1.本发明涉及防污染面罩，特别是包含污染感测的面罩。


背景技术：

2.据世界卫生组织(who)估计，每年有400万人死于空气污染。这一问题部分源于城市的室外空气质量。其中最差的是印度的城市，如德里，其年度污染水平超过推荐水平的10倍。众所周知，北京的年均污染水平是推荐安全水平的8.5倍。然而，即使在像伦敦、巴黎和柏林等欧洲城市，污染水平也高于who推荐的水平。
3.由于该问题在短时间内无法显著改善，解决这一问题的唯一方法就是戴上面罩，面罩通过过滤提供更清洁的空气。
4.最基本的被动式面罩包括外壁，用于在面罩被佩戴时，在外壁与用户的面部之间限定空气腔室。过滤器形成空气腔室与空气腔室外部的周围环境之间的边界。因此，用户通过过滤器呼吸。
5.为了提高舒适性和有效性，可以在面罩上添加一个或两个风扇。这些风扇在使用期间被接通，并且通常以恒定电压使用。出于效率和寿命原因，这些风扇通常是电换向无刷dc风扇。
6.佩戴者使用动力面罩的好处在于，可以缓解肺部因抵抗传统非动力面罩中过滤器的阻力吸气而引起的轻微应变。
7.此外，在传统的被动式(非动力)面罩中，吸气还会引起面罩内轻微的负压，从而导致污染物泄漏至面罩中，如果是有毒物质，这种泄漏可能证明是危险的。动力面罩稳定地向面部输送气流，并且可以，例如，提供轻微的正压，其可以通过呼气阀的阻力来确定，以确保任意泄漏是向外而非向内的。
8.如果风扇的操作或速度可以调节，则存在若干优点。这可以用于通过在吸气和呼气序列期间更适当的通气来改善舒适度，或者可以用于提高电效率。后者转化为更长的电池寿命或增加的通风。
9.为了调节风扇速度，可以测量面罩内的压力，并且压力和压力变化都可以用于控制风扇。
10.例如，面罩内的压力可以用压力传感器测量，并且风扇速度可以根据传感器测量而变化。例如，压力传感器测量可以用于检测用户的呼吸循环，并且可以根据呼吸循环的阶段来控制风扇。
11.存在用于监测面罩内压力的压力传感器的替代方案。wo2018/215225公开了一种面罩，其中，风扇的转速用作压力测量的代表。基于风扇的转速确定压力或压力变化。使用该压力信息，可以跟踪用户的呼吸模式。
12.当面罩被佩戴时，期望检测面罩内的空气质量，以显示过滤器正在工作并且正确地起到去除空气污染的作用，如所期望的那样。
13.因此，已知期望将污染传感器结合在面罩内。然而，在面罩内，空气在吸入空气(通
过过滤器进入肺部)和呼出空气之间交替。呼吸循环的持续时间例如在4秒(坐着)至2秒(跑步)之间的范围内。
14.随着时间的推移，面罩内部的平均污染水平收到的关注有限。然而，污染感测尤其对于吸入(和/或呼出)空气更有意义。因此，期望能够在呼吸循环的选定部分(例如仅吸气)期间进行污染感测。许多传感器需要一些时间才能达到稳定的感测信号(例如，一些类型的光学粒子传感器需要10秒)。这不是因为物理检测过程，而是为了获得足够的样本以给出可靠的结果。
15.在面罩的情况下，一个吸气或呼气循环的时间不足以给出稳定的读数。因此，如何提供与用户的呼吸循环相关联的检测仍然是一个问题。
16.us2018/0325422公开了一种具有传感器的空气过滤和分析系统，传感器用于。收集吸入和/或呼出空气的特性。传感器可以具有基于吸气和呼气时机而选通的感测窗口。cn104922822公开了一种带污染检测的面罩。


技术实现要素：

17.本发明由权利要求限定。
18.根据本发明一方面的示例，提供了一种防污染面罩，包括：
19.外壁，用于在面罩被佩戴时，在外壁与用户的面部之间限定空气腔室；
20.过滤器，用于形成空气腔室与空气腔室外部的周围环境之间的边界；
21.检测电路，用于检测用户的呼吸循环的吸气部分和呼气部分；
22.颗粒或污染物传感器，用于感测空气腔室内部并提供感测结果；计时器；以及
23.控制器，控制器适于：
24.使用计时器对多个吸气部分的组合持续时间进行计时，组合来自检测电路的关于多个吸气部分的感测结果，并且导出针对目标组合持续时间的组合吸气感测结果；和/或
25.使用计时器对多个呼气部分的组合持续时间进行计时，组合来自检测电路的关于多个呼气部分的感测结果，并且导出针对目标组合持续时间的组合呼气感测结果。
26.本发明涉及一种防污染面罩。这意味着一种主要目的在于过滤用户呼吸的环境空气的装置。面罩不执行任何形式的患者治疗。特别地，由风扇操作导致的压力水平和流动仅旨在帮助提供舒适性(通过影响空气腔室内的温度或相对湿度)和/或帮助提供穿过过滤器的气流而无需用户显著的额外呼吸努力。与用户没有佩戴面罩的情况相比，面罩不提供全面呼吸辅助。
