan menganalisis secara komprehensif karakteristik teknis, kemajuan penelitian terbaru, dan status aplikasi global sensor gas, dengan perhatian khusus pada tren perkembangan di bidang pemantauan gas di negara-negara seperti Tiongkok dan Amerika Serikat.
Karakteristik teknis dan tren perkembangan sensor gas
Sebagai konverter yang mengubah fraksi volume gas tertentu menjadi sinyal listrik yang sesuai, sensor gas telah menjadi komponen yang sangat diperlukan dan penting dalam teknologi penginderaan modern. Peralatan jenis ini memproses sampel gas melalui kepala deteksi, biasanya termasuk langkah-langkah seperti penyaringan pengotor dan gas pengganggu, pengeringan atau perlakuan pendinginan, dan akhirnya mengubah informasi konsentrasi gas menjadi sinyal listrik yang terukur. Saat ini, terdapat berbagai jenis sensor gas di pasaran, termasuk jenis semikonduktor, jenis elektrokimia, jenis pembakaran katalitik, sensor gas inframerah, dan sensor gas fotoionisasi (PID), dll. Masing-masing memiliki karakteristiknya sendiri dan banyak digunakan di bidang pengujian sipil, industri, dan lingkungan.
Stabilitas dan sensitivitas adalah dua indikator inti untuk mengevaluasi kinerja sensor gas. Stabilitas mengacu pada persistensi respons dasar sensor sepanjang waktu kerjanya, yang bergantung pada pergeseran nol dan pergeseran interval. Idealnya, untuk sensor berkualitas tinggi dalam kondisi kerja kontinu, pergeseran nol tahunan harus kurang dari 10%. Sensitivitas mengacu pada rasio perubahan keluaran sensor terhadap perubahan masukan yang diukur. Sensitivitas berbagai jenis sensor sangat bervariasi, terutama bergantung pada prinsip teknis dan pemilihan material yang digunakan. Selain itu, selektivitas (yaitu, sensitivitas silang) dan ketahanan korosi juga merupakan parameter penting untuk mengevaluasi kinerja sensor gas. Yang pertama menentukan kemampuan pengenalan sensor dalam lingkungan gas campuran, sedangkan yang kedua berkaitan dengan toleransi sensor dalam gas target konsentrasi tinggi.
Perkembangan teknologi sensor gas saat ini menunjukkan beberapa tren yang jelas. Pertama, penelitian dan pengembangan material baru dan proses baru terus meningkat. Material semikonduktor oksida logam tradisional seperti ZnO, SiO₂, Fe₂O₃, dll. telah menjadi matang. Para peneliti melakukan doping, modifikasi, dan modifikasi permukaan material sensitif gas yang ada melalui metode modifikasi kimia, dan sekaligus meningkatkan proses pembentukan film untuk meningkatkan stabilitas dan selektivitas sensor. Sementara itu, pengembangan material baru seperti material sensitif gas semikonduktor komposit dan hibrida serta material sensitif gas polimer juga terus dimajukan secara aktif. Material-material ini menunjukkan sensitivitas, selektivitas, dan stabilitas yang lebih tinggi terhadap berbagai gas.
Kecerdasan sensor merupakan arah pengembangan penting lainnya. Dengan keberhasilan penerapan teknologi material baru seperti nanoteknologi dan teknologi film tipis, sensor gas menjadi semakin terintegrasi dan cerdas. Dengan memanfaatkan sepenuhnya teknologi terintegrasi multidisiplin seperti teknologi mikromekanik dan mikroelektronik, teknologi komputer, teknologi pengolahan sinyal, teknologi sensor, dan teknologi diagnosis kesalahan, para peneliti sedang mengembangkan sensor gas cerdas digital otomatis yang mampu memantau beberapa gas secara bersamaan. Sensor multivariabel tipe resistansi-potensial kimia yang baru-baru ini dikembangkan oleh kelompok penelitian Profesor Madya Yi Jianxin dari Laboratorium Utama Ilmu Kebakaran di Universitas Sains dan Teknologi Tiongkok merupakan contoh tipikal dari tren ini. Sensor ini mewujudkan deteksi tiga dimensi dan identifikasi akurat dari beberapa gas dan karakteristik kebakaran dengan satu perangkat tunggal 59.
