周　正，李　野

氣體傳感器在監(jiān)測室內體育場館空氣污染中的應用

周正1，李野2

提出氣體傳感器在監(jiān)測室內體育場館空氣污染中的應用價值，介紹氣體傳感器的主要分類、功能、特性與工作原理，為解決室內體育場館的空氣污染提供參考。

氣體傳感器；室內體育場館；空氣污染；監(jiān)測

隨著我國經濟的發(fā)展和人民生活水平的提高，人們對“運動有益健康”的認識在不斷加深，參加體育鍛煉的人數(shù)呈現(xiàn)顯著增長的趨勢。因此，不同類型的商業(yè)性室內健身場館應運而生，成為人們健身鍛煉的主要場所。健身鍛煉的效果，在很大程度上依賴于良好的環(huán)境衛(wèi)生狀況，室內健身場所空氣質量對鍛煉人群的身心健康起著舉足輕重的作用［1、2］。

環(huán)境衛(wèi)生學研究表明，室內體育場館的健身環(huán)境，特別是室內環(huán)境的空氣質量，對人體機能會產生較大的影響，尤其是在劇烈運動的情況下，空氣質量下降使人們被動地吸入較多的有害物質，誘發(fā)或加重呼吸和心血管系統(tǒng)疾病，從而直接危害人類的身體健康［3-5］。為了使健身的人們達到預期的鍛煉效果，我們有必要對室內體育場館中各種有毒、有害氣體進行實時監(jiān)測，為人們提供一個健康舒適的運動環(huán)境提供一定的保障。

1　氣體傳感器的概念和分類

1.1氣體傳感器的概念

體育場館內空氣污染的實時監(jiān)測對空氣監(jiān)測系統(tǒng)提出了更高的要求，以氣體傳感器為核心器件的空氣污染物監(jiān)測儀器長期以來承擔著監(jiān)測空氣環(huán)境的重要使命。氣體傳感器是一種可以將氣體的某些信息包括濃度和種類轉換成可以被操作人員、儀器儀表、計算機等利用的電、聲、光或者數(shù)字信息的裝置［6］，通常被安裝在監(jiān)測系統(tǒng)的探測頭內，監(jiān)測系統(tǒng)在現(xiàn)場采集空氣數(shù)據(jù)，通過氣體傳感器將氣體信號轉換成電信號，再通過串口通信，傳導到單片機中進行數(shù)據(jù)處理［7］。所以從本質上講，氣體傳感器是氣體監(jiān)測系統(tǒng)的核心，對氣體監(jiān)測系統(tǒng)起著決定性的作用。

1.2氣體傳感器的分類

氣體傳感器從檢測機理、測量技術、制造工藝到檢測對象和應用領域都可以構成獨立的分類標準。通常以檢測機理進行分類，主要可分為：半導體金屬氧化物氣體傳感器、光化學型氣體傳感器、固體電解質氣體傳感器、接觸燃燒式氣體傳感器等。

1.2.1半導體金屬氧化物氣體傳感器

半導體金屬氧化物氣體傳感器是以金屬氧化物半導體作為敏感材料制成的半導體傳感器，敏感材料在一定的條件下與被測氣體發(fā)生作用，使其電阻值隨著周圍所接觸氣體種類和濃度的不同而發(fā)生變化，從而實現(xiàn)對周圍氣體檢測的目的［8］。自從1962年，日本科學家Seiyama等人首先報道半導體金屬氧化物的氣敏特性以來，半導體金屬氧化物氣體傳感器以其操作簡單、選擇性好、攜帶方便等優(yōu)點，成為發(fā)展最快、應用最廣的一種氣體傳感器［9］。近年來，基于半導體金屬氧化物的氣體傳感器，其發(fā)展重點在于充分利用納米、薄膜等新材料制備技術開發(fā)高靈敏度、高選擇性及高穩(wěn)定性的氣敏材料。目前已經將半導體金屬氧化物氣體傳感器成功地應用于體育場館內甲醛、苯系物及CO的實時監(jiān)測中。

