Com o rápido desenvolvimento de tecnologias como a Internet das Coisas e a inteligência artificial, os sensores de gás, um importante dispositivo sensorial conhecido como os "cinco sentidos elétricos", estão abraçando oportunidades de desenvolvimento sem precedentes. Do monitoramento inicial de gases tóxicos e nocivos industriais à sua ampla aplicação em diagnósticos médicos, residências inteligentes, monitoramento ambiental e outras áreas, a tecnologia de sensores de gás está passando por uma profunda transformação, de uma função única para inteligência, miniaturização e multidimensionalidade. Este artigo analisará de forma abrangente as características técnicas, os avanços mais recentes em pesquisa e o status global de aplicação dos sensores de gás, com atenção especial às tendências de desenvolvimento na área de monitoramento de gás em países como China e Estados Unidos.
Características técnicas e tendências de desenvolvimento de sensores de gás
Como um conversor que converte a fração volumétrica de um gás específico no sinal elétrico correspondente, o sensor de gás tornou-se um componente indispensável e importante na moderna tecnologia de sensoriamento. Este tipo de equipamento processa amostras de gás por meio de cabeçotes de detecção, geralmente incluindo etapas como filtragem de impurezas e gases interferentes, tratamento por secagem ou refrigeração e, por fim, a conversão das informações de concentração de gás em sinais elétricos mensuráveis. Atualmente, existem diversos tipos de sensores de gás no mercado, incluindo sensores semicondutores, eletroquímicos, de combustão catalítica, infravermelhos e fotoionizantes (PID), entre outros. Cada um deles possui características próprias e é amplamente utilizado em testes civis, industriais e ambientais.
Estabilidade e sensibilidade são os dois principais indicadores para avaliar o desempenho de sensores de gás. Estabilidade refere-se à persistência da resposta básica de um sensor ao longo de todo o seu tempo de trabalho, que depende do desvio de zero e do desvio de intervalo. Idealmente, para sensores de alta qualidade sob condições de trabalho contínuas, o desvio de zero anual deve ser inferior a 10%. Sensibilidade refere-se à razão entre a mudança na saída do sensor e a mudança na entrada medida. A sensibilidade de diferentes tipos de sensores varia significativamente, dependendo principalmente dos princípios técnicos e da seleção de materiais que adotam. Além disso, seletividade (ou seja, sensibilidade cruzada) e resistência à corrosão também são parâmetros importantes para avaliar o desempenho de sensores de gás. A primeira determina a capacidade de reconhecimento do sensor em um ambiente de gás misto, enquanto a segunda está relacionada à tolerância do sensor em gases alvo de alta concentração.
O desenvolvimento atual da tecnologia de sensores de gás apresenta diversas tendências óbvias. Em primeiro lugar, a pesquisa e o desenvolvimento de novos materiais e novos processos têm se aprofundado continuamente. Materiais semicondutores tradicionais de óxido metálico, como ZnO, SiO₂, Fe₂O₃, etc., tornaram-se maduros. Pesquisadores estão dopando, modificando e modificando a superfície de materiais existentes sensíveis a gases por meio de métodos de modificação química, aprimorando simultaneamente o processo de formação de filme para aumentar a estabilidade e a seletividade dos sensores. Ao mesmo tempo, o desenvolvimento de novos materiais, como materiais semicondutores compósitos e híbridos sensíveis a gases e materiais poliméricos sensíveis a gases, também está avançando ativamente. Esses materiais apresentam maior sensibilidade, seletividade e estabilidade a diferentes gases.
A inteligência dos sensores é outra importante direção de desenvolvimento. Com a aplicação bem-sucedida de novas tecnologias de materiais, como nanotecnologia e tecnologia de filme fino, os sensores de gás estão se tornando mais integrados e inteligentes. Ao alavancar totalmente tecnologias integradas multidisciplinares, como tecnologia micromecânica e microeletrônica, tecnologia de computação, tecnologia de processamento de sinais, tecnologia de sensores e tecnologia de diagnóstico de falhas, os pesquisadores estão desenvolvendo sensores de gás inteligentes digitais totalmente automáticos, capazes de monitorar simultaneamente múltiplos gases. Um sensor multivariável do tipo potencial de resistência química, recentemente desenvolvido pelo grupo de pesquisa do Professor Associado Yi Jianxin do Laboratório Estatal de Ciência do Fogo da Universidade de Ciência e Tecnologia da China, é um representante típico dessa tendência. Este sensor realiza a detecção tridimensional e a identificação precisa de múltiplos gases e características de incêndio por um único dispositivo 59.
