综述：先进气体传感器及其智能感知应用研究进展

先进气体传感器具有高灵敏度、小型化、低成本及在线监测等优势，被广泛应用于工业安全、环境监测和医疗卫生等领域，并在多场景智能感知监测中发挥着重要作用。为了满足复杂场景下对多目标混合气体的高精度检测需求，研究人员在敏感材料、器件结构及人工智能算法等方面开展了诸多设计和探索，为先进气体传感器在复杂场景下的拓展应用奠定了理论基础。

据麦姆斯咨询报道，为了系统梳理和总结先进气体传感器相关研究成果，中国石油大学（华东）控制科学与工程学院张冬至教授团队针对该领域研究进行了综述分析，从敏感材料、器件结构及人工智能算法等方面介绍了先进气体传感器性能优化方法，着重阐述了其在石油化工、电力设备、民生健康、能源安全和矿井安全领域中的应用现状，并对其未来发展前景及趋势进行了展望。相关研究内容以“先进气体传感器及其智能感知应用研究进展”为题发表在《智能感知工程》期刊上。

先进气体传感器制造与性能分析

（1）敏感材料

敏感材料是决定先进气体传感器性能的核心所在，因此，提高敏感材料的性能至关重要。当前，研究人员提出了多种优化策略提升敏感材料的性能，例如贵金属掺杂法、离子注入法、分等级结构设计法等。

（2）器件结构

目前，先进气体传感器正从传统的烧结型、厚膜型结构转向与硅半导体工艺兼容的薄膜型结构。烧结型和厚膜型结构的气体传感器通常存在一致性和重复性差等问题。薄膜型结构通常基于MEMS制造工艺，通过溅射、蒸发和化学气相沉积等方式制备传感材料，再结合悬挂式或背面镂空式微热板进行研制，显著提高了传感器的长期稳定性和精确性。

（3）人工智能算法

智能化是先进气体传感器技术提升的重要标志之一。先进气体传感器不仅能够实时监测环境中的气体浓度，还具有良好的数据处理和分析能力。而人工智能算法的应用进一步提升了先进气体传感器的识别精度。基于智能感知系统对混合气体进行检测、分析和量化，可以有效解决高交叉敏感性和低选择性的问题，实现精准测量与智能化分析。

图1 先进气体传感器制造与性能

先进气体传感器的智能感知应用

（1）石油化工生产过程气体监测

在石油化工生产过程中，需要对LPG、CH₄、H₂S、H₂等多种气体进行感知监测；在气态污染物监测过程中，需要对NOx、SO₂等多种气体进行监测；在安全防护环节和设备运维中，需要对CO、HF等多种气体进行监测。为了能够更加精准监测不同环节中产生的气体，实现复杂环境下气体泄漏的全方位感知监测，研究人员研制出多种具有针对性的先进气体传感器，并提出将先进气体传感器、无线传感网络与智能算法相结合的方案，以增强对不同气体的监测能力。

图2 面向石油化工过程气体监测的智能感知应用

（2）电力设备故障特征气体监测

当电力设备出现老化、过载、短路或其他故障时，通常会产生多组分气体。先进气体传感器在电力关键设备的故障检测与预警中具有重要作用。通过监测电气设备故障特征气体种类和浓度的变化，能够及时发现和预测设备存在的潜在问题。例如，SF₆气体绝缘开关设备局部放电会导致SF₆分解产生SO₂F₂、SOF₂、SO₂气体；过热故障导致SF₆分解产生SO₂、SO₂F₂、CO、H₂S气体；油浸式变压器火花放电会导致变压器油降解产生H₂、C₂H₄气体；变压器油过热会产生CH₄、C₂H₄、CO气体。利用先进气体传感器监测电气设备故障产生的特征气体，能够实现电气设备故障早期检测与预警，降低设备故障发生率和运维成本，保障电力系统安全、稳定运行。此外，智能传感阵列集成技术可显著提升电力设备故障特征多组分气体监测的精准度和效率。基于多传感器融合技术，不同类型的气体传感器可同时检测多种故障特征气体。

图3 面向电力设备故障特征气体监测的智能感知应用

（3）民生健康疾病特征气体监测

人体呼出的挥发性有机化合物气体（VOCs）包含众多人体新陈代谢过程中生成的内源性化合物。例如，甲醛、丙酮和三甲胺分别为肺癌、糖尿病和肾脏疾病的生物标志物。先进气体传感器具有无创、经济高效、实时监测及适用于大规模疾病筛查等优点，在民生健康领域得到广泛应用。

图4 面向民生健康疾病特征气体监测的智能感知应用

（4）锂电池热失控特征气体监测

热失控是锂电池安全事故的共性特征，也是当前电化学储能系统安全的核心问题。在锂电池热失控“链式副反应”过程中，会产生H₂、CO、CO₂、CH₄、C₂H₄、EMC和DEC等气体，开展气体监测可实现热失控提前预警。此外，锂电池在局部过热、过充、机械滥用等状态下易引发电池热失控，气体监测成为锂电池故障早期预警的有效手段。智能气体传感阵列可同时监测多种气体，有效提升了锂电池热失控状态监测的准确性。利用数据融合和模式识别技术可快速识别气体模式并判断电池状态。

图5 面向锂电池热失控特征气体监测的智能感知应用

（5）煤炭矿井安全气体监测

在煤矿开采过程中，会产生由CH₄、CO、C₂H₄、C₂H₆、H₂S和SO₂等易燃、有毒和有害气体混合而成的瓦斯气体。若瓦斯浓度超标则会引发爆炸事故，对矿井和相关人员造成巨大损失。因此，建立快速、准确、高灵敏度的矿井多组分气体监测系统对于煤炭矿井安全生产意义重大。目前，针对煤炭矿井安全气体监测的高精度、高可靠性的气体传感器不断涌现。在地下矿井复杂多变的开采环境下，气敏阵列智能监测技术更具优势，能够有效识别并监测混合气体成分。此外，通过与智能算法相结合，气敏阵列智能监测技术能够实现对矿井气体的实时监测及预测。

图6 面向煤炭矿井安全气体监测的智能感知应用

结语

虽然先进气体传感器相关研究取得了长足进展，但在实际应用中仍面临挑战。未来，先进气体传感器发展方向如下：（1）高可靠性：研究先进气体传感器新材料与新机理，提高传感器抗湿度、温度等的能力；（2）微型化：采用MEMS技术进一步缩小传感器的尺寸，并集成多个传感器模块，实现芯片级封装；（3）智能化：将先进气体传感器与深度学习模型相融合，研发具有自诊断、远程监控和数据分析能力的智能先进气体传感器感知系统，提高监测效率和准确性。