27.这种防污染面罩具有颗粒或污染传感器，用于跨多个呼吸循环采样数据，从而从吸气或呼气循环获得足够的数据以组合为单个读数。当达到感测窗口的目标持续时间时，就获得了足够的数据。所需的呼吸循环数目例如取决于每个呼吸循环的持续时间，其中，更快的呼吸需要更多呼吸循环。
28.即使是在组合中，吸气部分和呼气部分仍然仅覆盖总呼吸时间的一小部分。获取每个呼吸循环的吸气部分和呼气部分。完整的呼吸循环由吸气部分和呼气部分组成，但在这些部分之间的过渡期间，存在吸入空气/呼出空气的混合。因此，采样可以排除对应于这些过渡阶段的时间段，并且仅在每个阶段的核心时段对空气进行采样。
29.面罩例如还包括风扇，用于将空气从空气腔室外部吸入空气腔室内部，和/或将空
气从空气腔室内部吸至外部。因此，本发明可以应用于有源面罩。这例如已经包括检测电路，用于检测用户的呼吸循环的吸气部分和呼气部分，因为该信息可以用于风扇控制。例如，风扇速度可以与用户的呼吸循环同步地进行控制，以节省功率。例如，可以在吸气期间或呼气期间关闭风扇。因此，本发明几乎不必增加开销即可实现。
30.检测电路例如用于基于空气腔室内部的压力(并且特别是相对于环境压力)来检测吸气部分和呼气部分。压力在呼气期间增加并且在吸气期间减小。检测电路可以包括压力传感器，诸如腔压力传感器或差压传感器。
31.备选地，检测电路可以包括用于确定风扇转速的装置，以及控制器，控制器适于从风扇的转速导出空气腔室与周围环境之间的压力，使得风扇速度被用作压力测量的代表。
32.这样，风扇速度(对于驱动空气进入腔室和/或将空气从腔室排出的风扇)可以用作压力测量的代表。为了测量风扇速度，可以使用风扇本身，从而不需要附加传感器。在正常使用中，腔室可以封闭，从而使腔室内的压力波动对风扇的负载条件具有影响，并进而改变风扇电特性。这避免了对单独的压力传感器的需求。
33.在一个示例中，风扇由电子换向无刷电机驱动，并且用于确定转速的装置包括电机的内部传感器。内部传感器已经设置在此类电机中以实现电机的旋转。电机甚至可以具有输出端口，内部传感器输出设置在输出端口上。因此，存在承载适用于确定转速的信号的端口。
34.备选地，用于确定转速的装置可以包括用于检测供应至驱动风扇的电机的电力供应纹波的电路。该纹波源自通过电机线圈的合闸电流，由于输入电压源的有限阻抗，导致供电电压的感应变化。
35.风扇可以是双线风扇，并且用于检测纹波的电路包括高通滤波器。对于已经不具有合适风扇速度输出的电机的附加电路需求可以保持为最小。
36.控制器可以适于：
37.在多个呼吸循环期间连续地收集感测结果；以及
38.创建与多个吸气部分相关的感测结果的子集，以导出组合吸气感测结果；和/或
39.创建与多个呼气部分相关的感测结果的子集，以导出组合呼气感测结果。
40.因此，实际上，传感器可以连续地测量，并且感测结果经过后处理以创建与呼吸循环相关联的样本。
41.备选地，控制器可以适于：
42.在对应于多个吸气部分的选定时间执行感测，以导出组合吸气感测结果；和/或
43.在对应于多个呼气部分的选定时间执行感测，以导出组合呼气感测结果。
44.在这种情况下，可以在选定时间外关闭传感器，或者与空气流隔离。
45.控制器可以适于：
46.实施低压力阈值，吸气部分在低压力阈值之下被识别到；和/或
47.实施高压力阈值，呼气部分在高压力阈值之上被识别到。
48.因此，基于压力阈值监测吸气和呼气。
49.在一组示例中，低和/或高压力阈值根据呼吸速率设定。更快的呼吸(例如在锻炼期间)一般是具有更大压力摆动的深呼吸。因此，可以针对不同的锻炼水平应用不同的阈值。
50.在另一组示例中，基于先前吸气和/或呼气部分期间空气腔室内的压力，动态地调整低和/或高压力阈值。这样，不同的呼吸循环将导致不同的采样窗口。
51.颗粒或污染物传感器例如包括基于光散射的光传感器。其可以用于测量颗粒浓度，例如pm2.5水平。
52.过滤器例如包括空气腔室的外壁，并且直接在空气腔室与空气腔室外部的周围环境之间形成边界。这提供了一种紧凑布置，避免了对流输送通道的需求，并且因为面罩主体执行过滤功能，实现了更大的过滤面积。这意味着用户能够通过过滤器吸气。过滤器可以具有多个层。例如，外层可以形成面罩的主体(例如织物层)，并且内层可以用于去除更精细的污染物。然后，内层可以是可移除的以便于清洁或更换，但是，可以认为两个层共同构成过滤器，因为空气能够穿过该结构，并且该结构执行过滤功能。
