熔体传感器

近日，国内高精度光学气体传感器及系统解决方案提供商武汉敢为科技宣布完成新一轮数千万融资，本轮融资由上海锦冠投资、山西永昌盛、武汉达益能和泉州申远川共同投资完成。　　据了解，敢为科技成立于2013年，是一家以高精度光学气体传感器为核心的面向碳监测、能源安全监测等领域提供数字化系统解决方案的国家级高新技术企业。　　作为一家高精度光学气体传感器及系统解决方案提供商，敢为科技主要产品包括针对碳监测领域的污染源/环境空气温室气体监测系统、能源安全监测领域的变压器油中溶解气体监测系统、绝缘开关柜分解产物监测系统等，以及智能化、数字化系统软件平台。主要应用于环保、煤炭开采、油气勘探以及能源安全等领域。公司研发团队主要由国内顶尖的光学工程、计算机等专业的博士、硕士组成。　　在过去的三年，敢为科技凭借在高精度光学气体传感器及系统方面的领先优势，实现连续三年营收成倍增长 并进一步加大了高精度光学气体传感器的核心关键器件的研发，使高精度光学气体传感器的国产化程度达到90%以上 同时面向终端客户提供整体解决方案，尤其是在碳排放监测、能源安全监测等领域逐步实现“硬件+软件平台+数据服务”的新发展模式。　　在产能方面，公司的全资子公司---敢为科技(江苏)有限公司以及武汉东湖高新科创中心生产基地，总生产面积4000余平米先后投入生产运营。新的生产线更加标准化、规范化、智能化及数字化，从工艺升级、成品率提升等方面保障产品的规模化生产，年产值将突破1亿元。　　据敢为科技创始人，华中科技大学光电信息工程张俊龙博士介绍，新一轮融资完成之后，敢为科技会将本轮融资主要用于公司自动化产线的扩建、关键光学器件的持续研发，以及公司在数字化能源安全监测、碳排放监测等领域市场的拓展，为各个领域提供高精度气体检测解决方案。

所谓气体传感器，是指用于探测在一定区域范围内是否存在特定气体和/或能连续测量气体成分浓度的传感器。在煤矿、石油、化工、市政、医疗、交通运输、家庭等安全防护方面，气体传感器常用于探测可燃、易燃、有毒气体的浓度或其存在与否，或氧气的消耗量等。气体传感器主要用于针对某种特定气体进行检测，测量该气体在传感器附近是否存在，或在传感器附近空气中的含量。因此，在安全系统中，气体传感器通常都是不可或缺的。从工作原理、特性分析到测量技术，从所用材料到制造工艺，从检测对象到应用领域，都可以构成独立的分类标准，衍生出一个个纷繁庞杂的分类体系，尤其在分类标准的问题上目前还没有统一，要对其进行严格的系统分类难度颇大。气体传感器的分类从检测气体种类上，通常分为可燃气体传感器（常采用催化燃烧式、红外、热导、半导体式）、有毒气体传感器（一般采用电化学、金属半导 体、光离子化、火焰离子化式）、有害气体传感器（常采用红外、紫外等）、氧气（常采用顺磁式、氧化锆式）等其它类传感器。从使用方法上，通常分为便携式气体传感器和固定式气体传感器。从获得气体样品的方式上，通常分为扩散式气体传感器（即传感器直接安装在被测对象环境中，实测气体通过自然扩散与传感器检测元件直接接触）、吸入式气体传感器（是指通过使 用吸气泵等手段，将待测气体引入传感器检测元件中进行检测。根据对被测气体是否稀释，又可细分为完全吸入式和稀释式等）。从分析气体组成上，通常分为单一式气体传感器（仅对特定气体进行检测）和复合式气体传感器（对多种气体成分进行同时检测）。按传感器检测原理，通常分为热学式气体传感器、电化学式气体传感器、磁学式气体传感器、光学式气体传感器、半导体式气体传感器、气相色谱式气体传感器等。先来了解一下气体传感器的特性：1、稳定性稳定性是指传感器在整个工作时间内基本响应的稳定性，取决于零点漂移和区间漂移。零点漂移是指在没有目标气体时，整个工作时间内传感器输出响应的变化。区间漂移是指传感器连续置于目标气体中的输出响应变化，表现为传感器输出信号在工作时间内的降低。