1.2.2光化學型氣體傳感器

光化學型氣體傳感器包括紅外吸收型、熒光型、光譜吸收型、光纖化學材料型等，主要以紅外吸收型氣體傳感器為主。紅外吸收型氣體傳感器是利用不同濃度或不同種類氣體的紅外吸收峰不同，通過測量和分析紅外吸收峰值大小來檢測不同氣體的類型及其濃度［10］。紅外吸收型氣體傳感器是目前最精確的氣體探測儀器之一，具有極低的誤報警率、很高的靈敏度、良好的穩(wěn)定性和選擇性，在體育場館內二氧化碳的監(jiān)測中得到了廣泛的應用。采用紅外光吸收式二氧化碳傳感器，由于二氧化碳能夠吸收特定波長的紅外線，使得穿過測量室的紅外能量得以減少，能量減少的程度與二氧化碳的含量有對應關系，從而實現(xiàn)體育場館內二氧化碳氣體濃度的實時監(jiān)測［11］。

1.2.3接觸燃燒式氣體傳感器

接觸燃燒式氣體傳感器可以用來檢測一氧化碳（CO）、氫氣（H2）、甲烷（CH4）等可燃性氣體，可燃性氣體與空氣中的氧接觸，在催化劑鉑（Pt）或鈀（Pd）的作用下發(fā)生氧化反應，放出反應熱，使得作為敏感材料的鉑絲或鈀絲溫度升高，電阻值相應增大，從而實現(xiàn)對被測氣氛中可燃氣體的檢測［12］。接觸燃燒式氣體傳感器檢測系統(tǒng)一般比較簡單，與其他種類的氣體傳感器相比，在檢測可燃性氣體方面具有相當大的優(yōu)勢，但是選擇性和穩(wěn)定性都比較差，而且在使用過程中有一定的不安全因素，不利于實時監(jiān)測的可靠性。

1.2.4固體電解質氣體傳感器

固體電解質氣體傳感器的工作原理是采用固體電解質作為氣敏材料，當氣體通過時，固體電解質內會產生離子，從而形成電動勢，可以通過測量電動勢的大小從而達到測量氣體濃度的目的［13］。這類氣體傳感器電導率高、靈敏度和選擇性較好，在石油化工、環(huán)保、礦業(yè)等各個領域均得到了廣泛的應用。

2　室內體育場館空氣污染的主要污染物及危害

表1　體育場館內空氣污染源及污染物

2.1室內體育場館空氣污染的主要污染物

導致室內體育場館空氣污染的主要有害氣體包括VOC（甲醛和苯系物）、氨氣 （NH3）、一氧化碳 （CO）、二氧化碳（CO2）、臭氧（O3）等污染物，這些污染物在室內存在具有累積性、長期性和多樣性的特點［14］。

體育場館內各種空氣污染源及各自產生的污染物詳見表1，其來源主要有以下幾個方面。

2.1.1體育設備中所使用的化學物質

一些室內體育場館為了配合體育比賽，在場館內部布置了許多專業(yè)設施，包括橡膠地板、塑膠跑道、海綿墊等，這些專業(yè)設施大都是塑膠制品，在生產制作、現(xiàn)場安裝以及后期保養(yǎng)過程中，會使用大量的粘合劑、清潔用煤油等易揮發(fā)的化學溶劑，形成有害氣體，因而造成不同程度的館內空氣污染。

2.1.2室內場館裝修設計的不合理性

20世紀70年代以來，由于能源危機的影響，建筑節(jié)能成為建筑設計中的重要考慮因素。為了降低能耗，建筑設計師們一方面努力提高建筑物的氣密性和熱絕緣性，同時降低室內最小新風量標準，帶來的后果是使裝飾、裝修材料釋放和人體排泄的有害物質在室內不斷積累，劣化了室內環(huán)境空氣質量。另外，有些體育場館的裝修可能會采用不符合國家質量標準的建材，沒有達到綠色裝修的指標，且在裝修后沒能在適當時間內進行通風來清除揮發(fā)性污染物，使室內有機氣體包括醛類、苯系物等經常出現(xiàn)超標，加大室內空氣污染程度。