53.风扇可以仅用于将空气从空气腔室内部抽吸至外部。这样，即使是在呼气期间，也可以同时促进新鲜的过滤空气到空气腔室的供应，进而提高用户的舒适度。在这种情况下，空气腔室内的压力可以一直低于外部(大气)压力，从而使新鲜空气总是被供应至面部。
54.本发明还提供了一种测量防污染面罩的空气腔室内的颗粒或污染水平的方法，该方法包括:
55.检测用户的呼吸循环的吸气部分和呼气部分；
56.感测面罩的空气腔室内的颗粒或污染水平；以及
57.对多个吸气部分的组合持续时间进行计时，组合关于多个吸气部分的感测结果，并且导出针对目标组合持续时间的组合吸气感测结果；和/或
58.对多个呼气部分的组合持续时间进行计时，组合关于多个呼气部分的感测结果，并且导出针对目标组合持续时间的组合呼气感测结果。
59.该方法可以包括在多个呼吸循环期间连续地收集感测结果；并且包括：
60.创建与多个吸气部分相关的感测结果的子集，以导出组合吸气感测结果；和/或
61.创建与多个呼气部分相关的感测结果的子集，以导出组合呼气感测结果。
62.备选地，可以在对应于多个吸气部分的选定时间执行感测，以导出组合吸气感测结果，和/或在对应于多个呼气部分的选定时间执行感测，以导出组合呼气感测结果。
63.可以通过实施低压力阈值和/或高压力阈值来监测吸气和/或呼气，在低压力阈值之下，吸气被识别到，在高压力阈值之上，呼气被识别到。低和/或高压力阈值可以根据呼吸速率设定。可以基于先前吸气和/或呼气部分期间空气腔室内的压力，动态地调整低压力阈值和/或高压力阈值。
附图说明
64.下面将结合附图详细描述本发明的示例。在附图中：
65.图1示出包括颗粒或污染感测的防污染面罩。
66.图2示出压力监测系统部件的一个示例；
67.图3a示出吸气期间和呼气期间的旋转信号，图3b示出风扇旋转速如何随时间变化；并且
68.图4示出用于控制通过无刷dc电机的一个定子的电流的电路；
69.图5示出可以用作本发明传感器的光学颗粒传感器的通用设计；
70.图6以示意形式示出本发明的方法；
71.图7示出坐着、步行、跑步过程中呼吸的三种呼吸波形；
72.图8示出坐着、步行、跑步过程中呼吸的三种呼吸波形以及静态阈值；
73.图9示出坐着、步行、跑步过程中呼吸的三种呼吸波形以及动态阈值；并且
74.图10示出测量防污染面罩的空气腔室内的颗粒或污染水平的方法。
具体实施方式
75.下面将参考附图描述本发明。
76.应当理解的是，详细描述和具体示例在指示装置、系统和方法的示例性实施例的同时，仅旨在用于说明性目的，而非旨在限制本发明的范围。结合以下说明、所附权利要求和附图，可以更好地理解本发明的装置、系统和方法的这些及其它特征、方面和优势。应当理解的是，附图仅仅是示意性的，并非按比例绘制。还应当理解的是，相同附图标记在整个附图中表示相同或相似部件。
77.本发明提供一种防污染面罩，包括检测用户呼吸循环的吸气部分和呼气部分。颗粒或污染物传感器用于感测空气腔室内部并提供感测结果。对关于多个吸气部分或呼气部分的感测结果进行组合，以导出组合感测结果。这使得在仅吸气部分或仅呼气部分期间具有足够的感测时间段，以便获得准确的感测结果。
78.图1示出包括颗粒或污染感测的防污染面罩。
79.图中示出佩戴面罩12的对象10，面罩12覆盖对象的鼻子和嘴。面罩的目的是在对象吸入空气之前过滤空气。为此，面罩主体本身用作空气过滤器16。空气通过吸气被吸入由面罩形成的空气腔室18。
80.面罩检测用户的呼吸循环，并且监测呼吸循环的时机。在所示示例中，在吸气过程中，由于空气腔室18内的低压，出口阀22(例如止回阀)关闭。
81.面罩还包括传感器24，用于测量空气腔室18内的颗粒或污染水平。其产生感测结果。
82.在图1所示的示例中，传感器24与风扇串联连接，并且由此，风扇生成穿过传感器的气流。传感器可以被安装在风扇和止回阀后方。电部件例如均集成在一起，从而减少所需的布线量。然而，传感器可以位于面罩腔内的其它位置，只要空气流能够穿过即可。
83.感测面罩内的空气质量能够使用户放心过滤器正在工作并且面罩内的空气是健康的。如果传感器的响应时间大于呼吸循环的各个部分，仅测量口罩内部的空气质量是不够的，因为感测随后会将吸入空气和呼出空气混在一起。用户通常想知道吸入空气的质量，并且这不应与呼出空气混合，因为呼出空气可能因颗粒沉积在肺部中而更干净。因此，在(多次呼吸的)长时间段内对面罩内部空气质量的平均测量不是最佳的。
