CN109477826B - 用于被动车载式呼吸酒精估计的传感器系统 - Google Patents

Abstract

方法和设备允许驾驶者的呼吸酒精浓度（BrAC）的被动确定。可以通过呼出气体来确定酒精浓度，然而，对驾驶者的不便通常是将BrAC传感器并入到车辆中的障碍。所述方法和设备允许驾驶者的BrAC的被动确定，同时检测并考虑可能降低被动BrAC读数的准确性的各种环境条件。例如，诸如CO₂的示踪气体用于验证测试条件对于被动检测来说是否是符合要求的。如果所述测试条件不是符合要求的，则提示车辆驾驶者主动提供呼吸样本。

Description

用于被动车载式呼吸酒精估计的传感器系统

相关申请的交叉引用

本申请要求于2016年3月24日提交的美国临时专利申请号62/312,476以及于2016年12月23日提交的美国专利申请号15/389,724的优先权，每个申请的全部内容都通过引用在此被并入本文。

技术领域

本发明涉及用于检测驾驶者的呼出气体（exhaled breath）中的呼吸酒精浓度的方法，且具体地，用于快速估计驾驶者的呼吸酒精水平的方法。

背景技术

警方定期执行有监督的呼吸测试以努力防止醉酒驾驶。除了有监督的呼吸测试之外，已经将进行无人监督的测试以防止醉酒驾驶者操作车辆的自动点火互锁装置（有时称为“酒精锁”）安装在车辆自身内。用于这样的呼吸测试的感测技术可以基于催化珠（catalytic bead）（或催化载体（pellistor））、半导体、燃料电池或者红外光谱。典型的呼吸测试装置在驾驶者深呼吸并将他的或她的气道清空从而将气体吹到吹嘴中之后提供表示呼吸酒精浓度（BrAC，Breath Alcohol Concentration）的信号，出于卫生原因，该吹嘴通常是单独的一次性物品。为了确保正确的确定，测试人员需要以几乎完全的肺活量递送强制呼气。这需要大量时间和精力，特别是对于肺活量有限的人来说。易用性、便利性和准确性是提高车辆中内置点火互锁装置的接受度和采用度的重要因素。

发明内容

因此，需要足够灵活的被动呼吸测试，以避免给驾驶者带来不便，同时确保在各种环境条件和驾驶者行为下测试的准确性。在被动呼吸测试中，驾驶者不需要向传感器提供定向空气，并且将在没有驾驶者的附加动作的情况下通过车辆内的空气进行BrAC测量，该空气将是驾驶者和任何乘客两者的呼吸以及周围空气的混合物。相反，在主动呼吸测试中，驾驶者可能需要靠近传感器，并且将强制的未稀释的呼吸引向传感器或者通过空气入口（例如，吹入管中）。虽然优选被动呼吸测试，但是在一些情况下，可能无法执行准确的被动吸气测试。这样的情况可能是有关环境的（例如，非常热的天气）或者驾驶者试图使系统失效的结果（下面会描述一些示例），但是任一种方式都可能导致车辆内的空气不能准确地反映驾驶者的BrAC。如果不满足正常测试条件（在正常测试条件下可以进行准确的被动BrAC测试），那么需要进行主动呼吸测试。

测量指示环境条件和驾驶者行为两者的各种参数以检测何时不再满足正常测试条件。例如，这些包括检测示踪气体（tracer gas）峰值，其指示已经检测到驾驶者的呼吸。计时器可以设定检测到驾驶者的存在与检测到示踪气体峰值之间的时间限制。该时间限制可以防止驾驶者通过屏住他的或者她的呼吸或以其它方式对传感器隐藏他的或者她的呼吸来试图使系统失效。压力传感器可以检测到如下情况：驾驶者通过使车辆通风而试图使系统失效，或者吹过车辆的风可能妨碍准确的被动呼吸测试。检测驾驶者头部相对于传感器的位置可以确保驾驶者的呼吸被引向传感器，以便防止通过提供待测量的“呼吸”的替代源来试图使系统失效。

本文描述的方法和设备允许呼吸酒精浓度的被动检测，并且可以用于控制车辆的点火。具体地，所述方法和设备被设计为通过被动呼吸测试确定BrAC而在正常测试条件期间不会给驾驶者带来不便，检测何时不再满足正常测试条件，并且在这些情况下通过主动呼吸测试提供BrAC测量。

