气体传感器在监测室内体育场馆空气污染中的应用

周　正，李　野

气体传感器在监测室内体育场馆空气污染中的应用

周正1，李野2

提出气体传感器在监测室内体育场馆空气污染中的应用价值，介绍气体传感器的主要分类、功能、特性与工作原理，为解决室内体育场馆的空气污染提供参考。

气体传感器；室内体育场馆；空气污染；监测

随着我国经济的发展和人民生活水平的提高，人们对“运动有益健康”的认识在不断加深，参加体育锻炼的人数呈现显著增长的趋势。因此，不同类型的商业性室内健身场馆应运而生，成为人们健身锻炼的主要场所。健身锻炼的效果，在很大程度上依赖于良好的环境卫生状况，室内健身场所空气质量对锻炼人群的身心健康起着举足轻重的作用［1、2］。

环境卫生学研究表明，室内体育场馆的健身环境，特别是室内环境的空气质量，对人体机能会产生较大的影响，尤其是在剧烈运动的情况下，空气质量下降使人们被动地吸入较多的有害物质，诱发或加重呼吸和心血管系统疾病，从而直接危害人类的身体健康［3-5］。为了使健身的人们达到预期的锻炼效果，我们有必要对室内体育场馆中各种有毒、有害气体进行实时监测，为人们提供一个健康舒适的运动环境提供一定的保障。

1　气体传感器的概念和分类

1.1气体传感器的概念

体育场馆内空气污染的实时监测对空气监测系统提出了更高的要求，以气体传感器为核心器件的空气污染物监测仪器长期以来承担着监测空气环境的重要使命。气体传感器是一种可以将气体的某些信息包括浓度和种类转换成可以被操作人员、仪器仪表、计算机等利用的电、声、光或者数字信息的装置［6］，通常被安装在监测系统的探测头内，监测系统在现场采集空气数据，通过气体传感器将气体信号转换成电信号，再通过串口通信，传导到单片机中进行数据处理［7］。所以从本质上讲，气体传感器是气体监测系统的核心，对气体监测系统起着决定性的作用。

1.2气体传感器的分类

气体传感器从检测机理、测量技术、制造工艺到检测对象和应用领域都可以构成独立的分类标准。通常以检测机理进行分类，主要可分为：半导体金属氧化物气体传感器、光化学型气体传感器、固体电解质气体传感器、接触燃烧式气体传感器等。

1.2.1半导体金属氧化物气体传感器

半导体金属氧化物气体传感器是以金属氧化物半导体作为敏感材料制成的半导体传感器，敏感材料在一定的条件下与被测气体发生作用，使其电阻值随着周围所接触气体种类和浓度的不同而发生变化，从而实现对周围气体检测的目的［8］。自从1962年，日本科学家Seiyama等人首先报道半导体金属氧化物的气敏特性以来，半导体金属氧化物气体传感器以其操作简单、选择性好、携带方便等优点，成为发展最快、应用最广的一种气体传感器［9］。近年来，基于半导体金属氧化物的气体传感器，其发展重点在于充分利用纳米、薄膜等新材料制备技术开发高灵敏度、高选择性及高稳定性的气敏材料。目前已经将半导体金属氧化物气体传感器成功地应用于体育场馆内甲醛、苯系物及CO的实时监测中。

1.2.2光化学型气体传感器

光化学型气体传感器包括红外吸收型、荧光型、光谱吸收型、光纤化学材料型等，主要以红外吸收型气体传感器为主。红外吸收型气体传感器是利用不同浓度或不同种类气体的红外吸收峰不同，通过测量和分析红外吸收峰值大小来检测不同气体的类型及其浓度［10］。红外吸收型气体传感器是目前最精确的气体探测仪器之一，具有极低的误报警率、很高的灵敏度、良好的稳定性和选择性，在体育场馆内二氧化碳的监测中得到了广泛的应用。采用红外光吸收式二氧化碳传感器，由于二氧化碳能够吸收特定波长的红外线，使得穿过测量室的红外能量得以减少，能量减少的程度与二氧化碳的含量有对应关系，从而实现体育场馆内二氧化碳气体浓度的实时监测［11］。

1.2.3接触燃烧式气体传感器

接触燃烧式气体传感器可以用来检测一氧化碳（CO）、氢气（H2）、甲烷（CH4）等可燃性气体，可燃性气体与空气中的氧接触，在催化剂铂（Pt）或钯（Pd）的作用下发生氧化反应，放出反应热，使得作为敏感材料的铂丝或钯丝温度升高，电阻值相应增大，从而实现对被测气氛中可燃气体的检测［12］。接触燃烧式气体传感器检测系统一般比较简单，与其他种类的气体传感器相比，在检测可燃性气体方面具有相当大的优势，但是选择性和稳定性都比较差，而且在使用过程中有一定的不安全因素，不利于实时监测的可靠性。

1.2.4固体电解质气体传感器

固体电解质气体传感器的工作原理是采用固体电解质作为气敏材料，当气体通过时，固体电解质内会产生离子，从而形成电动势，可以通过测量电动势的大小从而达到测量气体浓度的目的［13］。这类气体传感器电导率高、灵敏度和选择性较好，在石油化工、环保、矿业等各个领域均得到了广泛的应用。

2　室内体育场馆空气污染的主要污染物及危害

表1　体育场馆内空气污染源及污染物

2.1室内体育场馆空气污染的主要污染物

导致室内体育场馆空气污染的主要有害气体包括VOC（甲醛和苯系物）、氨气 （NH3）、一氧化碳 （CO）、二氧化碳（CO2）、臭氧（O3）等污染物，这些污染物在室内存在具有累积性、长期性和多样性的特点［14］。