理想情况下，一个传感器在连续工作条件下，每年零点漂移小于10%。2、灵敏度灵敏度是指传感器输出变化量与被测输入变化量之比，主要依赖于传感器结构所使用的技术。大多数气体传感器的设计原理都采用生物化学、电化学、物理和光学。首先要考虑的是选择一种敏感技术，它对目标气体的阀限制或爆炸限的百分比的检测要有足够的灵敏性。3、选择性选择性也被称为交叉灵敏度。可以通过测量由某一种浓度的干扰气体所产生的传感器响应来确定。这个响应等价于一定浓度的目标气体所产生的传感器响应。这种特性在追踪多种气体的应用中是非常重要的，因为交叉灵敏度会降低测量的重复性和可靠性，理想传感器应具有高灵敏度和高选择性。4、抗腐蚀性抗腐蚀性是指传感器暴露于高体积分数目标气体中的能力。在气体大量泄漏时，探头应能够承受期望气体体积分数10~20倍。在返回正常工作条件下，传感器漂移和零点校正值应尽可能小。气体传感器的基本特征，即灵敏度、选择性以及稳定性等，主要通过材料的选择来确定。选择适当的材料和开发新材料，使气体传感器的敏感特性达到优。接下来是关于不同气体传感器的检测原理、特点和用途：一、半导体式气体传感器根据由金属氧化物或金属半导体氧化物材料制成的检测元件，与气体相互作用时产生表面吸附或反应，引起载流子运动为特征的电导率或伏安特性或表面电位变化而进行气体浓度测量的。从作用机理上可分为表面控制型（采用气体吸附于半导体表面而产生电导率变化的敏感元件）、表面电位型（采用 半导体吸附气体后产生表面电位或界面电位变化的气体敏感元件）、体积控制型（基于半导体与气体发生反应时体积发生变化，从而产生电导率变化的工作原理） 等。可以检测百分比浓度的可燃气体，也可检测ppm级的有毒有害气体。优点：结构简单、价格低廉、检测灵敏度高、反应速度快等。不足：测量线性 范围较小，受背景气体干扰较大，易受环境温度影响等。二、固体电解质气体传感器固体电解质是一种具有与电解质水溶液相同的离子导电特性的固态物质，当用作气体传感器时，它是一种电池。它无需使气体经过透气膜溶于电解液中，可以避免溶液蒸发和电极消耗等问题。由于这种传感器电导率高，灵敏度和选择性好，几乎在石化、环保、矿业、食品等各个领域都得到了广泛的应用，其重要性仅次于金属—氧化物一半导体气体传感器。这种传感器介于半导体气体传感器和电化学气体传感器之间，选择性、灵敏度高于半导体气体传感器，寿命长于电化学气体传感器，因此得到广泛应用。这种传感器的不足之处是响应时间过长。三、催化燃烧式气体传感器这种传感器实际上是基于铂电阻温度传感器的一种气体传感器，即在铂电阻表面制备耐高温催化剂层，在一定温度下，可燃气体在表面催化燃烧，因此铂电阻温度升高，导致电阻的阻值变化。由于催化燃烧式气体传感器铂电阻外通常由多孔陶瓷构成陶瓷珠包裹，因此这种传感器通常也被称为催化珠气体传感器。理论上这种传感器可以检测所有可以燃烧的气体，但实际应用中有很多例外。这种传感器通常可以用于检测空气中的甲烷、LPG、丙酮等可燃气体。四、电化学气体传感器电化学气体传感器是把测量对象气体在电极处氧化或还原而测电流，得出对象气体浓度的探测器。包含原电池型气体传感器、恒定电位电解池型气体传感器、浓差电池型气体传感器和极限电流型气体传感器。1、原电池型气体传感器（也称：加伏尼电池型气体传感器，也有称燃料电池型气体传感器，也有称自发电池型气体传感器），他们的原理行同我们用的干电池，只是，电池的碳锰电极被气体电极替代了。以氧气传感器为例，氧在阴极被还原，电子通过电流表流到阳极，在那里铅金属被氧化。电流的大小与氧气的浓度直接相关。这种传感器可以有效地检测氧气、二氧化硫等。2、恒定电位电解池型气体传感器，这种传感器用于检测还原性气体非常有效，它的原理与原电池型传感器不一样，它的电化学反应是在电流强制下发生的，是一种真正的库仑分析（根据电解过程中消耗的电量，由法拉第定律来确定被测物质含量）传感器。