在用于操作车辆的被动呼吸酒精检测的方法或设备的示例中，所述设备可以包括测量被动获得的第一空气样本中的示踪气体的浓度的传感器，而所述方法可以包括启动传感器系统、被动地获得第一空气样本以及通过第一空气样本测量浓度。所述设备可以包括处理器，该处理器通过使用传感器系统部分地基于第一空气样本来确定测试条件集合，而所述方法可以包括该确定。如果测试条件集合在正常范围内并且检测到示踪气体浓度峰值，则所述方法或处理器通过第一空气样本测量驾驶者的BrAC。如果测试条件集合在正常范围之外或者未检测到示踪气体浓度峰值，则所述方法或处理器向驾驶者请求主动的第二空气样本并且测量驾驶者的BrAC。

在一些实施例中，所述方法包括测量启动传感器系统与检测示踪气体浓度峰值之间的时间间隔。在一些实施例中，所述设备包括测量该时间间隔的计时器。如果时间间隔超过预定时间限制，则所述方法或处理器确定测试条件集合在正常范围之外。在一些实施例中，所述设备包括测量车辆的环境条件的传感器，并且在一些实施例中，所述方法包括测量这样的环境条件。在一些实施例中，这样的传感器可以是温度传感器，并且在一些实施例中，所述方法包括测量车辆内的温度。如果温度在正常温度范围之外，则所述方法或处理器确定测试条件集合在正常范围之外。在一些实施例中，所述设备包括测量车辆内的压力的压力传感器，并且在一些实施例中，所述方法包括测量该压力。如果压力在正常压力范围之外，则所述方法或处理器确定测试条件集合在正常范围之外。在一些实施例中，所述设备包括测量驾驶者头部相对于BrAC传感器的位置的相机，并且在一些实施例中，所述方法包括测量驾驶者头部相对于BrAC传感器的位置。在一些实施例中，启动传感器系统包括检测进入车辆的驾驶者的存在。在一些实施例中，通过主动呼吸测试测量驾驶者的BrAC包括确定通过被动呼吸测试测量到的BrAC是否处于中等水平。如果测量到的BrAC处于中等水平，则所述方法请求主动呼吸样本并且测量BrAC。在一些实施例中，通过主动呼吸测试测量驾驶者的BrAC包括通过人机界面（HMI）请求被引向BrAC传感器的未稀释的呼吸样本。

在一些实施例中，所述方法包括向呼吸测试系统的中央处理单元（CPU）发送传感器信号，其与车辆的CPU通信。在一些实施例中，处理器接收来自传感器的传感器信号。在一些实施例中，所述方法包括：如果驾驶者的BrAC测量结果高于设定点，则禁用车辆的操作，这也可以用处理器完成。在一些实施例中，该方法包括：如果驾驶者的BrAC结果低于设定点，则启用车辆的操作，这也可以用处理器完成。在一些实施例中，所述方法包括：如果第一空气样本的被动呼吸测试的结果处于中等水平，则向驾驶者请求主动的第二空气样本并且测量驾驶者的BrAC。在一些实施例中，所述请求可以由处理器提出。在一些实施例中，所述方法包括：在启动传感器系统之后继续测量空气样本，以及在测量了第一空气样本之后继续测量示踪气体的浓度。在一些实施例中，传感器在启动传感器系统之后继续测量空气样本，并且还在测量了第一空气样本之后继续测量示踪气体的浓度。

附图说明

在结合附图考虑以下详细描述时，本发明的主题的进一步特征、其性质和各种优点将变得显而易见，其中贯穿全文，相似的附图标记表示相似的部分，并且其中：

图1描绘了根据说明性实施方式的用于通过被动或主动呼吸样本确定BrAC测量值的过程的流程图；

图2描绘了根据说明性实施方式的用于通过被动呼吸样本确定BrAC测量结果的过程的流程图；

图3描绘了根据说明性实施方式的用于通过主动呼吸样本确定BrAC测量结果的过程的流程图；

图4描绘了根据说明性实施方式的用于通过主动和被动呼吸样本两者检测呼吸和BrAC浓度的传感器；

图5A和5B是根据说明性实施方式的驾驶者头部相对于传感器的位置的俯视图；以及

图6是表示根据说明性实施方式的由启动传感器和BrAC传感器检测到的信号的示例的图。

具体实施方式

对驾驶者执行呼吸测试是减少醉酒驾驶和醉酒驾驶相关死亡的有效筛查方法。在呼吸测试中，受试者将空气呼出到传感器或者测量装置中达足够的时间并且具有足够的体积以实现源于肺的肺泡的呼吸流，其中，血液中的诸如乙醇（EtOH）的物质与空气交换。然后，传感器或测量装置通过转换算法来测量空气中与血液酒精相关的酒精含量。