Pengorganisasian array dan optimasi algoritma juga semakin mendapat perhatian. Karena masalah respons spektrum luas dari sensor gas tunggal, sensor tersebut rentan terhadap interferensi ketika beberapa gas ada secara bersamaan. Menggunakan beberapa sensor gas untuk membentuk array telah menjadi solusi efektif untuk meningkatkan kemampuan pengenalan. Dengan meningkatkan dimensi gas yang terdeteksi, array sensor dapat memperoleh lebih banyak sinyal, yang bermanfaat untuk mengevaluasi lebih banyak parameter dan meningkatkan kemampuan penilaian dan pengenalan. Namun, seiring bertambahnya jumlah sensor dalam array, kompleksitas pemrosesan data juga meningkat. Oleh karena itu, optimasi array sensor sangat penting. Dalam optimasi array, metode seperti koefisien korelasi dan analisis klaster banyak digunakan, sementara algoritma pengenalan gas seperti Analisis Komponen Utama (PCA) dan Jaringan Saraf Tiruan (ANN) telah sangat meningkatkan kemampuan pengenalan pola sensor.
Tabel: Perbandingan Kinerja Jenis-Jenis Sensor Gas Utama
Jenis sensor, prinsip kerja, kelebihan dan kekurangan, masa pakai tipikal.
Adsorpsi gas tipe semikonduktor memiliki biaya rendah dalam mengubah resistansi semikonduktor, respons cepat, selektivitas buruk, dan sangat dipengaruhi oleh suhu dan kelembaban selama 2-3 tahun.
Gas elektrokimia mengalami reaksi REDOX untuk menghasilkan arus, yang memiliki selektivitas yang baik dan sensitivitas tinggi. Namun, elektrolit memiliki keterbatasan dalam hal ketahanan aus dan masa pakai 1-2 tahun (untuk elektrolit cair).
Pembakaran gas yang mudah terbakar tipe katalitik menyebabkan perubahan suhu. Alat ini dirancang khusus untuk mendeteksi gas yang mudah terbakar dan hanya berlaku untuk gas yang mudah terbakar selama kurang lebih tiga tahun.
Gas inframerah memiliki akurasi tinggi dalam menyerap cahaya inframerah dengan panjang gelombang tertentu, tidak menyebabkan keracunan, tetapi memiliki biaya tinggi dan volume yang relatif besar untuk jangka waktu 5 hingga 10 tahun.
Fotoionisasi (PID) fotoionisasi ultraviolet untuk deteksi molekul gas VOC memiliki sensitivitas tinggi dan tidak dapat membedakan jenis senyawa selama 3 hingga 5 tahun.
Perlu dicatat bahwa meskipun teknologi sensor gas telah mengalami kemajuan yang signifikan, teknologi ini masih menghadapi beberapa tantangan umum. Masa pakai sensor membatasi penerapannya di bidang tertentu. Misalnya, masa pakai sensor semikonduktor sekitar 2 hingga 3 tahun, sensor gas elektrokimia sekitar 1 hingga 2 tahun karena kehilangan elektrolit, sedangkan sensor elektrokimia elektrolit padat dapat mencapai 5 tahun. Selain itu, masalah pergeseran (perubahan respons sensor dari waktu ke waktu) dan masalah konsistensi (perbedaan kinerja antar sensor dalam batch yang sama) juga merupakan faktor penting yang membatasi penerapan sensor gas secara luas. Menanggapi masalah ini, para peneliti, di satu sisi, berkomitmen untuk meningkatkan material dan proses manufaktur yang sensitif terhadap gas, dan di sisi lain, mereka mengkompensasi atau menekan pengaruh pergeseran sensor pada hasil pengukuran dengan mengembangkan algoritma pemrosesan data yang canggih.
Beragamnya skenario aplikasi sensor gas.
Teknologi sensor gas telah meresap ke setiap aspek kehidupan sosial. Skenario aplikasinya telah lama melampaui cakupan pemantauan keselamatan industri tradisional dan dengan cepat berkembang ke berbagai bidang seperti kesehatan medis, pemantauan lingkungan, rumah pintar, dan keamanan pangan. Tren aplikasi yang beragam ini tidak hanya mencerminkan kemungkinan yang dibawa oleh kemajuan teknologi tetapi juga mewujudkan meningkatnya permintaan sosial akan deteksi gas.