这种传感器用于：一氧化碳、硫化氢、氢气、氨气、肼、等气体的检测之中，是目前有毒有害气体检测的主流传感器。3、浓差电池型气体传感器，具有电化学活性的气体在电化学电池的两侧，会自发形成浓差电动势，电动势的大小与气体的浓度有关，这种传感器实例就是汽车用氧气传感器、固体电解质型二氧化碳传感器。4、极限电流型气体传感器，有一种测量氧气浓度的传感器利用电化池中的极限电流与载流子浓度相关的原理制备氧（气）浓度传感器，用于汽车的氧气检测，和钢水中氧浓度检测。主要优点：体积小，功耗小，线性和重复性较好，分辨率一般可以达到0.1ppm，寿命较长。主要不足：易受干扰，灵敏度受温度变化影响较大。五、PID——光离子化气体传感器PID由紫外光源和气室构成。紫外发光原理与日光灯管相同，只是频率高，能量大。被测气体到达气室后，被紫外灯发射的紫外光电离产生电荷流，气体浓度和电荷流的大小正相关，测量电荷流即可测得气体浓度。可以检测从10ppb到较高浓度的10000ppm的挥发性有机物和其他有毒气体。许多有害物质都含有挥发性有机化合物，PID对挥发性有机化合物灵敏度很高。六、热学式气体传感器热学式气体传感器主要有热导式和热化学式两大类。热导式是利用气体的热导率，通过对其中热敏元件电阻的变化来测量一种或几种气体组分浓度的。其在工业界的应用已有几十年的历史，其仪表类型较多，能分析的气体也较广泛。热化学式是基于被分析气体化学反应的热效应，其中广泛应用的是气体的氧化反应（即燃烧），其典型为催化燃烧式气体传感器，其主要工作原理是在一定温度下，一些金属氧化物半导体材料的电导率会跟随环境气体的成份变化而变化。其关键部件为涂有燃烧催化剂的惠斯通电桥，主要用于检测可燃气体，如煤气发生站、制气厂用来分析空气中的CO、H2 、C2H2等可燃气体，采煤矿井用于分析坑道中的CH4含量，石油开采船只分析现场漏泄的甲烷含量，燃料及化工原料保管仓库或原料车间分析空气中的石油蒸 气、酒精乙醚蒸气等。七、红外气体传感器一个完整的红外气体传感器由红外光源、光学腔体、红外探测器和信号调理电路构成。这种传感器利用气体对特定频率的红外光谱的吸收作用制成。红外光从发射端射向接收端，当有气体时，对红外光产生吸收，接收到的红外光就会减少，从而检测出气体含量。目前较先进的红外式采用双波长、双接收器，使检测更准确、可靠。优点：选择性好，只检测特定波长的气体，可以根据气体定制；采用光学检测方式，不易受有害气体的影响而中毒、老化；响应速度快、稳定性好；利用物理特性，没有化学反应，防爆性好；信噪比高，抗干扰能力强；使用寿命长；测量精度高。缺点：测量范围窄；怕灰尘、潮湿，现场环境要好，需要定期对反射镜面上的灰尘进行清洁维护；现场有气流时无法检测；价格较高。八、磁学式气体分析传感器在磁学式气体分析传感器中，常见的是利用氧气的高磁化特性来测量氧气浓度的磁性氧量分析传感器，利用的是空气中的氧气可以被强磁场吸引的原理。其氧量的测量范围宽，是一种十分有效的氧量测量传感器。常用的有热磁对流式氧量分析传感器（按构成方式不同，又可细分为测速热磁式、压力平衡热磁式）和磁力机械式氧量分析传感器。主要用途：用于氧气的检测，选择性极好，是磁性氧气分析仪的核心。其典型应用场合有化肥生 产、深冷空气分离、火电站燃烧系统、天然气制乙炔等工业生产中氧的控制和连锁，废气、尾气、烟气等排放的环保监测等。九、气相色谱式分析仪基于色谱分离技术和检测技术，分离并测定气样中各组分浓度，因此是全分析传感器。在发电厂锅炉试验中，已有应用。工作时，从进样装置定期采取一定容积的气样，在流量一定的纯净载气（即流动相）携带下，流经色谱柱，色谱柱中装有称为固定相的固体或液体，利用固定相对气样各组分的吸收或溶解能力的不同，使各组分在两相中反复进行分配，从而使各组分分离，并按时间先后流出色谱柱进入检测器进行定量测定。