现有的基于呼吸的酒精测试技术需要驾驶者以几乎完全的肺活量递送强制呼气。这需要大量时间和精力，特别是对于肺活量有限的人来说。出于卫生原因，现有的呼吸测试装置中使用的吹嘴（mouthpiece）也可能需要在多次使用后进行清洁和更换。另外，诸如风、温度、其他人的存在等环境条件可能会显著影响BrAC测量值的准确性。为了改善车辆中的点火互锁装置的采用度和公共接受度，需要一种呼吸测试系统，该呼吸测试系统不会给驾驶者带来不便并且在车辆中所发现的各种条件下都是稳健的。

因此，需要足够灵活的被动呼吸测试，以避免给驾驶者带来不便，同时确保在各种环境条件和驾驶者行为下测试的准确性。在被动呼吸测试中，驾驶者不需要向传感器提供定向空气，并且将在没有驾驶者的附加动作的情况下通过车辆内的空气进行BrAC测量，该空气将是驾驶者和任何乘客两者的呼吸以及周围空气的混合物。在被动呼吸测试中，用风扇将车辆内的空气拉入到传感器中。通过首先测量诸如二氧化碳的示踪气体的浓度来进行BrAC测量，其指示对车辆内的空气中的驾驶者呼吸的稀释。然后，测量到的EtOH浓度可以与该呼吸稀释因子组合以确定BrAC。因此，仅通过对车辆内的空气进行采样来进行BrAC测量，而不会给驾驶者带来不便。

相反，在主动呼吸测试中，驾驶者可能需要靠近传感器，并且将强制的未稀释的呼吸引向传感器或者通过空气入口（例如，吹过管）。在主动呼吸测试中，因此，直接通过驾驶者的呼吸来测量BrAC，而不是通过车辆内的空气。主动呼吸测试需要驾驶者的动作与启动车辆所需的正常动作分开，且因此与被动呼吸测试相比，可能被认为是更不方便的。

虽然优选被动呼吸测试，但是在一些情况下，可能无法执行准确的被动吸气测试。例如，驾驶者可能试图使系统失效，导致车辆内的空气不能准确地反映驾驶者的BrAC。类似地，车辆内的环境条件（诸如，来自敞开车窗的大风、或者车辆在炎热天气下长期关闭之后的高温）可能无法实现准确的BrAC测量。如果不满足正常测试条件（在正常测试条件下可以进行准确的被动BrAC测试），那么需要对驾驶者进行主动呼吸测试。

本发明提供了各种感测检查以实现在正常条件下对驾驶者的BrAC的被动检测和估计，同时在不再满足正常条件时切换到通过主动呼吸测试进行BrAC测量。这通过如下方式来减少驾驶者的不便：默认为BrAC的被动估计，同时在BrAC估计的准确性不确定并且驾驶者行为或测试条件超出规范时提供替代逻辑路径。

图1描绘了根据说明性实施方式的用于通过被动或主动呼吸样本确定BrAC测量值的过程的流程图。过程100开始于102。开始102可以由通过打开驾驶者座位的门开启车辆门的无线门钥匙或者能够发信号通知驾驶者已经进入车辆的任何其它指示器启动。当驾驶者或者测试受试者迈出进入车辆的驾驶者座位的第一步时，过程100将启动传感器来监测车辆内的测试条件，检测驾驶者的呼吸，并且开始计时器，以便在104处检查在测试期间是否在时间限制内检测到驾驶者的呼吸。如果检测到驾驶者的呼吸（如在逻辑门106处所确定的），车辆内的测试条件是正常的（如在逻辑门108处所确定的），并且尚未超过时间限制（如在逻辑门110处所确定的），那么过程100将行进到112并且将通过被动呼吸样本进行BrAC测量。然而，如果逻辑门106或108中的任何一个做出否定确定，或者在110处已经超过时间限制，那么过程100将行进到在114处向驾驶者请求主动呼吸样本。