84.过滤器16可以仅由面罩主体形成，或者可以有多个层。例如，面罩主体可以包括由多孔织物材料形成的外罩，用作预过滤器。在外罩内部，更细过滤层可逆地附接至外罩。然后，更细过滤层可以移除以进行清洁和更换，而外罩可以，例如，通过擦拭来清洁。外罩还起到过滤作用，例如，避免大碎片(例如泥土)进入更细过滤器，而更细过滤器用于过滤精细颗粒物。可以存在多于两层。多个层一起用作面罩的总过滤器。
85.当对象呼气时，空气通过出口阀22排出。该阀打开以能够容易地呼气，但在吸气期
间关闭。风扇20有助于通过出口阀22移除空气。优选地，排出的空气比呼出的空气多，从而将额外的空气供给至面部。由于降低了相对湿度和冷却，这增加了舒适度。在吸气期间，通过关闭阀防止未过滤空气被吸入。因此，出口阀22的时机取决于对象的呼吸循环。出口阀可以是由整个过滤器16上的压力差操作的简单被动止回阀。然而，其可以备选地是基于对呼吸循环的感测的电可控阀。
86.基于面罩容积内的压力变化来检测呼吸循环。如果面罩被佩戴且用户在呼吸，则腔室内将存在变化的压力。特别地，腔室由用户的面部封闭。当面罩被佩戴时，封闭腔室内的压力也将根据对象的呼吸循环而变化。当对象呼气时，将出现轻微的压力增加，而当对象吸气时，将出现轻微的压力下降。
87.如果风扇以恒定驱动水平(即电压)被驱动，则不同的主导压力将表现为对风扇的不同负载，因为整个风扇上存在不同的压降。然后，这种改变的负载将导致不同的风扇速度。因此，风扇的转速可以用作整个风扇上压力测量的代表。这是优选的实施方式，因为使用的传感器更少。
88.然而，本发明的构思可以利用用于获取呼吸特性的压力传感器实现。
89.对于风扇一侧的已知压力(例如大气压力)，压力(或代理压力)监测使得能够确定风扇另一侧的压力或至少压力变化。例如，该另一侧是封闭腔室，因而具有不同于大气压的压力。
90.然后，基于对风扇转速的监测或通过压力测量而检测到的压力变化被用于获得关于用户呼吸的信息。特别地，第一值可以代表呼吸深度，第二值可以代表呼吸速率。
91.用于确定转速的装置可以包括已经存在的来自风扇电机的输出信号，或者可以提供单独的简单感测电路作为风扇的附加部分。然而，在这两种情况下均使用风扇本身，从而不需要附加传感器。
92.图2示出系统部件的一个示例。与图1相同的部件用相同的附图标记表示。
93.除图1所示的部件外，图2还示出控制器30、本地电池32和用于确定风扇转速的装置36。
94.如上文所述，控制器30执行对呼吸循环时机的检测，以及传感器信号处理功能。特别地，控制器用于组合关于多个吸气部分的感测结果，并且导出组合吸气感测结果。额外地，或备选地，控制器还可以组合关于多个呼气部分的感测结果，并且导出组合呼气感测结果。
95.用于确定风扇转速的装置36是用于检测用户的呼吸循环的吸气部分和呼气部分的检测电路的一种实施方式。另一种可能的实施方式利用如上所述的压力传感器。
96.图2示出用于向用户提供输出信息的输出38。输出38可以是集成显示器，但更优选是无线通信发送器(或收发器)，用于向诸如智能电话的远程设备发送数据，该远程设备然后可以用作用于向用户提供数据的最终用户接口，并且可选地用于从用户接收控制命令以用于中继至控制器30。
97.风扇20包括风扇叶片20a和风扇电机20b。在一个示例中，风扇电机20b是电子换向无刷电机，并且用于确定转速的装置包括电机的内部传感器。电子换向无刷dc风扇具有内部传感器，该内部传感器测量转子的位置并以转子旋转的方式切换通过线圈的电流。因此，内部传感器已经设置在此类电机中，以实现对电机速度的反馈控制。
98.电机可以具有输出端口，内部传感器输出34设置在输出端口上。因此，存在承载适用于确定转速的信号的端口。
99.备选地，用于确定转速的装置可以包括用于检测连至电机20b的电源上的纹波的电路36。该纹波源自通过电机线圈的合闸电流，由于电池32的有限阻抗，导致供电电压的感应变化。例如，电路36包括高通滤波器，从而仅处理风扇旋转的频带中的信号。这提供了非常简单的附加电路，并且成本比传统的压力传感器低得多。
100.这意味着电机可以是任意设计，包括没有内置传感器输出端子的双线风扇。其也将与具有电刷的dc电机一起工作。