体育场馆内各种空气污染源及各自产生的污染物详见表1，其来源主要有以下几个方面。

2.1.1体育设备中所使用的化学物质

一些室内体育场馆为了配合体育比赛，在场馆内部布置了许多专业设施，包括橡胶地板、塑胶跑道、海绵垫等，这些专业设施大都是塑胶制品，在生产制作、现场安装以及后期保养过程中，会使用大量的粘合剂、清洁用煤油等易挥发的化学溶剂，形成有害气体，因而造成不同程度的馆内空气污染。

2.1.2室内场馆装修设计的不合理性

20世纪70年代以来，由于能源危机的影响，建筑节能成为建筑设计中的重要考虑因素。为了降低能耗，建筑设计师们一方面努力提高建筑物的气密性和热绝缘性，同时降低室内最小新风量标准，带来的后果是使装饰、装修材料释放和人体排泄的有害物质在室内不断积累，劣化了室内环境空气质量。另外，有些体育场馆的装修可能会采用不符合国家质量标准的建材，没有达到绿色装修的指标，且在装修后没能在适当时间内进行通风来清除挥发性污染物，使室内有机气体包括醛类、苯系物等经常出现超标，加大室内空气污染程度。

2.1.3空调的过分使用

为了使健身者有一个更加舒适的健身环境，很多室内健身场所会长时间使用空调来调节室内的温度。而如果长时间不进行空调蒸发器的清洗护理，就会在其内部富集污垢，进而产生胺、烟碱、细菌等有害物质弥漫在室内体育场馆内，导致空气质量进一步变差。

2.1.4室外污染源带来的污染

有些健身场馆为了保证充足的客源，常设在繁华闹市区或者交通较为便利的公路旁。在这些区域内，空气流通相对较差，汽车尾气中含量较高的 O3浓度在一般较高，而这些有毒有害气体则会通过建筑物的空调换气装置向室内渗透，引起室内空气污染。

1）体育场馆内空气污染物的危害

表2　体育场馆内过量空气污染物对人体健康的影响

体育场馆内空气质量对健身人群的人体机能会产生一定的影响，尤其是剧烈运动的情况下，当室内空气中污染物的作用超过了人体所能适应的承受范围后，就会引起人体的一系列不良生理反应，导致疾病的发生。空气污染物主要通过呼吸道系统、皮肤吸收、消化道吸收等3条途径侵入人体，诱发或加重呼吸及心血管系统疾病，从而直接危害人类的身体健康。

3　结语

1）室内体育场馆是人们运动和健身的主要场所，其空气质量直接影响着人们的健康和健身的效果。

2）室内体育场馆的空气污染是目前存在的一个普遍性问题，通过特定的仪器设备对室内体育场馆的空气污染进行实时监测是十分必要的，气体传感器的功能与特性很好地满足了这一客观必要。

3）气体传感器不仅能对室内体育场馆的空气污染进行有效监测，而且还能为室内体育场馆空气污染的预防和治理提供关键的依据。

4）气体传感器的类型较多，对不同的空气污染物进行实时监测具有显著的选择性和差异性。

5）当前室内体育场馆的空气污染物和污染源具有复杂性，这对气体传感器实时监测各种空气污染物提出了更高的要求。

6）微机械加工、微电子技术和光纤技术等多学科综合技术的不断交叉，以及纳米技术、敏感薄膜形成技术等新材料技术的成功应用，为气体传感器进一步开发提供了很好的前提条件。

7）随着气体传感器研制技术的快速进步，灵敏度、精确度、稳定度更高的并能够同时监测多种有害气体的全自动智能气体传感器阵列将会出现，使室内体育场馆空气监测系统向更精准、更全面的方向发展。

［1］王海英，焦广发，刘永敬，等.空气污染与大众健身关系的研究进展［J］.河北体育学院学报，2008（4）.

［2］袁鑫池，刘全，于文.室内运动场馆内装修排放物对健康的影响［J］.体育世界（学术），2012（10）.

［3］陈金拗，周祖宝，陆阿明.体育健身场馆室内空气质量现状调查研究［J］.中国体育科技，2014（2）.

［4］陆大江，沈逸蕾.健身房运动环境的研究与分析［J］.体育与科学，2012（3）.

［5］张大超，张云凤.高校室内体育运动环境空气卫生质量调查与分析［J］.北京体育大学学报，2012（12）.

［6］张福学.传感器应用及其电路精选［M］.北京:电子工业出版社，1991.

［7］张宇.气体传感器在监测化工空气污染中的应用［J］.内蒙古石油化工，2006（7）.

［8］康昌鹤，唐省吾.气、湿敏传感器及其应用［M］.北京:科学出版社，1988.

［9］Seiyama T，Kato A，Fujiishi K.New detector for gaseous components using semiconductive thin films［J］.Analytical Chemistry，1962（11）.

［10］琚雪梅，张巍，毕东云.红外吸收型CO2气体传感器的设计［J］.传感器与微系统，2005（8）.

［11］彭伟桃，刘澜瑞，张晓辉，等.封闭式运动场馆空气质量实时监测系统的构建［J］.计算机光盘软件与应用，2014（19）.

［12］杨跃华.接触燃烧式甲烷传感器的敏感材料的研究［D］.长春:吉林大学，2010.

［13］全宝富，梁喜双，钟铁钢.NASICON固体电解质气体传感器的研究进展［J］.仪表技术与传感器，2009.

［14］周波，周超，郑争良.长沙市经营性健身房空气质量与噪声的现状调查及对策研究［J］.安徽体育科技，2012（5）.

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

国家自然科学基金资助项目（61404046）

周正（1974-），男，湖南长沙人，中教一级，研究方向：学校体育.

1.长郡中学体育部，湖南 长沙 410008；2.湖南大学体育学院，湖南 长沙410082

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