A otimização de arranjos e algoritmos também está recebendo cada vez mais atenção. Devido ao problema de resposta de amplo espectro de um único sensor de gás, ele está sujeito a interferências quando múltiplos gases existem simultaneamente. O uso de múltiplos sensores de gás para formar um arranjo tornou-se uma solução eficaz para melhorar a capacidade de reconhecimento. Ao aumentar as dimensões do gás detectado, o arranjo de sensores pode obter mais sinais, o que é propício para avaliar mais parâmetros e melhorar a capacidade de julgamento e reconhecimento. No entanto, à medida que o número de sensores no arranjo aumenta, a complexidade do processamento de dados também aumenta. Portanto, a otimização do arranjo de sensores é particularmente importante. Na otimização de arranjos, métodos como coeficiente de correlação e análise de cluster são amplamente adotados, enquanto algoritmos de reconhecimento de gás, como Análise de Componentes Principais (PCA) e Redes Neurais Artificiais (RNA), melhoraram significativamente a capacidade de reconhecimento de padrões dos sensores.
Tabela: Comparação de desempenho dos principais tipos de sensores de gás
Tipo de sensor, princípio de funcionamento, vantagens e desvantagens, vida útil típica
A adsorção de gás do tipo semicondutor tem baixo custo na alteração da resistência dos semicondutores, resposta rápida, baixa seletividade e é muito afetada pela temperatura e umidade por 2 a 3 anos
O gás eletroquímico passa por reações REDOX para gerar corrente, que apresenta boa seletividade e alta sensibilidade. No entanto, o eletrólito apresenta desgaste limitado e vida útil de 1 a 2 anos (para eletrólito líquido).
A combustão catalítica de gases combustíveis causa mudanças de temperatura. É projetada especificamente para detecção de gases combustíveis e é aplicável apenas a gases combustíveis por aproximadamente três anos.
Os gases infravermelhos têm alta precisão na absorção de luz infravermelha de comprimentos de onda específicos, não causam envenenamento, mas têm um custo alto e um volume relativamente grande por 5 a 10 anos
A fotoionização (PID) por fotoionização ultravioleta para detecção de moléculas de gás de COVs tem alta sensibilidade e não consegue distinguir os tipos de compostos por 3 a 5 anos
Vale ressaltar que, embora a tecnologia de sensores de gás tenha feito progressos consideráveis, ela ainda enfrenta alguns desafios comuns. A vida útil dos sensores restringe sua aplicação em certos campos. Por exemplo, a vida útil dos sensores semicondutores é de aproximadamente 2 a 3 anos, a dos sensores eletroquímicos de gás é de cerca de 1 a 2 anos devido à perda de eletrólitos, enquanto a dos sensores eletroquímicos de eletrólitos de estado sólido pode chegar a 5 anos. Além disso, problemas de deriva (mudanças na resposta do sensor ao longo do tempo) e problemas de consistência (diferenças de desempenho entre sensores no mesmo lote) também são fatores importantes que restringem a ampla aplicação de sensores de gás. Em resposta a essas questões, os pesquisadores, por um lado, estão comprometidos em melhorar os materiais e os processos de fabricação sensíveis a gases e, por outro lado, estão compensando ou suprimindo a influência da deriva do sensor nos resultados de medição, desenvolvendo algoritmos avançados de processamento de dados.
Os cenários diversificados de aplicação de sensores de gás
A tecnologia de sensores de gás permeou todos os aspectos da vida social. Seus cenários de aplicação transcenderam há muito tempo o escopo tradicional do monitoramento de segurança industrial e estão se expandindo rapidamente para diversas áreas, como saúde, monitoramento ambiental, casas inteligentes e segurança alimentar. Essa tendência de aplicações diversificadas não apenas reflete as possibilidades trazidas pelo progresso tecnológico, mas também incorpora a crescente demanda social por detecção de gases.