101.如果出口阀22是电子切换值，则呼吸循环时机信息可以用于根据呼吸循环的阶段控制出口阀22。
102.除控制出口阀之外，控制器还可以在吸气期间或呼气期间关闭风扇。这赋予了面罩不同的操作模式，从而可以用于节省功率。
103.对于给定驱动水平(即电压)，由于风扇叶片上的负载减小，整个风扇上的风扇速度以更低压力增加。这导致增强的流动。因此，风扇速度与压力差之间存在反比关系。这种反比关系可以在校准过程中获得，或者可以由风扇制造商提供。例如，校准过程涉及在指示对象以正常呼吸规律地吸气和呼气的周期内分析风扇速度信息。之后，获取的风扇速度信息可以与呼吸循环匹配，然后由此设置用于区分吸气和呼气的阈值。
104.图3a示意性地示出转子位置(作为测量到的传感器电压)与时间的关系。
105.转速可以从到风扇的dc电压的ac分量(由电机中的切换事件引起)的频率测量。该ac分量源自风扇汲取的电流变化，该电流变化施加在电源的阻抗上。
106.图3a将吸气期间的信号示出为曲线40，将呼气期间的信号示出为曲线42。在呼气期间，存在因增加的压力梯度导致风扇上的负载增加而引起的频率降低。因此，观察到的频率变化是由呼吸循环期间的不同风扇性能引起的。
107.图3b通过绘制风扇转速与时间的曲线示出频率随时间的变化。在连续最大值和最小值之间存在风扇转速的最大差δ风扇(δfan)，并且这与呼吸深度相关。这是从风扇旋转信号导出的第一值。这些点之间的时间用于导出第二值，例如对应于该时间段的频率(因此，该频率是呼吸速率的两倍)。
108.注意，第一值可以从原始风扇旋转信号获得，或者可以首先执行平滑化。因此，基于未处理的实时速度或处理速度，存在至少两种不同的方式来计算最大摆动。实际上，存在添加至实时信号上的噪声或其它波动。平滑算法可以用于处理实时信号并从平滑信号计算第一值。
109.在呼气期间，风扇操作迫使空气从面部和面罩之间的区域排出。由于呼气变得更容易，这提高了舒适性。这样还可以将额外空气抽吸至面部，从而降低了温度和相对湿度。在吸气和呼气之间，风扇操作增加了舒适度，因为新鲜空气被吸入面部和面罩之间的空间内，从而冷却该空间。
110.在一个示例中，在吸气期间，出口阀(主动或被动地)关闭，可以关闭风扇以节省功率。这提供了基于呼吸循环检测的操作模式。
111.如果风扇在部分呼吸循环中关闭，因而不提供压力信息，则可以从先前呼吸循环中推断出吸气阶段和呼气阶段的精确时机。
112.对于风扇辅助的呼气，需要在出口阀再次打开之前恢复动力。这也确保了下一吸气-呼气循环保持在适当时机，并且获得足够的压力和流动。
113.使用这种方法，可以容易地实现大约30％的功率节省，从而延长电池寿命。备选地，风扇的功率可以增加30％以提高有效性。
114.在不同的风扇和阀配置下，风扇转速的测量实现了控制以增加舒适性。
115.在过滤器与风扇串联的风扇配置中，压力监测可以用于测量过滤器的流动阻力，尤其是基于整个风扇和过滤器上的压降。这可以在接通后面罩尚未佩戴至面部的一段时间内完成。该阻力可以用于代表过滤器的年限。
116.如上所述，使用电子换向无刷dc电机的风扇具有内部传感器，该内部传感器测量转子的位置并以转子旋转的方式切换通过线圈的电流。
117.图4示出h桥电路，其用作逆变器，以从dc电源vdd、gnd生成流向电机的定子线圈50的交流电压。逆变器具有一组开关s1至s4，以在整个线圈50上生成交流电压。这些开关由取决于转子位置的信号控制，并且这些转子位置信号可以用于监测风扇旋转。
118.图5示出可以用作本发明传感器的光学颗粒传感器24的通用设计。
119.存在从整个传感器设备的入口61到出口62的气体流60。红外led64(λ＝890nm)用于照射气体流，以实现基于对散射的光学测量进行对夹带颗粒的光学检测。led位于检测容积的一侧，并且感测在相对侧进行。一种替代设计可以利用光的反射。
120.光学传感器66包括光电二极管传感器68和收集散射光的聚焦透镜70。
121.流经传感器设备的流通过用户的呼吸提供。空气流承载颗粒穿过检测容积。
122.控制器74(其可以被实现为控制器30的一部分)控制传感器信号的处理和光源的操作。
123.检测容积例如是壳体的一部分，壳体放置在具有电子器件的印刷电路板上，以将由颗粒引起的信号转换为计数。壳体的内部形状使得直接朝向光电二极管光传感器的led光的泄漏最小化，该泄漏会产生背景信号。通过电子地过滤掉任何剩余的直流信号，留下脉冲粒子信号。