根据检测原理，气相色谱式分析仪又细分为浓度型检测器和质量型检测器两种。浓度型检测器测量的是气体中某组分浓度瞬间的变化，即检测器的响应值和组分的浓度成正比。质量型检测器测量的是气体中某组分进入检测器的速度变化，即检测器的响应值和单位时间进入检测器某组分的量成正比。常用的检测器有TCD热导检测器、FLD氢火焰离子化检测器、HCD电子捕获检测器、FPD火焰光度检测器等。优点：灵敏度高，适合于微量和痕量分析，能分析复杂的多相分气体。不足：定期取样不能实现连续进样分析，系统较为复杂，多用于 试验室分析用，不太适合工业现场气体监测。十、其他气体传感器1.超声波气体探测器这种气体探测器比较特殊，其原理是当气体通过很小的泄漏孔从高压端向低压端泄漏时，就会形成湍流，产生振动。典型的湍流气流会在差压高于0.2MPa时变成因素，超过0.2MPa就会产生超声波。湍流分子互相碰撞产生热能和振动。热能快速分散，但振动会被传送到相当远的距离。超声波探测器就是通过接收超声波判断是否有空气泄漏。这类探测器通常用于石油和天然气平台、发电厂燃气轮机、压缩机以及其它户外管道。2.磁氧分析仪这种气体分析仪是基于氧气的磁化率远大于其他气体磁化率这一物理现象，测量混合气体中氧气的一种物理气体分析设备。这种设备适合自动检测各种工业气体中的氧气含量，只能用于氧气检测，选择性极好。

今天，我们的生活高度依赖传感器。传感器作为人类“五感”的延伸，去感知这个世界，甚至可以观察到人体感知不到的细节，这种能力也是未来智能化社会所必须的。不过，单个传感器的性能再卓越，在很多场景中还是无法满足人们要求。比如汽车中昂贵的激光雷达可以根据生成的点云，判断出前方有障碍物，但想准确得知这个障碍物是什么，还需要车载摄像头帮忙“看”一眼；如果想感测这个物体的运动状态，可能还需要毫米波雷达来助阵。这个过程就好比我们熟悉的“盲人摸象”，每个传感器基于自己的特性和专长，只能看到被测对象的某一个方面的特征，而只有将所有特征信息都综合起来，才能够形成更为完整而准确的洞察。这种将多个传感器整合在一起来使用的方法，就是所谓的“传感器融合”。对于传感器融合，一个比较严谨的定义是：利用计算机技术将来自多传感器或多源的信息和数据，在一定的准则下加以自动分析和综合，以完成所需要的决策和估计而进行的信息处理过程。这些作为数据源的传感器可以是相同的（同构），也可以是不同的（异构），但它们并不是简单地堆砌在一起，而是要从数据层面进行深度地融合。实际上，传感器融合的例子在我们生活中已经屡见不鲜。归纳起来，使用传感器融合技术的目的主要有三类：●获得全局性的认知。单独一个传感器功能单一或性能不足，加在一起才能完成一个更高阶的工作。比如我们熟悉的9轴MEMS运动传感器单元，实际上就是3轴加速传感器、3轴陀螺仪和3轴电子罗盘（地磁传感器）三者的合体，通过这样的传感器融合，才能获得准确的运动感测数据，进而在高端VR或其他应用中为用户提供逼真的沉浸式体验。●细化探测颗粒度。比如在地理位置的感知上，GPS等卫星定位技术，探测精度在十米左右且在室内无法使用，如果我们能够将Wi-Fi、蓝牙、UWB等局域定位技术结合进来，或者增加MEMS惯性单元，那么对于室内物体的定位和运动监测精度就能实现数量级的提升。●实现安全冗余。这方面，自动驾驶是最典型的例子，各个车载传感器获取的信息之间必须互为备份、相互印证，才能做到真正的安全无虞。比如当自动驾驶级别提升到L3以上时，就会在车载摄像头的基础上引入毫米波雷达，而到了L4和L5，激光雷达基本上就是标配了，甚至还会考虑将通过V2X车联网收集的数据融合进来。总之，传感器融合技术恰似一个“教练”，能够将性能各异的传感器捏合成一个团队，合而为一又相互取长补短，共同去赢得一场比赛。