Segurança industrial e monitoramento de gases perigosos
No campo da segurança industrial, os sensores de gás desempenham um papel insubstituível, especialmente em indústrias de alto risco, como engenharia química, petróleo e mineração. O "14º Plano Quinquenal para a Produção Segura de Produtos Químicos Perigosos" da China exige claramente que os parques industriais químicos estabeleçam um sistema abrangente de monitoramento e alerta precoce para gases tóxicos e nocivos e promovam a construção de plataformas inteligentes de controle de riscos. O "Plano de Ação para a Segurança do Trabalho da Internet Industrial Plus" também incentiva os parques a implantar sensores de Internet das Coisas e plataformas de análise de IA para obter monitoramento em tempo real e resposta coordenada a riscos como vazamento de gás. Essas orientações políticas têm promovido significativamente a aplicação de sensores de gás no campo da segurança industrial.
Os modernos sistemas de monitoramento de gases industriais desenvolveram uma variedade de rotas técnicas. A tecnologia de geração de imagens de nuvens de gás visualiza vazamentos de gás, apresentando visualmente as massas de gás como mudanças nos níveis de cinza dos pixels na imagem. Sua capacidade de detecção está relacionada a fatores como a concentração e o volume do gás vazado, a diferença de temperatura de fundo e a distância de monitoramento. A tecnologia de espectroscopia no infravermelho por transformada de Fourier pode monitorar qualitativa e semiquantitativamente mais de 500 tipos de gases, incluindo gases inorgânicos, orgânicos, tóxicos e nocivos, e pode escanear simultaneamente 30 tipos de gases. É adequada para os complexos requisitos de monitoramento de gases em parques industriais químicos. Essas tecnologias avançadas, quando combinadas com sensores de gás tradicionais, formam uma rede multinível de monitoramento de segurança de gases industriais.
No nível de implementação específica, os sistemas de monitoramento de gases industriais precisam estar em conformidade com uma série de padrões nacionais e internacionais. O "Padrão de Projeto para Detecção e Alarme de Gases Inflamáveis e Tóxicos na Indústria Petroquímica" da China GB 50493-2019 e a "Especificação Técnica Geral para Monitoramento de Segurança de Principais Fontes de Risco de Produtos Químicos Perigosos" AQ 3035-2010 fornecem especificações técnicas para monitoramento de gases industriais 26. Internacionalmente, a OSHA (Administração de Segurança e Saúde Ocupacional dos Estados Unidos) desenvolveu uma série de padrões de detecção de gases, exigindo a detecção de gases antes de operações em espaços confinados e garantindo que a concentração de gases nocivos no ar esteja abaixo do nível seguro de 610. Os padrões da NFPA (Associação Nacional de Proteção contra Incêndios dos Estados Unidos), como NFPA 72 e NFPA 54, apresentam requisitos específicos para a detecção de gases inflamáveis e gases tóxicos 610.
Saúde médica e diagnóstico de doenças
A área médica e da saúde está se tornando um dos mercados de aplicação mais promissores para sensores de gases. O gás exalado pelo corpo humano contém um grande número de biomarcadores relacionados a condições de saúde. A detecção desses biomarcadores permite o rastreamento precoce e o monitoramento contínuo de doenças. O dispositivo portátil de detecção de acetona na respiração, desenvolvido pela equipe do Dr. Wang Di, do Centro de Pesquisa de Super Percepção do Laboratório de Zhejiang, é um exemplo típico dessa aplicação. Este dispositivo utiliza uma tecnologia colorimétrica para medir o teor de acetona na respiração humana, detectando a mudança de cor de materiais sensíveis a gases, permitindo assim a detecção rápida e indolor do diabetes tipo 1.