124.该信号被放大并与阈值电压进行比较。在一定粒径之上，峰值高度足以超过阈值。因此，阈值实现带通滤波功能。在信号处理的一个示例中，对脉冲进行计数并测量脉冲长度，从而产生低脉冲占用时间(lpo％)。
125.因此，存在两个基本输出。一个是简单的颗粒计数，这是对超过阈值集的检测峰值数目的计数。另一个是检测高于阈值的时间的比例。因此，对于特定阈值水平，如果信号处于或高于阈值的总时间是1s窗口内的700ms，则低脉冲占用时间是70％。低脉冲占用测量实现了对传感器输出随时间的简单二进制编码；例如，如果检测到信号高于阈值，则输出二进制零；如果检测到的信号低于阈值，则输出二进制1。数字零周期的累计持续时间相当于低脉冲占用时间。此时，数字零周期的组合时间(时间的每固定单位)与模拟输出信号成比例。
126.在这种类型的传感器中，模拟信号的幅度与粒径成比例，无论是使用颗粒计数还是低脉冲占用测量。阈值实现为施加至比较器的阈值电压，该比较器控制传感器系统的粒径敏感度。
127.更大的颗粒散射更多的光，因此在光电探测器上生成更大的信号幅度。该模拟信号(在适当的滤波和放大阶段后)被提供给比较器。
128.被提供给比较器的阈值电压设定该模拟信号的边界极限。例如，1v的阈值意味着所有大于1v的信号都将被登记为检测信号，因此对应于所有生成1v之上的模拟信号的所有粒径。同样，2v阈值提高了边界，以便仅允许较大尺寸的颗粒产生输出。
129.为了简单起见，1v的阈值电压可以对应于针对直径大于或等于1μm的颗粒生成的信号，而2v的阈值可以对应于直径大于或等于2μm的颗粒。
130.传感器可以生成单个颗粒(例如pm2.5)的计数，或者可以对不同的粒径范围(也称为“尺寸箱”)应用不同的阈值。例如，对于1μm-2μm之间的粒径范围，减去在这些阈值电压下生成的信号数目。
131.上述传感器基本上包括：
132.壳体，壳体具有入口和出口，入口和出口之间具有气体流；
133.光源和用于在检测容积内进行光学散射测量的光学检测器，其中，检测器信号与粒径相关(并且例如成比例)；以及
134.信号处理器，用于将检测器信号与阈值进行比较。阈值可以是固定的(对于单个尺寸检测功能)，或者可以是可调节的。
135.这仅仅是光学传感器的一个通用示例。也可以使用其它已知的光学传感器设计。
136.然而，许多此类传感器需要一些时间才能生成稳定的结果。例如，已知pm2.5传感器的稳定时间为10秒或更长。对于超细颗粒(ufp)传感器，这个时间可能甚至更长。所需时间也可以取决于污染浓度，其中，浓度越低，所需时间越长。
137.获得稳定信号的这种时延并不是由于传感器的物理限制，而是因为需要足够的样本才能获得稳定的读数。传感器例如连续地生成数据，但在给出可靠的结果之前需要一些时间。
138.图6以示意形式示出本发明的方法。
139.该曲线图示出呼吸循环，其中，正值表示呼气，负值表示吸气。如上文所述，这可以通过差压传感器或风扇电机电流来测量。
140.定义采样窗口，诸如表示呼气阶段(ep)的窗口a、b、c和表示吸气阶段(ip)的窗口x、y、x。
141.传感器用于跨多个呼吸循环对这些数据窗口进行采样，以便从吸气部分或呼气部分获得用于单个读数的足够数据。所需呼吸循环的数目取决于各个呼吸循环的持续时间。例如，呼吸越快需要的呼吸循环越多。
142.这样，获得了足够的样本用于组合，从而以足够的精度定义单个传感器的(组合)读数。例如，通过组合来自吸气循环的多个样本，传感器可以收集足够的样本以创建对吸入空气(经过过滤器之后)的测量。类似地，可以对呼气样本进行组合，以给出足够的样本来创建测量。
143.根据待分析的流，传感器可以仅检测吸入空气或呼出空气。
144.一种基本方法是执行连续监测并使用后处理来选择完整数据流的所需部分。由于最终感测结果需要多个呼吸循环，所以等待完整数据流和执行后处理的延迟并不明显，例如，10秒的延迟对于生成输出来说并不明显。
145.然而，也可以执行实时感测。控制器例如接收来自传感器的实时感测数据。将数据量与预定义阈值进行比较。如果采样数据达到阈值，则可以将数据用于污染水平计算，否则
可以丢弃数据。
146.另一种方法是仅在采样窗口期间执行感测。在采样窗口之间的其它时间，可以关闭传感器，或者可以仅在循环的预期部分期间物理地暴露传感器，在其它部分期间没有传感器读数。
