工业传感器观察之环境传感器

随着近三十年来工业界数字革命的继续，传感器发展逐渐被推向引领新应用时代的前沿阵地。以当前大热的工业物联网（IIoT）应用为例，其尤为依赖于以传感输入和分析来为利益相关者驱动新的价值来源。

环境监测传感器作为物联网技术重要的数据采集入口，迎来了黄金发展期。日益庞大繁杂的数据需求，使得传感器数量从原来几十亿的总量扩大至百亿，甚至千亿颗的规模。从日常生活中的空气、水、土壤，到出行汽车、工业制造、化工能源生产等环境监测，都不能缺少环境传感器的使用。

在全球范围内的增长

据调研机构MarketsandMarkets发布的报告显示，2022年全球环境传感器市场规模为17亿美元，2023年约为18亿美元，预计在接下来的五年内，该数字将增长至30亿美元，在此期间内其复合年增长率高达11.0%。

造成环境传感器逐年增长的原因是什么呢？一方面是随着监测工业设施、住宅区和自然水体等各种环境情况需求的大幅增加，市场对环境传感器的需求也随之增长。以工业废水的排放为例，根据自然资源保护协会2022年的统计数据，约70%的河流和湖泊污染是由工业排放造成的，在环保政策的号召下，市场迫切需要有效的监测解决方案。此外，据联合国粮农组织的数据显示，80%的城市污水未经处理就被排入水体，工业每年向水体倾倒数百万吨的重金属、溶剂、有毒污泥和其他废物。随着人口增长和城市化加剧，居民区的污染问题也日益严重，实时水质监测对于保障人们的健康至关重要，这也为环境传感器的发展提供了更大的市场需求。

另一方面，随着消费电子产品、暖通空调和空气净化器等产品的普及，环境传感器在这些产品中的应用越来越广泛。消费电子产品，如智能手机、平板电脑和可穿戴设备，正越来越多地集成环境传感器。

环境传感器的性能取决于其输出信号的灵敏度、准确度和可靠性。当前，市面上的大多数环境传感器是电化学传感器，其电极由水性凝胶电解质（通常是硫酸）浸湿。当所探测的气体（比如一氧化碳：CO，或者硫化氢：H₂S）进入传感器内与电解质发生氧化或者浓度变化时，工作电极在催化剂作用下产生微弱电流。随后，电流经过与传感器相连接的放大器放大，从而显示目标区域的气体浓度，而极端温度会对传感器的使用寿命产生不利影响。因此，制造商通常将工作温度范围设定为-30°C至+50°C。然而，一些高质量的传感器能够承受超出这一限制的临时温度偏移。例如H₂S或CO传感器在60-65°C的温度下短时间暴露1-2小时是可以接受的，但长时间或反复暴露会导致电解液蒸发、基线读数偏移、响应速度减慢以及传感器效率降低等。因此，对于需要在极端温度环境下工作的应用，选择能够承受这些条件的传感器至关重要。

工业应用落地

多年来，环境传感器在工业车间应用中发挥着重要作用。然而，随着工厂自动化程度逐渐提升以及车间物联网的建设，对传感器的要求也越来越高。在工厂中，减少工业应用中的停工期是IIoT应用中客户体验和盈利能力的关键因素，因此准确可靠的传感器数据非常重要。

当前最新的传感器开发正受到物联网趋势的影响，例如小型化、数字化、传感器融合、低功耗和无线通讯技术的集成等。

状态监测系统旨在确定设备是否正常运行以及何时开始退化。通常，企业进行评估是为了识别重要设备以及常见的故障模式，这些信息之后可用于选择传感器来监测设备的特定元件，并提供用于确定潜在的机器退化和故障模式所需的数据。

以温湿度传感器为例，温度是普遍感应的环境参数，在状态监测和其他工业应用中起着关键作用。人们采用各种各样的技术来监测从定子绕组到轴承等一切元件的温度，温度是检测磨损、过载和其他可能导致设备过早出现故障和相应停机问题的关键。湿度感应与温度感应的结合，对一系列工业过程的控制和效率都至关重要，包括那些涉及油漆、溶剂和印刷用油墨的过程。

此外，员工舒适度和工作效率也是大多数工业设施的重要考虑因素。经证明，在指定范围内对湿度和温度进行监测和控制可以最大限度地提高工作效率并帮助员工保持健康。非接触式温度传感器（如红外热电堆）也用于体温扫描系统以帮助监测员工健康情况，以及旋转设备和其他无法与机械设备进行物理接触的应用。

在工厂中，选择适当的传感器技术来监测和检测潜在的故障模式，能确保延长工厂车间重要设备的正常运行时间。对工业传感器的运用以及正确的分析能预测机器故障、提高生产效率、降低维护成本和加强对工人的安全保护，从而缩短停工期。

图：环境传感器生态系统

发展趋势展望

据MarketsandMarkets在报告中预测，未来五年环境传感器市场可能存在以下趋势：

1）温度传感器将占据较大市场份额
这主要是由于人们对气候变化及其对各行各业影响的认知不断提高。随着工业、企业、商业、医疗健康甚至普通家庭都意识到精确温度监测对优化流程和提高生产率的重要性，温度传感器在各领域的应用不断拓展。此外，随着智能家居和智能城市倡议的兴起，温度传感器在高效能源管理和确保居民舒适度方面发挥着重要作用，进一步推动了温度传感器市场的增长。与此同时，技术进步也使得温度传感器更加经济实惠、小巧可靠，扩大了其应用范围。

2）应用于室内的环境传感器将出现较大增长
这一趋势背后的主要驱动力包括智能建筑的普及、物联网的集成以及对工作场所效率和安全的日益重视。随着企业和机构越来越认识到实时数据在优化运营、增强安全性以及改善整体用户体验方面的价值，他们对室内环境传感器的需求也在不断增长。这些传感器能够精确地跟踪环境参数、资产、员工和访客，从而有助于简化工作流程、优化资源利用，以及高效地管理应急响应。

此外，当前的数字化转型趋势正在推动室内技术与个性化客户体验、资产管理以及高效空间利用的结合。企业和机构正在不断投资智能技术，以提升其竞争优势和满足对室内环境智能解决方案不断升级的需求。

3）亚太地区市场增长最快
快速的城镇化和工业化很可能会导致污染水平和环境问题的增加。亚太地区各国政府正在实施严格的法规和举措来遏制污染，例如印度政府的国家清洁空气计划（NCAP）、韩国政府的细粉尘减排特别措施法和空气质量管理法、日本应对全球变暖法等，这些都增加了对先进环境传感器的需求。人们对气候变化及其对该地区各种生态系统影响的认识，也推动了对环境监测技术的投资。

此外，亚太地区的制造业、农业和医疗健康行业增长显著，需要精确的环境数据来实现高效运营。环境传感器在确保可持续农业实践、工业排放监测和医疗设施空气质量控制方面发挥着重要作用，推动了其在各行各业的应用。中国、印度和韩国等国智慧城市项目的快速推进进一步刺激了对环境传感器的需求。

2023年全年，环境传感器市场上的不少参与者都推出了新一代产品，例如德国博世传感（Bosch Sensortec GmbH）宣布推出世界上最微型的PM2.5空气质量传感器BMV080，和专为水下和恶劣条件等挑战性环境设计的气压传感器；瑞士盛思锐（Sensirion）公司宣布推出新型SEN54和SEN55环境传感器，集成到Grove的一体化传感器中，用于监测HVAC和空气质量应用中的室内空气质量参数。

（本文整理自MarketsandMarkets、《2021 高可靠性严苛环境连接性》）

来源：荣格-《智能制造纵横》

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