Quando o nível de insulina no corpo humano está baixo, ele não consegue converter glicose em energia e, em vez disso, decompõe a gordura. Como um dos subprodutos da decomposição da gordura, a acetona é excretada do corpo pela respiração. O Dr. Wang Di explicou: 1. Comparado aos exames de sangue tradicionais, este método de teste respiratório oferece uma melhor experiência diagnóstica e terapêutica. Além disso, a equipe está desenvolvendo um sensor de acetona em adesivo de "liberação diária". Este dispositivo vestível de baixo custo pode medir automaticamente o gás acetona emitido pela pele 24 horas por dia. No futuro, quando combinado com a tecnologia de inteligência artificial, poderá auxiliar no diagnóstico, monitoramento e orientação medicamentosa para diabetes.
Além do diabetes, os sensores de gás também apresentam grande potencial no tratamento de doenças crônicas e no monitoramento de doenças respiratórias. A curva de concentração de dióxido de carbono é uma base importante para avaliar o estado da ventilação pulmonar dos pacientes, enquanto as curvas de concentração de certos marcadores de gás refletem a tendência de desenvolvimento de doenças crônicas. Tradicionalmente, a interpretação desses dados exigia a participação da equipe médica. No entanto, com o avanço da tecnologia de inteligência artificial, os sensores de gás inteligentes podem não apenas detectar gases e traçar curvas, mas também determinar o grau de desenvolvimento da doença, reduzindo significativamente a pressão sobre a equipe médica.
No campo de dispositivos vestíveis para a saúde, a aplicação de sensores de gás ainda está em estágio inicial, mas as perspectivas são amplas. Pesquisadores da Zhuhai Gree Electric Appliances apontaram que, embora os eletrodomésticos sejam diferentes dos dispositivos médicos com funções de diagnóstico de doenças, no campo do monitoramento diário da saúde em casa, os conjuntos de sensores de gás apresentam vantagens como baixo custo, não invasividade e miniaturização, o que os torna cada vez mais comuns em eletrodomésticos como aparelhos de higiene bucal e banheiros inteligentes, como soluções auxiliares de monitoramento e monitoramento em tempo real. Com a crescente demanda por saúde em casa, o monitoramento do estado de saúde humana por meio de eletrodomésticos se tornará uma direção importante para o desenvolvimento de casas inteligentes.
Monitoramento ambiental e prevenção e controle da poluição
O monitoramento ambiental é uma das áreas em que os sensores de gás são mais amplamente aplicados. À medida que a ênfase global na proteção ambiental continua a aumentar, a demanda pelo monitoramento de diversos poluentes na atmosfera também cresce a cada dia. Os sensores de gás podem detectar gases nocivos, como monóxido de carbono, dióxido de enxofre e ozônio, fornecendo uma ferramenta eficaz para monitorar a qualidade do ar.
O sensor eletroquímico de gás UGT-E4, da British Gas Shield Company, é um produto representativo na área de monitoramento ambiental. Ele pode medir com precisão o conteúdo de poluentes na atmosfera e fornecer suporte de dados oportuno e preciso para os departamentos de proteção ambiental. Este sensor, por meio da integração com a moderna tecnologia da informação, possui funções como monitoramento remoto, upload de dados e alarme inteligente, aumentando significativamente a eficiência e a conveniência da detecção de gases. Os usuários podem acompanhar as mudanças na concentração de gases a qualquer hora e em qualquer lugar, simplesmente por meio de seus celulares ou computadores, fornecendo uma base científica para a gestão ambiental e a formulação de políticas.
Em termos de monitoramento da qualidade do ar interno, os sensores de gás também desempenham um papel importante. A norma EN 45544, emitida pelo Comitê Europeu de Normalização (EN), é específica para testes de qualidade do ar interno e abrange os requisitos de teste para diversos gases nocivos (610). Sensores comuns de dióxido de carbono, sensores de formaldeído, etc., disponíveis no mercado são amplamente utilizados em residências civis, edifícios comerciais e locais de entretenimento público, ajudando as pessoas a criar um ambiente interno mais saudável e confortável. Especialmente durante a pandemia da COVID-19, a ventilação interna e a qualidade do ar receberam atenção sem precedentes, promovendo ainda mais o desenvolvimento e a aplicação de tecnologias de sensores relacionadas.