147.优选的选项是传感器连续采样。然后，控制器基于呼吸信号跟踪(通过风扇信号或压力传感器信号)，确定采样数据的哪个周期将被用于计算面罩腔内的污染水平。
148.图7示出三种呼吸波形。图7a示出坐着时的呼吸，图7b示出步行时的呼吸，图7c示出跑步时的呼吸。
149.可以看出，用户活动改变了呼吸速率和呼吸深度。
150.因此，时间窗应当适应用户的呼吸特性。特别地，时间窗应当具有如下宽度：使得时间窗捕捉吸气循环或呼气循环的主要核心部分，而不是宽到与吸气和呼气混合的时间段重叠。特别地，在吸气阶段和呼气阶段之间的过渡期间，存在吸入空气/呼出空气的混合。
151.为此，系统基于呼吸循环的变化，特别是呼吸速率的变化，例如响应用户活动的变化，动态地调整采样时间。
152.即使是相同的一般类型的活动，每个个体的呼吸循环也是不同的。因此，还可以以甚至更动态的方式在个体呼吸循环内调整采样窗口。
153.图8示出三种呼吸波形以及静态阈值。图8a示出坐着时的呼吸，具有第一阈值，图8b示出行走时的呼吸，具有第二阈值(低于第一阈值，即更小的负值)，并且图8c示出跑步时的呼吸，具有第三阈值(低于第二阈值，即更小的负值)。
154.采样时间段被示为t1至t12。宽度是可变的，因为宽度对应于每个呼吸循环内信号(压力或代表压力)低于阈值的时间。因此，宽度取决于实际呼吸循环的时间宽度。
155.当吸气时，一旦用户开始吸气，腔内的压力就变成负压。在吸气阶段开始时，腔内仍然有一些用户先前呼气时呼出的空气。压力迅速降低，并且颗粒传感器采样开始时间可以被设定为压力达到负阈值的时刻。
156.在图8的示例中，阈值被预定义为静态值，其通常是呼吸循环的半峰值压力值。半峰值压力仅仅是一个示例，也可以使用阈值的其它设定方式。
157.在另一示例中，阈值可以是自设定动态值。
158.图9示出三种呼吸波形以及动态自调节阈值。图9a示出坐着时的呼吸，图9b示出步行时的呼吸，图9c示出跑步时的呼吸。
159.面罩系统例如记录前一呼吸循环或先前呼吸循环组的数据。阈值可以被设定为前一呼吸循环或先前呼吸循环组的组合的峰值压力值的一半(或其它分数)。这样，系统可以适应不同的活动、不同的用户以及不同泄漏量造成的不同影响。
160.为了确保对数据进行采样的时间段足够长，控制器保持定时计数。例如，一旦压力下降至阈值之下，控制器就启动计时器，并且一旦压力增加至阈值之上，控制器就停止计时器(即测量采样时段t1至t12的持续时间)。
161.从不同的循环添加时间段以形成总定时值。当总定时值达到期望的采样时间时，传感器具有足够的数据来计算感测结果，诸如pm值。
162.传感器需要从吸气(或呼气)阶段的核心时段收集足够的样本以确定污染值。例如，如果吸气阶段(该阶段的数据是可靠的)的核心时段是2秒，并且传感器需要10秒的数据
来导出稳定值，则将组合总共5个呼吸循环以生成传感器读数。
163.面罩可以用于仅覆盖鼻子和嘴(如图1所示)，或者可以是全面罩。所示面罩是用于过滤环境空气的面罩。
164.上述面罩设计具有由过滤材料形成的主空气腔室，用户通过该主空气腔室吸入空气。同样如上所述，一种替代面罩设计具有与风扇串联的过滤器。在这种情况下，风扇帮助用户通过过滤器吸入空气，从而减少用户的呼吸努力。出口阀使得呼出的空气能够被排出，并且入口阀可以设置在入口处。
165.本发明可以利用检测到的由呼吸引起的压力变化，控制入口阀和/或出口阀。
166.如上所述的一种选择是，例如当排气阀打开时，仅使用风扇将空气从空气腔室内部抽吸至外部。在这种情况下，面罩容积内的压力可以通过风扇保持在外部大气压力之下，从而在呼气期间，存在进入面罩容积的清洁过滤空气的净流。因此，低压可以在呼气期间由风扇引起，或在吸气期间(当风扇可以关闭时)由用户引起。
167.一种备选选择是，仅使用风扇将空气从周围环境吸入空气腔室内。在这种情况下，风扇运行以增加空气腔室内的压力，但在使用时，空气腔室内的最大压力保持在比空气腔室外部的压力高4cmh2o之下，尤其是因为不打算进行高压辅助呼吸。因此，可以使用低功率风扇。
168.因此，可以看出，本发明可以应用于许多不同的面罩设计，具如此有风扇辅助的吸气或呼气，并且具有由过滤膜形成的空气腔室或具有密封的气密空气腔室。
169.在所有情况下，空气腔室内的压力优选保持在高于外部大气压力2cmh2o以下，或甚至1cmh2o以下或甚至0.5cmh2o以下。因此，防污染面罩并非用于提供持续气道正压，也不是用于向患者输送治疗的面罩。
