具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，若干的含义是一个以上，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。

本发明的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

参照图1，本发明实施例提供了一种主流式呼气二氧化碳浓度和呼吸流量的检测装置，包括流体通道110、流量传感单元120、二氧化碳传感单元130和处理单元140。其中，流体通道110包括入口段111、检测段112和出口段113，入口段111用于连接呼吸面罩，出口段113用于连接呼气管道。检测段112上设有流量传感单元120进行呼气气体的流量检测的第一光学检测窗口(图中未示出)，以及二氧化碳传感单元130进行呼气气体内二氧化碳浓度检测的第二光学检测窗口(图中未示出)。检测段112内设有涡轮转子(图中未示出)。流量传感单元120和二氧化碳传感单元130均与处理单元140连接。

具体地，当检测段内进入呼气气体(图1中箭头方向为呼气气体流动方向)，涡轮转子在呼气气体的作用下旋转，从而干扰流量传感器对呼气气体流量的检测，使流量传感单元根据涡轮转子的旋转速度生成对应的第一子检测信号和第二子检测信号，从而实现流量传感器对呼气气体流量的检测。二氧化碳传感单元则根据呼气气体生成第三子检测信号。处理单元同步接收流量传感单元上传的第一子检测信号、第二子检测信号和二氧化碳传感单元上传的第三子检测信号，并根据第一子检测信号和第二子检测信号确定呼气气体的流量，以及根据第三子检测信号确定呼气气体内的二氧化碳浓度。

在一些实施例中，如图2所示，处理单元包括处理模块、红外光探测器前置处理模块和红外光探测器信号处理模块。红外光探测器前置处理模块用于接收流量传感单元发送的第一子检测信号和第二子检测信号，并对第一子检测信号和第二子检测信号进行整形得到方波信号。红外光探测器信号处理模块用于接收二氧化碳传感单元发送的第三子检测信号，并对第三子检测信号进行处理得到待量化信号；处理模块根据方波信号确定呼气气体的流量，以及根据待量化信号确定呼气气体内的二氧化碳浓度。此外，为了更好的控制流量传感单元和二氧化碳传感单元的工作状态，处理单元还包括红外光源恒压驱动模块和红外光源调制驱动模块。红外光源恒压驱动模块用于根据处理模块的第一控制信号控制流量传感单元内的第一红外光源发射模块和第二红外光源发射模块的工作状态。红外光源调制驱动模块用于根据处理模块的第二控制信号控制二氧化碳传感单元内的第三红外光源发射模块的工作状态。

在一些可选的实施例中，流量传感单元采用涡轮转子流量检测原理检测呼气气体的流量。具体地，如图3所示，流量传感单元120设置于检测段112上。具体地，流量传感单元120包括第一红外光源发射模块121、第二红外光源发射模块122、第一红外探测器123和第二红外探测器124。第一红外探测器123位于第一红外光源发射模块121的光轴上且第一红外探测器123的探测口指向第一红外光源发射模块121的发射口。第二红外探测器124位于第二红外光源发射模块122的光轴上且第二红外探测器124的探测口指向第二红外光源发射模块122的发射口。其中，图3上的箭头表示光照方向。

在工作过程中，当检测段内进入呼气气体，涡轮转子在呼气气体的作用下反复遮挡第一红外光源发射模块和第二红外光源发射模块发射的红外光。第一红外探测器接根据遮挡后的第一红外光源发射模块发射的光源生成第一子检测信号；第二红外探测器接根据遮挡后的第二红外光源发射模块发射的光源生成第二子检测信号；所述处理单元根据第一子检测信号和第二子检测信号确定呼气气体的流量。例如，以两个亚红外探测器分别作为第一红外探测器和第二红外探测器、以两个亚微米红外光源发射模块作为第一红外光源发射模块和第二红外光源发射模块为例。当检测段内进入呼气气体，涡轮转子在呼气气体的作用下产生旋转，转子在旋转的过程中反复遮挡两个亚微米红外光源发射模块发射的红外光，此时在对应的两个亚微米红外探测器上产生相对应的信号分别作为第一子检测信号和第二子检测信号。第一子检测信号和第二子检测信号在涡轮转子的调制作用下呈现高低起伏波动。第一子检测信号和第二子检测信号经过图2中的红外光探测器前置处理模块后进入处理模块的输入端口进行处理。图2中的红外光探测器前置处理模块可采用滞回比较器对上述第一子检测信号和第二子检测信号行整形，整形后会得到两路占空比一致，存在一定相位差的两路方波信号。通过比较两路方波信号的先后顺序，可判断涡轮转子的旋转方向，从而判断气流的流通方向。方波信号的频率对应涡轮转子的旋转速度，与气体流量正相关。在一些实施例中，在本装置应用之前，采用标准气体流量计对本装置进行标定，从而获得涡轮转子转速与气体流量的函数关系的解析形式，采用五次多项式对该函数关系式进行拟合，获得拟合参数数组(α₅，α₄，α₃，α₂，α₁，α₀)。当涡轮转子转速为v时，对应的呼气流量φ＝α₅×v⁵+α₄×v⁴+α₃×v³+α₂×v²+α₁×v+α₀。