O monitoramento de emissões de carbono é uma direção de aplicação emergente para sensores de gás. Diante da neutralidade global de carbono, o monitoramento preciso de gases de efeito estufa, como o dióxido de carbono, tornou-se particularmente importante. Os sensores infravermelhos de dióxido de carbono apresentam vantagens únicas neste campo devido à sua alta precisão, boa seletividade e longa vida útil. As "Diretrizes para a Construção de Plataformas Inteligentes de Controle de Riscos de Segurança em Parques Industriais Químicos" na China listaram o monitoramento de gases combustíveis/tóxicos e a análise de rastreamento de fontes de vazamento como componentes obrigatórios da construção, o que reflete a ênfase do nível político no papel do monitoramento de gases no campo da proteção ambiental.
Casa Inteligente e Segurança Alimentar
Casas inteligentes representam o mercado de aplicações de consumo mais promissor para sensores de gás. Atualmente, os sensores de gás são aplicados principalmente em eletrodomésticos, como purificadores de ar e condicionadores de ar. No entanto, com a introdução de conjuntos de sensores e algoritmos inteligentes, seu potencial de aplicação em cenários como conservação, cozimento e monitoramento de saúde está sendo gradualmente explorado.
Em termos de conservação de alimentos, sensores de gás podem monitorar os odores desagradáveis liberados pelos alimentos durante o armazenamento para determinar seu frescor. Resultados de pesquisas recentes mostram que, tanto o uso de um único sensor para monitorar a concentração de odores quanto a adoção de um conjunto de sensores de gás combinados com métodos de reconhecimento de padrões para determinar o frescor dos alimentos, têm obtido bons resultados. No entanto, devido à complexidade dos cenários reais de uso de refrigeradores (como interferências causadas por usuários abrindo e fechando portas, ligando e desligando compressores, circulação de ar interna, etc.), bem como à influência mútua de vários gases voláteis presentes nos ingredientes alimentícios, ainda há espaço para melhorias na precisão da determinação do frescor dos alimentos.
Aplicações de cozimento são outro cenário importante para sensores de gás. Existem centenas de compostos gasosos produzidos durante o processo de cozimento, incluindo material particulado, alcanos, compostos aromáticos, aldeídos, cetonas, álcoois, alcenos e outros compostos orgânicos voláteis. Em um ambiente tão complexo, conjuntos de sensores de gás apresentam vantagens mais óbvias do que sensores individuais. Estudos mostram que conjuntos de sensores de gás podem ser usados para determinar o estado de cozimento de alimentos com base no gosto pessoal ou como uma ferramenta auxiliar de monitoramento alimentar para relatar regularmente os hábitos de cozimento aos usuários. No entanto, fatores do ambiente de cozimento, como alta temperatura, fumaça de cozimento e vapor d'água, podem facilmente causar o "envenenamento" do sensor, o que é um problema técnico que precisa ser resolvido.
Na área de segurança alimentar, a pesquisa da equipe de Wang Di demonstrou o potencial valor de aplicação dos sensores de gás. Eles visam "identificar dezenas de gases simultaneamente com um pequeno plugue de celular" e estão comprometidos em tornar as informações sobre segurança alimentar prontamente disponíveis. Este dispositivo olfativo de matriz altamente integrada pode detectar componentes voláteis em alimentos, determinar o frescor e a segurança dos alimentos e fornecer referências em tempo real para os consumidores.
Tabela: Principais objetos de detecção e características técnicas de sensores de gás em vários campos de aplicação
Campos de aplicação, principais objetos de detecção, tipos de sensores comumente usados, desafios técnicos, tendências de desenvolvimento
Gás combustível de segurança industrial, tipo de combustão catalítica de gás tóxico, tipo eletroquímico, tolerância a ambientes adversos, monitoramento síncrono de múltiplos gases, rastreamento de fonte de vazamento
Acetona médica e de saúde, CO₂, tipo semicondutor de COVs, seletividade e sensibilidade do tipo colorimétrico, diagnóstico vestível e inteligente
Implantação de rede de estabilidade de longo prazo e transmissão de dados em tempo real para monitoramento ambiental de poluentes atmosféricos e gases de efeito estufa em formas infravermelhas e eletroquímicas
Gás volátil para alimentos domésticos inteligentes, tipo semicondutor de fumaça de cozimento, capacidade anti-interferência PID
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Horário da publicação: 11/06/2025