104处的测试包括对在过程100中使用的所有功能块和传感器的自测试。在测试104处，建立在过程100中使用的任何传感器的温度敏感元件的稳定操作温度。例如，这可以包括高于40℃的示踪气体检测传感器内的镜子的加热。参照图4进一步详细描述镜子和示踪气体检测传感器。进行的自测试程序104在室温或高于室温的测试条件下可以持续5至8秒之间。自测试程序在低温下可以持续长于8秒。104处的测试还可能需要在驾驶者进入之前测量车辆的初始条件，诸如，CO₂水平、车辆空气中的EtOH浓度、空气温度、空气压力等。这些初始条件可以用于在逻辑门106和108处分别确定是否已经检测到驾驶者的呼吸以及测试条件是否在正常范围内。

示踪气体可以是用于检测驾驶者的呼吸的任何气体。示踪气体可以是二氧化碳（CO₂）或者是可以指示呼出气体的任何其它气体。示踪气体检测传感器的敏感度允许检测高度稀释的呼出气体，这可能具有大于或等于50的稀释因子（即，周围空气与未稀释呼吸之间的比）。在启动过程100之后，连续地将空气从车辆内的空气抽吸通过示踪气体检测传感器。示踪气体检测传感器可以定位成比任何乘客位置更靠近驾驶者头部的位置，例如，在最靠近车辆的驾驶者侧的方向盘轴或者侧门处。呼出气体被识别为由示踪气体检测传感器输出的信号峰值。如果示踪气体是CO₂，则与基线信号相对应的CO₂的基线浓度预期在400与600ppm （0.04%至0.06%的体积）之间。参照图6进一步详细描述102的示踪气体信号和启动信号。参照图4进一步详细描述确定是否在逻辑门106处检测到呼吸的示踪气体检测传感器。发现示踪气体检测峰值的呼吸样本可以与112处用于BrAC测量的呼吸样本相同。因此，在测试104和逻辑门106期间检测驾驶者的呼吸可以与在112处通过被动呼吸样本进行的BrAC测量大致同时发生。

逻辑门108可以处理车辆的测试条件并且确定它们是否在能够通过被动呼吸样本产生准确的BrAC测量的正常条件内。环境条件可能需要驾驶者的行为以及车辆本身的状态这两者。可以通过各种传感器检测这些条件，包括示踪气体检测传感器以及放置在整个车辆中的辅助传感器。传感器可以包括确定车辆内的温度的温度传感器、确定车辆内的大气压力以及通过车辆内部的风或空气的压力传感器。车辆内的正常温度可以在-40℃至85℃的范围内。这可以是BrAC传感器可以进行准确的被动呼吸测试的温度范围。正常大气压力可以在80至105 kPa的范围内。这可能是驾驶者的呼吸与周围空气的混合可以产生准确的被动呼吸测试的压力范围。温度和压力传感器可以是任何标准的传感器元件并且可以嵌入到车辆的主体中。

监测驾驶者行为的相机传感器也可以放置在驾驶者附近，诸如，靠近方向盘轴。该相机传感器可以检测驾驶者头部相对于示踪气体检测传感器的位置，如关于图5进一步详细描述的。驾驶者头部与示踪气体检测传感器之间的关系可以确定驾驶者是否在示踪气体检测传感器的方向上呼吸。相机可以检测驾驶者通过背离传感器来试图避免检测他的或她的BrAC的场景。相机传感器还可以检测驾驶者面部附近的不熟悉物体的存在，诸如，面罩、过滤器、喷雾瓶或者打算干扰示踪气体检测传感器或提供“呼吸”的替代源以防止准确的被动呼吸测试的其它物体。相机传感器还可以检测乘客的靠近位置，这可能使得难以区分乘客的BrAC水平与驾驶者的BrAC水平，或者驾驶者试图使系统测量乘客的BrAC水平而不是他自己的或她自己的BrAC水平。逻辑门108还可以确定车辆的供暖、通风和空气调节（HVAC）系统的状态，诸如，它是否处于打开状态或者关闭状态。在过程100期间，HVAC系统优选地关闭或者处于正常操作条件下。在被动呼吸测试期间使用HVAC系统可能会过度稀释驾驶者的EtOH水平，将驾驶者的呼吸转移离开传感器，或者以其它方式防止准确的被动呼吸测试。逻辑门108还可以检测挡风玻璃流体的存在。挡风玻璃流体通常包括乙醇，这可能影响车辆内的EtOH的检测。挡风玻璃流体在正常测试条件下处于关闭状态。逻辑门108可以通过与车辆（诸如，与车辆的CPU或者控制器局域网（CAN）总线）通信来确定车辆的HVAC系统的状态以及挡风玻璃流体的状态这两者。