在一些可选的实施例中，为了使两个红外探测器能准确采集各种红外光源发射模块发射的红外光，如图3所示，将第一红外光源发射模块的光轴和第二红外光源发射模块的光轴形成的内角β设置为大于0°且小于90°内。例如，将第一红外光源发射模块的光轴和第二红外光源发射模块的光轴形成的内角β设置为20°。

在一些可选的实施例中，如图4所示，二氧化碳传感单元130设置于检测段112上。具体地，二氧化碳传感单元130包括第三红外光源发射模块131和双通道红外探测器132，第三红外光源发射模块131和双通道红外探测器132在检测段112上对向安装。双通道红外探测器132包括参考信号通道1321和检测通道1322。其中，图4上的箭头表示光照方向。当检测段内进入呼气气体，双通道红外探测器根据参考信号通道检测到的信号和检测通道检测到的信号生成第三子检测信号，处理单元根据第三子检测信号确定呼气气体内的二氧化碳浓度。具体地，二氧化碳传感单元的检测依据是朗伯比尔定律，即特定红外光被吸收的量同该物质的浓度具有极强的相关性，可采用公式I＝I_mexp(-KCL)表示，式中I为吸收后的光强；I_m为吸收前的光强；K为特征气体的吸收系数，其与气体浓度无关；C为气体浓度；L为光程。在本实施例中，要实现二氧化碳气体的红外吸收检测，需要选择一个红外光源能够发射二氧化碳气体敏感的红外光谱，其次，需要使用红外探测器检测敏感谱段红外光谱被减弱的程度。为了达到上述效果，在敏感元件的设计上，本实施例采用两个探测器分别检测I₀和I_t，其中检测I₀的通道定义为参考信号通道，该参考信号通道对应探测器前端的窄带滤光片中心波长选择3.9μm～4.0μm之间，采用Ref.表示参考通道，其相应的探测器输出信号为U₀。检测I_t的通道定义为检测通道，检测通道对应的探测器前端的窄带滤光片中心波长选择4.26μm附近，优选的可以为4.26μm，采用Act.表示检测通道，其相应的探测器输出信号为U_t。各信号之间具有如下的关系：Act.：U_t∝I_t，Ref.：U_t∝I_t，根据朗伯比尔定律有：C∝f(I₀，I_t)。

具体地，当采用热释电类的红外探测器作为双通道红外探测器时，第三红外光源发射模块发射的红外光源需要工作在调制状态，根据红外探测器和红外光源的调制能力，将调制频率设置在2Hz至50Hz范围内，双通道红外探测器检测得到相应调制信号频率的参考通道光强和检测通道光强信号作为第三子检测信号，第三子检测信号经过图2中红外光探测器信号处理模块后，进入处理模块做数字量化，量化后的数字信号采用快速傅里叶变换算法获得对应调制频率处参考通道光强和检测通道光强信号的峰值。在一些实施例中，在本装置使用之前，需要采用标准浓度气体对二氧化碳检测单元进行标定，获得二氧化碳气体浓度同光强信号之间的函数关系。采用公式Y＝W×(I-exp(-αX^β))对获得的数据进行非线性最小二乘拟合。其中Y为吸光率，令Y＝1-Z×I_t/I₀，式中Z为二氧化碳气体浓度为零时I_t和I₀的比值。X为二氧化碳气体浓度，其中W、α和β为待拟合参数。在完成上述设置后，根据双通道红外探测器实时检测到的红外信号，即能确定当前呼气气体内的二氧化碳浓度。

在一些可选的实施例中，为了便于本装置在检测过程中与其他部件的连接过程，在入口段上设有第一机械接口，第一机械接口用于连接呼吸面罩。在出口段上设有第二机械接口，第二机械接口用于连接呼气管道。

参照图5，本发明实施例提供了一种主流式呼气二氧化碳浓度和呼吸流量的检测方法，本实施例应用于图1所示装置的处理单元内。

在应用过程中，本实施例包括以下步骤：

S51、获取流量传感单元对流体通道内的呼气气体进行检测得到的第一子检测信号和第二子检测信号，其中，第一子检测信号和第二子检测信号与流体通道内涡轮转子的旋转速度相关；

S52、获取二氧化碳传感单元对流体通道内的呼气气体进行检测得到的第三子检测信号；

S53、根据第一子检测信号和第二子检测信号确定呼气气体的流量，以及根据第三子检测信号确定呼气气体内的二氧化碳浓度。

本发明装置实施例的内容均适用于本方法实施例，本方法实施例所具体实现的功能与上述装置实施例相同，并且达到的有益效果与上述装置达到的有益效果也相同。

上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。此外，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。