Keselamatan industri dan pemantauan gas berbahaya
Di bidang keselamatan industri, sensor gas memainkan peran yang tak tergantikan, terutama di industri berisiko tinggi seperti teknik kimia, perminyakan, dan pertambangan. “Rencana Lima Tahun ke-14 Tiongkok untuk Produksi Bahan Kimia Berbahaya yang Aman” secara jelas mewajibkan kawasan industri kimia untuk membangun sistem pemantauan dan peringatan dini yang komprehensif untuk gas beracun dan berbahaya serta mendorong pembangunan platform pengendalian risiko cerdas. “Rencana Aksi Keselamatan Kerja Internet Industri Plus” juga mendorong kawasan industri untuk menerapkan sensor Internet of Things dan platform analisis AI untuk mencapai pemantauan waktu nyata dan respons terkoordinasi terhadap risiko seperti kebocoran gas. Orientasi kebijakan ini telah sangat mendorong penerapan sensor gas di bidang keselamatan industri.
Sistem pemantauan gas industri modern telah mengembangkan berbagai jalur teknis. Teknologi pencitraan awan gas memvisualisasikan kebocoran gas dengan menampilkan massa gas secara visual sebagai perubahan tingkat keabu-abuan piksel dalam gambar. Kemampuan deteksinya terkait dengan faktor-faktor seperti konsentrasi dan volume gas yang bocor, perbedaan suhu latar belakang, dan jarak pemantauan. Teknologi spektroskopi inframerah transformasi Fourier dapat memantau secara kualitatif dan semi-kuantitatif lebih dari 500 jenis gas termasuk gas anorganik, organik, beracun, dan berbahaya, serta dapat memindai 30 jenis gas secara bersamaan. Teknologi ini cocok untuk kebutuhan pemantauan gas yang kompleks di kawasan industri kimia. Teknologi-teknologi canggih ini, jika dikombinasikan dengan sensor gas tradisional, membentuk jaringan pemantauan keselamatan gas industri multi-level.
Pada tingkat implementasi spesifik, sistem pemantauan gas industri perlu mematuhi serangkaian standar nasional dan internasional. Standar Desain untuk Deteksi dan Alarm Gas Mudah Terbakar dan Beracun di Industri Petrokimia Tiongkok, GB 50493-2019 dan Spesifikasi Teknis Umum untuk Pemantauan Keselamatan Sumber Bahaya Utama Bahan Kimia Berbahaya, AQ 3035-2010, menyediakan spesifikasi teknis untuk pemantauan gas industri. Secara internasional, OSHA (Administrasi Keselamatan dan Kesehatan Kerja Amerika Serikat) telah mengembangkan serangkaian standar deteksi gas, yang mewajibkan deteksi gas sebelum operasi di ruang tertutup dan memastikan bahwa konsentrasi gas berbahaya di udara berada di bawah tingkat aman 610. Standar NFPA (Asosiasi Perlindungan Kebakaran Nasional Amerika Serikat), seperti NFPA 72 dan NFPA 54, mengajukan persyaratan khusus untuk deteksi gas mudah terbakar dan gas beracun 610.
Kesehatan medis dan diagnosis penyakit
Bidang medis dan kesehatan menjadi salah satu pasar aplikasi yang paling menjanjikan untuk sensor gas. Gas yang dihembuskan tubuh manusia mengandung sejumlah besar biomarker yang berkaitan dengan kondisi kesehatan. Dengan mendeteksi biomarker ini, skrining dini dan pemantauan penyakit secara berkelanjutan dapat dicapai. Perangkat deteksi aseton pernapasan genggam yang dikembangkan oleh tim Dr. Wang Di dari Pusat Penelitian Persepsi Super Laboratorium Zhejiang adalah contoh tipikal dari aplikasi ini. Perangkat ini menggunakan teknologi kolorimetri untuk mengukur kandungan aseton dalam napas yang dihembuskan manusia dengan mendeteksi perubahan warna bahan sensitif gas, sehingga mencapai deteksi diabetes tipe 1 yang cepat dan tanpa rasa sakit.
Ketika kadar insulin dalam tubuh manusia rendah, tubuh tidak mampu mengubah glukosa menjadi energi dan malah memecah lemak. Sebagai salah satu produk sampingan setelah pemecahan lemak, aseton dikeluarkan dari tubuh melalui pernapasan. Dr. Wang Di menjelaskan 1. Dibandingkan dengan tes darah tradisional, metode tes napas ini menawarkan pengalaman diagnostik dan terapeutik yang lebih baik. Selain itu, tim sedang mengembangkan sensor aseton tempel "pelepasan harian". Perangkat yang dapat dikenakan dengan biaya rendah ini dapat secara otomatis mengukur gas aseton yang dikeluarkan dari kulit sepanjang waktu. Di masa depan, jika dikombinasikan dengan teknologi kecerdasan buatan, alat ini dapat membantu dalam diagnosis, pemantauan, dan panduan pengobatan diabetes.