选定了需要融合的传感器，怎么融合则是下一步要考虑的问题。传感器融合的体系结构，按照融合的方式分为三种：●集中式：集中式传感器融合就是将各个传感器获得的原始数据，直接送至中央处理器进行融合处理，这样做的好处是精度高、算法灵活，但是由于需要处理的数据量大，对中央处理器的算力要求更高，还需要考虑到数据传输的延迟，实现难度大。●分布式：所谓分布式，就是在更靠近传感器端的地方，先对各个传感器获得的原始数据进行初步处理，然后再将结果送入中央处理器进行信息融合计算，得到最终的结果。这种方式对通信带宽的需求低、计算速度快、可靠性好，但由于会对原始数据进行过滤和处理，会造成部分信息的丢失，因此原理上最终的精度没有集中式高。●混合式：顾名思义，就是将以上两种方法相结合，部分传感器采用集中式融合方式，其他的传感器采用分布式融合方式。由于兼顾了集中式融合和分布式的优点，混合式融合框架适应能力较强，稳定性高，但是整体的系统结构会更复杂，在数据通信和计算处理上会产生额外的成本。对于传感器融合方案，还有一种按照数据信息处理阶段进行分类的思路。一般来说，数据的处理要经过获取数据、特征提取、识别决策三个层级，在不同的层级进行信息融合，策略不同，应用场景不同，产生的结果也不同。按照这种思路，可以将传感器融合分为数据级融合、特征级融合和决策级融合。●数据级融合：就是在多个传感器采集数据完成后，就对这些数据进行融合。但是数据级融合处理的数据必须是由同一类传感器采集的，不能处理不同传感器采集的异构数据。●特征级融合：从传感器所采集的数据中提取出能够体现监测对象属性的特征向量，在这个层级上对于监测对象特征做信息融合，就是特征级融合。这种方式之所以可行，是由于部分关键的特征信息，可以来代替全部数据信息。●决策级融合：在特征提取的基础上，进行一定的判别、分类，以及简单的逻辑运算，做出识别判断，在此基础上根据应用需求完成信息融合，进行较高级的决策，就是所谓的决策级融合。决策级融合一般都是应用导向的。如何选择传感器融合的策略和架构，没有一定之规，需要根据具体的实际应用而定，当然也需要综合算力、通信、安全、成本等方面的要素，做出正确的决策。不论是采用哪种传感器融合架构，你可能都会发现，传感器融合很大程度上是一个软件工作，主要的重点和难点都在算法上。因此，根据实际应用开发出高效的算法，也就成了传感器融合开发工作的重中之重。在优化算法上，人工智能的引入是传感器融合的一个明显发展趋势。通过人工神经网络，可以模仿人脑的判断决策过程，并具有持续学习进化的可扩展能力，这无疑为传感器融合的发展提供了加速度。虽然软件很关键，但是在传感器融合过程中，也并非没有硬件施展拳脚的机会。比如，如果将所有的传感器融合算法处理都放在主处理器上做，处理器的负荷会非常大，因此近年来一种比较流行的做法是引入传感器中枢（Sensor Hub），它可以在主处理器之外独立地处理传感器的数据，而无需主处理器参与。这样做，一方面可以减轻主处理器的负荷，另一方面也可以通过减少主处理器工作的时间降低系统功耗，这在可穿戴和物联网等功耗敏感型应用中，十分必要。有市场研究数据显示，对传感器融合系统的需求将从2017年的26.2亿美元增长到2023年的75.8亿美元，复合年增长率约为19.4％。可以预判，未来传感器融合技术和应用的发展将呈现出两个明显的趋势：●自动驾驶的驱动下，汽车市场将是传感器融合技术最重要的赛道，并将由此催生出更多的新技术和新方案。●此外，应用多元化的趋势也将加速，除了以往那些对于性能、安全要求较高的应用，在消费电子领域传感器融合技术将迎来巨大的发展空间。总之，传感器融合为我们洞察这个世界提供了更有效的方法，让我们远离“盲人摸象”般的尴尬，进而在这个洞察力的基础上，塑造更智能的未来。