110处的逻辑门确定过程100是否已经超过在测试104期间检测驾驶者的呼吸的时间限制。这可以是预定时间限制，诸如，从10至30秒。在110处，如果确定已经超过该时间限制，那么过程100行进到在114处通过主动呼吸样本进行BrAC测量。时间限制可以防止如下情况：驾驶者避免在传感器的方向上呼吸、屏住他的或她的呼吸、在他的或她的头部之上放置面罩、或者以其它方式在不提供呼吸样本的情况下试图操作车辆。在这种情况下，110处的逻辑门将识别出在预定时间限制之后未检测到呼吸，并且将在114处要求来自驾驶者的主动呼吸样本。

如果在逻辑门106处检测到驾驶者的呼出气体，而逻辑门108已经确定测试条件是正常的并且逻辑门110已经确定尚未超过时间限制，那么过程100将行进到在112处通过被动呼吸样本进行BrAC测量。可以参照图2进一步详细描述BrAC测量112。然而，如果在106处未检测到呼吸，那么过程100将继续测试驾驶者的呼吸，直到在110处超过时间限制或者除非在108处未满足正常测试条件。在这种情况下，过程100将在114处要求主动呼吸样本，通过该主动呼吸样本测量BrAC。在108处确定尚未满足正常测试条件足以在114处要求主动呼吸样本。类似地，如果在110处确定已经超过时间限制，则过程100将行进到114处的主动呼吸样本。可以参照图3进一步详细描述114处的主动呼吸样本。BrAC测量112和114的结果可能在准确性上有所不同。

图2描绘了根据说明性实施方式的用于通过被动呼吸样本确定BrAC测量结果的过程的流程图。过程112在202处确定驾驶者的BrAC。过程112可以与104和106处的示踪气体的检测大致同时进行，如图1中所示。因此，可以通过使用在104处收集到的相同的呼吸样本来执行过程112以检测指示驾驶者的呼吸的示踪气体峰值。BrAC的测量基于检测到的示踪气体（这可以是CO₂）的稀释度。检测到的车辆周围空气中的示踪气体的稀释因子或者DF用于确定驾驶者的BrAC的估计值。可以根据以下等式确定BrAC水平：

BrAC = EtOH * DF (1)

DF是空气中的示踪气体的稀释因子。可以使用附加算法来并入来自辅助传感器（未示出）的信息。在112处通过被动呼吸样本测量BrAC所使用的算法可能与在114处通过主动呼吸样本测量BrAC所使用的算法不同。如果BrAC的估计值低于预定设定点（表示为“低”或者“L”），那么过程112在206处输出驾驶者的BrAC是“合格”的信号。预定设定点可以在0.1至0.4 mg/L（50至200 ppm）的区间内。预定设定点可以是驾驶者年龄的函数。预定设定点可以是对酒后驾车（DUI，driving under the influence）或受伤后驾车（DWI，driving whileimpaired）的血液酒精浓度的法定限制的函数。信号206可以用于启用车辆的操作。如果估计的BrAC值远高于预定设定点（表示为“高”或者“H”），那么过程112将在204处输出指示驾驶者的BrAC是“不合格”的信号。高于所述设定点的0.1至0.2 mg/L（50至100 ppm）的BrAC水平可能会导致在204处输出指示驾驶者的BrAC是“不合格”的信号。信号204可以用于禁用车辆的操作。在202处，如果确定驾驶者的BrAC在略高于或略低于预定设定点的中等范围内（表示为“中等”或者“I”），那么需要对驾驶者的呼吸进行进一步分析以进行最终确定。然后要求驾驶者在208处执行主动呼吸测试。参照图3进一步详细描述主动呼吸测试，并且该主动呼吸测试是图1和图3中所示的过程114。传感器（诸如图4中所描述的传感器）可以在202处进行测量，而诸如图4中进一步详细描述的外部处理可以将信号204和206传送到中央处理单元或者CPU 415。