Selain diabetes, sensor gas juga menunjukkan potensi besar dalam pengelolaan penyakit kronis dan pemantauan penyakit pernapasan. Kurva konsentrasi karbon dioksida merupakan dasar penting untuk menilai status ventilasi paru-paru pasien, sementara kurva konsentrasi penanda gas tertentu mencerminkan tren perkembangan penyakit kronis. Secara tradisional, interpretasi data ini membutuhkan partisipasi staf medis. Namun, dengan dukungan teknologi kecerdasan buatan, sensor gas cerdas tidak hanya dapat mendeteksi gas dan menggambar kurva, tetapi juga menentukan tingkat perkembangan penyakit, sehingga sangat mengurangi beban kerja staf medis.
Di bidang perangkat wearable kesehatan, aplikasi sensor gas masih dalam tahap awal, tetapi prospeknya luas. Para peneliti dari Zhuhai Gree Electric Appliances menunjukkan bahwa meskipun peralatan rumah tangga berbeda dari perangkat medis dengan fungsi diagnosis penyakit, di bidang pemantauan kesehatan rumah tangga sehari-hari, rangkaian sensor gas memiliki keunggulan seperti biaya rendah, non-invasif, dan miniaturisasi, sehingga diharapkan akan semakin banyak muncul di peralatan rumah tangga seperti peralatan perawatan mulut dan toilet pintar sebagai solusi pemantauan tambahan dan pemantauan waktu nyata. Dengan meningkatnya permintaan akan kesehatan rumah tangga, pemantauan status kesehatan manusia melalui peralatan rumah tangga akan menjadi arah penting bagi pengembangan rumah pintar.
Pemantauan lingkungan dan pencegahan serta pengendalian polusi.
Pemantauan lingkungan adalah salah satu bidang di mana sensor gas paling banyak diterapkan. Seiring dengan meningkatnya penekanan global pada perlindungan lingkungan, permintaan untuk memantau berbagai polutan di atmosfer juga meningkat dari hari ke hari. Sensor gas dapat mendeteksi gas berbahaya seperti karbon monoksida, sulfur dioksida, dan ozon, sehingga menyediakan alat yang efektif untuk memantau kualitas udara lingkungan.
Sensor gas elektrokimia UGT-E4 dari British Gas Shield Company merupakan produk unggulan di bidang pemantauan lingkungan. Sensor ini dapat mengukur secara akurat kandungan polutan di atmosfer dan memberikan dukungan data yang tepat waktu dan akurat bagi departemen perlindungan lingkungan. Sensor ini, melalui integrasi dengan teknologi informasi modern, telah mencapai fungsi-fungsi seperti pemantauan jarak jauh, pengunggahan data, dan alarm cerdas, yang secara signifikan meningkatkan efisiensi dan kemudahan deteksi gas. Pengguna dapat melacak perubahan konsentrasi gas kapan saja dan di mana saja hanya melalui ponsel atau komputer mereka, memberikan dasar ilmiah untuk pengelolaan dan pembuatan kebijakan lingkungan.
Dalam hal pemantauan kualitas udara dalam ruangan, sensor gas juga memainkan peran penting. Standar EN 45544 yang dikeluarkan oleh Komite Standardisasi Eropa (EN) secara khusus ditujukan untuk pengujian kualitas udara dalam ruangan dan mencakup persyaratan pengujian untuk berbagai gas berbahaya 610. Sensor karbon dioksida, sensor formaldehida, dan lain-lain yang umum di pasaran banyak digunakan di hunian sipil, gedung komersial, dan tempat hiburan umum, membantu masyarakat menciptakan lingkungan dalam ruangan yang lebih sehat dan nyaman. Terutama selama pandemi COVID-19, ventilasi dan kualitas udara dalam ruangan telah mendapat perhatian yang belum pernah terjadi sebelumnya, yang semakin mendorong pengembangan dan penerapan teknologi sensor terkait.
Pemantauan emisi karbon merupakan arah aplikasi baru yang berkembang untuk sensor gas. Dengan latar belakang netralitas karbon global, pemantauan gas rumah kaca seperti karbon dioksida secara tepat menjadi sangat penting. Sensor karbon dioksida inframerah memiliki keunggulan unik di bidang ini karena presisinya yang tinggi, selektivitas yang baik, dan masa pakai yang lama. “Pedoman Pembangunan Platform Pengendalian Risiko Keselamatan Cerdas di Kawasan Industri Kimia” di Tiongkok telah mencantumkan pemantauan gas yang mudah terbakar/beracun dan analisis penelusuran sumber kebocoran sebagai isi konstruksi wajib, yang mencerminkan penekanan kebijakan pada peran pemantauan gas di bidang perlindungan lingkungan.