170.面罩优选地是电池供电的，因此，低功率操作是特别感兴趣的。
171.图10示出测量防污染面罩的空气腔室内的颗粒或污染水平的方法。
172.步骤80是初始化步骤，包括在步骤80a中设定压力阈值，在步骤80b中设定所需(即目标)传感器采样时间(典型的采样时间是10秒)，以及在步骤80c中将计时器设定为零。
173.阈值压力用于确定何时开始使用传感器进行采样以及何时停止。计时器用于记录传感器采样时间。
174.在步骤82中，用户开始使用面罩，并且系统开始对压力进行采样，从而跟踪用户的呼吸。
175.在步骤84中，将采样压力与阈值压力(th)进行比较，以确定在吸气时段(在该示例中)内是否达到了呼吸时段的稳定部分。
176.如果压力保持高于阈值，则意味着呼吸尚未达到循环的稳定(核心)时段，因此方法返回到步骤82(即所示结果为“是”)，并继续监测压力。
177.当压力下降至阈值之下(即所示结果为“否”)时，意味着达到了颗粒传感器的采样时段。
178.然后，该方法进行至步骤86，在该步骤中，启动计时器以记录采样时间段。
179.在步骤88中，启动传感器(或使传感器暴露于空气流)，以获得诸如颗粒计数的感测数据。
180.在步骤90中，继续监测压力，并且继续进行感测。
181.在步骤92中，将压力与阈值压力进行比较。
182.如果压力低于阈值，则意味着呼吸循环仍然处于稳定时段，因此方法返回到步骤90(即所示结果为“否”)，并且传感器继续采样。
183.如果压力高于阈值，则意味着稳定的采样时段结束(即所示的结果为“是”)。然后在步骤94中停止计时器。新记录的时间是当前循环的采样时间。然而，总采样时间由定时器记录。
184.因此，步骤84-94实现对用户的一个呼吸循环的吸气部分的检测以及对采样持续时间的测量。
185.在步骤96中，将(总计)时间与设定采样时段t(例如10秒)进行比较。如果还没有达到期望的总采样时间(即结果为“否”)，则意味着颗粒传感器数据还不足以获得可靠的pm值。方法返回到步骤82。然后计时器将继续记录，即当前计时器值被用作下一个计时记录的开始值。
186.如果(总计)时间已经达到或超过采样时段t(结果为“是”)，则意味着传感器已经具有足够的数据来计算pm值。
187.在步骤98中，获得组合的感测结果，诸如pm2.5值。然后在步骤100中将计时器重置为零，并且方法返回到步骤82。
188.通过多次循环执行步骤82-96，获得关于多个吸气(或呼气)部分的组合感测结果。
189.注意，所示方法的一种替代方案是连续获取传感器数据，但使用与上述方法类似的方法来选择合适的数据采样时段。
190.面罩可以补充有附加功能和用户接口选项，但这些在本公开的范围之外。
191.如上所述，实施例利用控制器来执行各种所需功能，控制器可以用软件和/或硬件以多种方式实现。处理器是采用一个或多个微处理器的控制器的一个示例，该微处理器可以用软件(例如，微代码)编程以执行所需功能。然而，控制器可以在使用或不使用处理器的情况下实现，并且还可以实现为执行某些功能的专用硬件和处理器(例如，一个或多个编程微处理器及相关电路)的组合以执行其它功能。
192.可以在本公开各实施例中采用的控制器部件的示例包括但不限于，常规微处理器、专用集成电路(asics)及现场可编程门阵列(fpgas)。
193.在各种实施方式中，处理器或控制器可以与一个或多个存储介质相关联，如易失性和非易失性计算机存储器，诸如ram、prom、eprom和eeprom。存储介质可以用一个或多个程序编码，当在一个或多个处理器和/或控制器上执行时，该程序执行所需功能。各种存储介质可以固定在处理器或控制器中，或者可以是可运输的，从而使存储在其中的一个或多个程序可以加载至处理器或控制器中。
194.在实践所要求保护的发明的过程中，通过学习附图、公开内容及所附权利要求，本领域技术人员对于所公开实施例的变型是可以理解并实现的。在权利要求中，“包括”一词不排除其它元件或步骤，不定冠词“一”或“一个”不排除多个。单个处理器或其它单元可以满足权利要求中所述的多项功能。某些措施被记载在相互不同的从属权利要求中的事实不指示这些措施的组合不能被用于获得优势。如果在权利要求或说明书中使用术语“适于”，则应当注意，术语“适于”旨在等同于术语“被配置为”。权利要求中的任何附图标记不应理解为限制其范围。