图3描绘了根据说明性实施方式的用于通过主动呼吸样本确定BrAC测量结果的过程的流程图。过程114开始于测量驾驶者的BrAC的302。在302处通过主动呼吸样本进行BrAC测量中，请求驾驶者在距离传感器15至30 cm的距离处向传感器（未示出）提供主动呼吸。可以针对车辆内的传感器的位置调整距离。如果BrAC低于预定设定点（表示为“低”或者“L”），那么过程114在306处输出驾驶者的BrAC是“合格”的信号。信号306可以用于启用车辆的操作。如果估计的BrAC值远高于预定设定点（表示为“高”或者“H”），那么过程114将在308处输出指示驾驶者的BrAC是“不合格”的信号。信号308可以用于禁用车辆的操作。在302处，如果确定驾驶者的BrAC在略高于或略低于预定设定点的中等范围内（表示为“中等”或者“I”），那么将请求驾驶者在304处提供具有证据准确性的呼吸样本。在304处执行的呼吸测试将需要未稀释的呼吸样本。通过测试304，不存在中等响应。在304处的呼吸测试将需要驾驶者在距离传感器15至30 cm的距离处将主动呼吸引向传感器（未示出）。可以针对车辆内的传感器的位置调整距离。如果测量到的BrAC值低于设定点（L），那么过程114将在306处产生指示驾驶者的BrAC是“合格”输出信号。如果测量到的BrAC值高于设定点（H），那么过程114将在308处产生指示驾驶者的BrAC是“不合格”输出信号。

图1中的逻辑门106、108、110、图2中的202、以及图3中的302和304被示出为表示“如果...那么”的逻辑陈述，然而，这些逻辑门并不限于布尔逻辑（Boolean logic）的元件。逻辑门106、108、110、202、302和304也可以展示模糊逻辑或者由人工神经网络管理。可以将期望的逻辑系统编程到CPU 415中，如参照图4进一步详细描述的。

图4描绘了根据说明性实施方式的用于通过主动和被动呼吸样本两者检测呼吸和BrAC浓度的传感器。传感器400可以在图1中所示的测试104期间检测呼吸，在104处测量车辆的初始条件，并且通过被动呼吸样本112执行BrAC测量并通过主动呼吸样本114执行BrAC测量这两者，如图1中所示以及参照图2和图3进一步详细描述的。传感器400连续地将空气抽吸通过入口402，到达出口403，并且测量空气流内的诸如CO₂的示踪气体的存在和EtOH的存在这两者。传感器400确定驾驶者的BrAC在低范围、高范围还是中等范围，如参照图2和图3描述的。

传感器400包含在包封件401内，并且可以是独立的传感器或者设计用于集成到车辆的内部中，诸如，在方向盘轴、侧门、A-或B-竖直支撑柱、防晒板、仪表板、或者与车辆的乘客指定区域相比显著更靠近驾驶者头部的其它便利位置内。除了传感器入口402和出口403处的开口之外，包封件401可以是密封的。包封件401可以具有大致25 x 40 x 120 mm的尺寸。通过入口402进入包封件401的空气由入口加热器404加热到高于体温，这可以避免在较低的周围温度下冷凝。入口加热器404可以具有与入口空气的大表面接触面积，以便改善从加热器到进入空气的热传递。加热器404可以是电阻加热器。从入口402到出口403的空气流由位于出口403附近的风扇411驱动。

传感器400通过红外（IR）光谱测量CO₂和EtOH的存在。IR光谱使用气相酒精在由红外光照射时产生的特定“指纹”来确定传感器400的空气流内的酒精浓度。检测到的任何物质的吸收光谱是共振分子振动的产物，这对于呼吸样本中分子或化合物内的原子键来说是特异性的。通过吸收光谱，可以确定呼吸样本内的特定物质及其绝对或相对浓度。

为了执行IR光谱并且检测示踪气体的存在和EtOH的存在这两者，传感器空气腔室管410包括两个单独的光学路径，一个用于检测示踪气体并且第二个用于检测EtOH。由这两个光学路径产生的信号用于确定在周围空气中驾驶者的呼吸的稀释因子的值（或者等式1中所示的DF）以及输入空气内的EtOH浓度值。

由图4中所示的EtOH IR发射器406和EtOH IR检测器407组成的第一光学路径将确定EtOH浓度。EtOH IR发射器406将IR辐射输出到传感器空气腔室管410的内部中。由放置在空气腔室管410的一端处的第一镜子405和位于空气腔室管410的相对端处的第二镜子412组成的球形镜子组件反射从EtOH IR发射器406发射的IR辐射。发射的IR辐射的光学路径长度可以是第一镜子405与第二镜子412之间的距离的几倍，因为镜子组件在发射光撞击EtOHIR检测器407之前将反射发射光若干次。光学路径如图4中的虚线所示，然而，这仅作为示例示出，并且EtOH IR发射器406与EtOH IR检测器407之间的实际光学路径可能会长得多。