Rumah Pintar dan Keamanan Pangan
Rumah pintar merupakan pasar aplikasi konsumen yang paling menjanjikan untuk sensor gas. Saat ini, sensor gas terutama diterapkan pada peralatan rumah tangga seperti pembersih udara dan pendingin udara. Namun, dengan diperkenalkannya susunan sensor dan algoritma cerdas, potensi aplikasinya dalam skenario seperti pengawetan, memasak, dan pemantauan kesehatan secara bertahap mulai dieksplorasi.
Dalam hal pengawetan makanan, sensor gas dapat memantau bau tidak sedap yang dilepaskan oleh makanan selama penyimpanan untuk menentukan kesegaran makanan. Hasil penelitian terbaru menunjukkan bahwa baik menggunakan sensor tunggal untuk memantau konsentrasi bau atau menggunakan rangkaian sensor gas yang dikombinasikan dengan metode pengenalan pola untuk menentukan kesegaran makanan, efek yang baik telah tercapai. Namun, karena kompleksitas skenario penggunaan lemari es yang sebenarnya (seperti gangguan dari pengguna yang membuka dan menutup pintu, menghidupkan dan mematikan kompresor, dan sirkulasi udara internal, dll.), serta pengaruh timbal balik dari berbagai gas volatil dari bahan makanan, masih ada ruang untuk peningkatan akurasi penentuan kesegaran makanan.
Aplikasi memasak merupakan skenario penting lainnya untuk sensor gas. Terdapat ratusan senyawa gas yang dihasilkan selama proses memasak, termasuk partikulat, alkana, senyawa aromatik, aldehida, keton, alkohol, alkena, dan senyawa organik volatil lainnya. Dalam lingkungan yang kompleks seperti itu, susunan sensor gas menunjukkan keunggulan yang lebih jelas daripada sensor tunggal. Studi menunjukkan bahwa susunan sensor gas dapat digunakan untuk menentukan status memasak makanan berdasarkan selera pribadi, atau sebagai alat pemantauan diet tambahan untuk secara teratur melaporkan kebiasaan memasak kepada pengguna. Namun, faktor lingkungan memasak seperti suhu tinggi, asap masakan, dan uap air dapat dengan mudah menyebabkan sensor "tercemar", yang merupakan masalah teknis yang perlu diatasi.
Di bidang keamanan pangan, penelitian tim Wang Di telah menunjukkan potensi nilai aplikasi sensor gas. Mereka bertujuan untuk "mengidentifikasi puluhan gas secara bersamaan dengan perangkat kecil yang terpasang di ponsel", dan berkomitmen untuk membuat informasi keamanan pangan mudah diakses. Perangkat penciuman terintegrasi tinggi ini dapat mendeteksi komponen volatil dalam makanan, menentukan kesegaran dan keamanan makanan, serta memberikan referensi waktu nyata bagi konsumen.
Tabel: Objek Deteksi Utama dan karakteristik teknis sensor gas di berbagai bidang aplikasi
Bidang aplikasi, objek deteksi utama, jenis sensor yang umum digunakan, tantangan teknis, tren pengembangan
Keamanan industri, gas mudah terbakar, gas beracun tipe pembakaran katalitik, tipe elektrokimia, toleransi lingkungan yang keras, pemantauan sinkron multi-gas, pelacakan sumber kebocoran.
Aseton medis dan kesehatan, CO₂, VOC tipe semikonduktor, selektivitas dan sensitivitas tipe kolorimetri, perangkat yang dapat dikenakan dan diagnosis cerdas.
Penyebaran jaringan stabilitas jangka panjang dan transmisi data waktu nyata untuk pemantauan lingkungan terhadap polutan udara dan gas rumah kaca dalam bentuk inframerah dan elektrokimia.
Sensor gas mudah menguap pada makanan di rumah pintar, sensor asap masakan tipe semikonduktor, dan kemampuan anti-interferensi PID.
Silakan hubungi Honde Technology Co., LTD.
Email: info@hondetech.com
Situs web perusahaan:www.hondetechco.com
Telp: +86-15210548582
Waktu posting: 11 Juni 2025