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气体传感器在智慧家庭、智能穿戴领域的应用

发布时间:2015-02-05 来源:智慧产品圈 责任编辑:xueqi

【导读】气体传感器作为传感器中的重要分支之一,适用面广,简单易用,在家用燃气检测、礼品、智能家电等领域大量应用,也是目前气体传感器中应用最为广泛的品种。那么,它在智慧家庭、智能穿戴等领域有哪些表现呢?
 
“台湾高雄的煤气爆炸事件造成了大量的人员伤亡和巨大的经济损失”、“新房装修有害气体导致孕妇腹中胎儿死亡”、“家中热水器洗澡导致一氧化碳中毒死亡”等事件已经频频发生,在现代技术给大家带来便利的同时如何确保使用的安全呢?这些情况下,气体传感器的合理应用能有效的避免悲剧的发生,它不仅能够检测出环境中的可燃气体,如氢气、甲烷等,还能检测有毒气体,如一氧化碳、氨气、硫化氢、二氧化硫、甲醛、苯、甲苯、二甲苯等,也能够检测二氧化碳、氧气等与人体舒适有关的无毒害气体,而酒精检测作为一个特殊的应用,在酒驾检测、特殊作业(高空作业、机车驾驶、医疗等)监测等领域应用广泛。
 
另外,气体传感器还广泛应用于工业、生活的各个领域,如石油、化工、钢铁、冶金、矿山、环保、市政、医疗、食品等诸多领域。近年来,随着互联网与物联网的高速发展,气体传感器在新兴的智能家居、可穿戴设备、智能移动终端等领域的应用突飞猛进,大幅扩展了应用空间,需求量也发生数量级的改变。展望气体传感器发展前景,日益多元的应用将创造更加庞大的市场规模。
 
根据统计数据显示,全球气体传感器出货量在2007年大概在2500万只,到2011年增长到3750万只左右,2014年出货量达到4400万只,每年增长趋势平稳。其中,在2014年的总销量中39%来自于日本和韩国,33%和11%分别来自于欧洲和美洲,而中国只占17%的市场份额,同时半导体传感器占据总销量的57%,电化学传感器占34%,而红外和催化只占9%左右。另外,随着MEMS技术的发展,气体传感器也在向微型化、集成化、智能化的方向发展转化,伴随智慧家庭和智能穿戴等潜力市场的成长,必然会给气体传感器带来新兴市场和爆发点。针对目前国内市场情况,拥有多年传感器工作经验的苏州能斯达电子科技有限公司副总经理祁明锋和项目经理岳浩一起做客《智慧产品圈》,分享气体传感器在IOT时代的发展和应用。
 
气体传感器应用
 
目前应用的气体传感器中,以半导体、电化学、催化燃烧、红外四大门类为主,其工作原理各异,功能特性各有优势,各种气体传感器既有其主导的应用领域,彼此又有交叉互容,相生相辅。半导体气体传感器适用面广,简单易用,在家用燃气检测、礼品、智能家电等领域大量应用,是目前气体传感器中应用最为广泛的品种。电化学气体传感器非常适合低浓度毒性气体检测,以及氧气和酒精等无毒气体的检测,目前主要应用在各种工业领域以及道路交通安全检测领域。催化燃烧式气体传感器适用于可燃气体检测,主要在煤矿领域检测瓦斯使用。红外气体传感器适用于检测甲烷、二氧化碳等气体,在目前的实际应用中以二氧化碳产品应用居多、范围更广,主要应用在暖通空调与室内空气质量监控、工业过程及安全防护监控、农业及畜牧业生产过程监控等领域。另外,细分领域的应用,祁总通过几个案例做了详细说明。
 
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针对新房装修的有害气体检测
 
新装修居室90%以上的有害气体都严重超标,以甲醛为例,新居初装完成时含量都在2.5ppm以上,有的高达十几甚至几十ppm(GBT18883-2002室内空气质量标准规定甲醛含量最高不超过0.1mk/m3,即0.074ppm)。中国每年有11万人死于室内空气污染,平均每天死亡304人。美国专家对室内空气污染造成哮喘病的调查显示,由于室内装修导致65%的儿童患有不同程的哮喘病。装修材料是有害气体的主要来源,诸如人造板材、夹心板、胶、漆、涂料、粘合剂、花岗岩、瓷砖及石膏等,这些材料均含有不同程度的甲醛、苯、氨、氡等污染物,零污染的装修材料是不存在的。所谓的国家环保材料,只是上述污染物在国家规定的允许范围之内。然而装修市场材料鱼目混珠,所有的销售商均称自己的材料达到国家环保标准,而消费者难辨真伪。
 
室内污染最大的受害者是儿童、孕妇、老人和慢性病人,特别是儿童更容易受到室内污染的危害。一方面,儿童的身体正在成长中,呼吸量按体重比比成人高50%;另一方面,儿童有80%以上的时间是生活在室内,受到污染伤害也不易发觉。如大家熟知的甲醛,主要来源于胶合板、粘合剂、油漆和涂料等装饰材料,长期接触会导致呼吸道疾病、新生婴儿染色体异常、白血病等,而苯主要由防水材料、油漆等材料散发出来,长时间接触会导致头痛、失眠、恶心,严重者甚至昏迷以致呼吸、循环衰竭而死亡。传统的做法是闲置新装修房子半年,并且保持室内通风,让有害气体完全挥发,然后再入住。但如此费时费力也只是可以降低危害,避过甲醛等危害最大的时段而已,并不能消除危险。
 