2.1.3空調的過分使用

為了使健身者有一個更加舒適的健身環(huán)境，很多室內健身場所會長時間使用空調來調節(jié)室內的溫度。而如果長時間不進行空調蒸發(fā)器的清洗護理，就會在其內部富集污垢，進而產生胺、煙堿、細菌等有害物質彌漫在室內體育場館內，導致空氣質量進一步變差。

2.1.4室外污染源帶來的污染

有些健身場館為了保證充足的客源，常設在繁華鬧市區(qū)或者交通較為便利的公路旁。在這些區(qū)域內，空氣流通相對較差，汽車尾氣中含量較高的 O3濃度在一般較高，而這些有毒有害氣體則會通過建筑物的空調換氣裝置向室內滲透，引起室內空氣污染。

1）體育場館內空氣污染物的危害

表2　體育場館內過量空氣污染物對人體健康的影響

體育場館內空氣質量對健身人群的人體機能會產生一定的影響，尤其是劇烈運動的情況下，當室內空氣中污染物的作用超過了人體所能適應的承受范圍后，就會引起人體的一系列不良生理反應，導致疾病的發(fā)生。空氣污染物主要通過呼吸道系統(tǒng)、皮膚吸收、消化道吸收等3條途徑侵入人體，誘發(fā)或加重呼吸及心血管系統(tǒng)疾病，從而直接危害人類的身體健康。

3　結語

1）室內體育場館是人們運動和健身的主要場所，其空氣質量直接影響著人們的健康和健身的效果。

2）室內體育場館的空氣污染是目前存在的一個普遍性問題，通過特定的儀器設備對室內體育場館的空氣污染進行實時監(jiān)測是十分必要的，氣體傳感器的功能與特性很好地滿足了這一客觀必要。

3）氣體傳感器不僅能對室內體育場館的空氣污染進行有效監(jiān)測，而且還能為室內體育場館空氣污染的預防和治理提供關鍵的依據(jù)。

4）氣體傳感器的類型較多，對不同的空氣污染物進行實時監(jiān)測具有顯著的選擇性和差異性。

5）當前室內體育場館的空氣污染物和污染源具有復雜性，這對氣體傳感器實時監(jiān)測各種空氣污染物提出了更高的要求。

6）微機械加工、微電子技術和光纖技術等多學科綜合技術的不斷交叉，以及納米技術、敏感薄膜形成技術等新材料技術的成功應用，為氣體傳感器進一步開發(fā)提供了很好的前提條件。

7）隨著氣體傳感器研制技術的快速進步，靈敏度、精確度、穩(wěn)定度更高的并能夠同時監(jiān)測多種有害氣體的全自動智能氣體傳感器陣列將會出現(xiàn)，使室內體育場館空氣監(jiān)測系統(tǒng)向更精準、更全面的方向發(fā)展。

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Application of Gas Sensor Technology in the Detection of Air Quality in Indoor Gymnasium

ZHOU Zheng1，LI Ye2

The application of gas sensors in the detection of air quality in indoor gymnasiums is introduced in this paper.It focuses on the category，property characteristic and principle of the gas sensors，and provides solution reference for air pollution of gymnasiums.

gas sensor；indoor gymnasiums；air pollution；detection

G80-05

A

1003-983X（2015）12-1041-03

2015-07-06

國家自然科學基金資助項目（61404046）

周正（1974-），男，湖南長沙人，中教一級，研究方向：學校體育.

1.長郡中學體育部，湖南 長沙 410008；2.湖南大學體育學院，湖南 長沙410082

1.PhysicalEducationDepartmentofChangjunMiddle School，Changsha Hunan，400008；2.College of Physical Education，Hunan University，Changsha Hunan，410082