将气体传感器应用于家庭生活环境,针对甲醛、苯、甲苯等挥发性有机物(VOCs)添加独立的气体检测产品,或将气体传感器与空调、空气清新机、空气净化器等融为一体,达到内室污染检测与治理相结合的目的,既可对久居家中的老、弱、妇、孺等低抵抗力人群起到最大的保护作用,又可让在外拼搏的亲人安心。而今火爆的智能家居产品,之所以关注日益升温,除了安全舒适层面,亲情关爱想来也是其中重要原因之一。就家居应用特点而言,半导体气体传感器以响应恢复快、适用检测气体种类多、寿命长等优点脱颖而出,而电化学气体传感器则以灵敏度高、线性度等突出特点获得青睐。
 
 
针对室内空气的PM2.5粉尘检测
 
室内PM2.5主要来源于吸烟、炒菜时候的油烟以及不完全燃烧的煤气等情况,容易导致多种疾病,特别对于老人、儿童、婴儿或者是原本就有呼吸、心血管系统疾病的人伤害特别严重,例如造成主神经紊乱从而波及心脏或者直接到达心脏,引发心肌梗塞;引起血液系统毒性,导致血管疾病;附着很多重金属及多环芳烃等有害物体,可直接影响胎儿的发育等。传统的做法是开窗通风,在做饭时候使用抽油烟机强行排出粉尘气体。这些做法并不能确保室内空气的干净。
 
PM2.5粉尘传感器通过红外光在灰尘颗粒物的散射作用统计空气中的颗粒数量,可以灵敏检测直径1um以上的粒子,内置加热器可实现自动吸入空气,减少测量误差,并且体积小,易于安装使用。
 
针对新车室内空气&酒驾的检测
 
据调查,93.6%的新车室内空气污染严重超标,而车内空气污染源主要来自车体本身、装饰用材等,其中甲醛、二甲苯、苯等有毒物质污染后果最为严重,可能诱发癌变。另一种屡见报端的车内危害气体,是被称为“沉默的杀手”的一氧化碳,其主要来源是汽车发动机和汽车尾气,因停车时开启空调而产生,若聚集于车内时,车内人员会因吸入这种无色无味的毒气而在不觉中中毒身亡。采用适合的气体传感器,不仅可监测车内甲醛、二甲苯、苯等挥发性有机物,也可以监测车内一氧化碳浓度,起到安全预警的作用,提醒车主采取有效的改善措施,防止悲剧的发生。对于车内的使用需求,目前已有多款中高端车型配备了与空调系统联动的半导体气体传感器,而后装市场的车内气体污染检测产品更是品种繁多,不胜枚举。
 
 
在这些具体的应用案例中,气体传感器能够尽责的完成检测任务,给用户提供准确的数据参考。但是还不止于此,基于这些精确数据的联动才是未来的发展方向,例如检测到室内甲醛或PM2.5超标,可及时联动排气系统或者负氧离子设备,改善室内空气质量;检测到家中燃气泄漏时,及时关闭阀门,同时打开排气系统,并发出报警通知用户与控制中心;检测到车内污染物即启动空调换气系统,消除危害等。另外,如果互动系统完全是由一家企业提供,无论是空气检测标准,还是联动启动标准都是一致的,但当系统由不同企业设备,采用不同传感器组成时,检测标准、联动标准需要统一。而未来家居、可穿戴等智能化市场,用户更希望自由的选择厂商品牌设计。如此,如何建立统一的检测标准对任何一家传感器厂商都非常有意义。
 
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气体传感器技术
 
电化学式气体传感器:通常是由膜电极和电解液灌封而成,其具有灵敏度高、线性范围宽、稳定性好、能够实现定量检测(可用于ppm级)等优点。
 
 
半导体式气体传感器:利用一些金属氧化物半导体材料在一定温度下,电导率随环境气体成份变化而变化的原理制成。这类传感器适用范围广,寿命较长,价格较低,适宜民用气体检测需求。
 
 
传感器模组:最大程度的降低后端开发设计人员对传感器的认知要求,为后端开发人员快速上手、简化产品设计提供便利。
 
 
与传统传感器技术相比,基于MEMS技术生产的传感器拥有体积小、重量轻、能耗低、可靠性高、一致性好等特点,便于智能化应用和自动化生产。随着智能手机、智能穿戴设备的爆量增长,MEMS传感器的需求也在迅速增加。

总结
 
随着物联网的发展,市场对传感器的需求必然大增,但是技术性能要求也将会提高。目前,中国的气体传感器市场仍然存在不少问题,如行业整体实力不强、创新能力不足、恶性竞争严重等。这些都造成中国气体传感器技术相对落后,市面上大量的电化学气体传感器主要由霍尼韦尔、阿尔法、Dart等国外公司生产控制。另外,气体传感器数据输出标准各自为政,不愿开放合作也是严重阻碍IOT发展的因素之一。在未来IOT时代,中国必然是一个庞大的市场,同时也免不了“腥风血雨的厮杀”,只有开放合作才能实现共赢。
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