EtOH IR发射器406可以是黑体辐射器、IR激光二极管、或者能够产生IR光并且优选地具有小质量以安装在空气腔室管410内的任何其它光源。EtOH IR发射器406可以以5至10 Hz之间的频率调制，以便抑制EtOH IR检测器407的信号中的低频噪音和干扰。EtOH IR检测器407包括带通滤波器，该带通滤波器被调谐到EtOH的IR吸收峰值，其大约为9.5 um。EtOH IR检测器407可以是能够产生高分辨率信号的热电检测器或者光子检测器，并且还可以包括用于局部冷却的帕尔贴（Peltier）元件，以便抑制检测信号中的热噪音。参照图6进一步详细描述由EtOH IR检测器407产生的检测信号。传感器400专门设计用于高分辨率IR光谱测量，并且可以具有超过0.5 g/L（或者1.2 ppm）EtOH的分辨率，使得能够估计高度稀释的呼吸中的酒精浓度。

第二光学路径专用于检测诸如CO₂的示踪气体的存在，这将指示通过传感器400输入的空气内的驾驶者的呼吸的稀释度。示踪气体IR发射器408放置为与示踪气体IR检测器409相对，使得从示踪气体IR发射器408到示踪气体IR检测器409的光学路径穿过空气腔室管410的较短尺寸。示踪气体IR检测器409可以被调谐到专属于检测到的示踪气体的IR吸收频率的波长带。在示踪气体是CO₂的示例中，吸收峰值可以是4.26 um。由于呼出空气中CO₂的潮气末（end tidal）浓度较高（通常为4.2%的体积），所以可以使用穿过空气腔室管410的较短光学路径。该路径在图4中被指示为示踪气体IR发射器408与示踪气体IR检测器409之间的虚线。参照图6进一步详细描述由示踪气体IR检测器产生的信号。

来自EtOH IR检测器407和示踪气体IR检测器409两者的信号可以用于确定是否满足BrAC的被动测量的正常条件，诸如，在图1中所示的过程100的测试104和逻辑门108期间。这可能需要检查示踪气体的基线存在是否在标准水平内，诸如，周围空气中CO₂的基线浓度。

第一镜子405和第二镜子412两者与中央处理单元或者图4中所示的CPU 415通信。EtOH IR发射器406、EtOH IR检测器407、示踪气体IR发射器408和示踪气体IR检测器409也可以与CPU 415信号通信。CPU 415处理由EtOH IR检测器407和示踪气体IR检测器409生成的信号以确定BrAC测量值。

HMI 413与CPU 415通信并且可以用于与驾驶者通信以请求通过主动的呼吸样本进行BrAC测量。HMI 413包括用于与驾驶者通信的视听装置，诸如，将消息和主动呼吸测试的请求以及其它指示传达给驾驶者的屏幕和扬声器。HMI可以向驾驶者显示BrAC测量结果。HMI可以是多用途界面，使得请求和显示与呼吸测试相关的信息仅是许多功能中的一个功能。其它功能可以是导航、HVAC交互、立体音响系统交互、或者对车辆来说典型的其它系统交互。HMI可以在驾驶者的视野内集成到车辆中。

CPU 415还与辅助传感器414通信，例如，该辅助传感器414可以是温度、大气压力或光学传感器或者相机以确定车辆内的测试条件。在过程100的测试104期间使用辅助传感器414。数据通信单元416可以存储由CPU使用的参数值以确定车辆的BrAC测量值和正常测试条件。数据通信单元416还在传感器系统400与传感器400外的其它单元（未示出）之间传递数据。传感器400还包括用于功率管理和供应的功率单元117。

图5是根据说明性实施方式的驾驶者头部相对于传感器的位置的俯视图。辅助传感器测量驾驶者504与传感器506之间的侧向距离510。可以在传感器的中线508与驾驶者头部的中线504之间测量侧向距离510。在正常测试条件下，侧向距离510小于或等于20 cm。侧向距离510的测量可以发生在图1中所示的过程100的测试104处。逻辑门108处确定车辆的测试条件是否正常考虑了图5A中所示的侧向距离510。侧向距离510的测量可以确保驾驶者在主动呼吸测试期间直接朝向传感器506呼吸。侧向距离510的测量也可以确保，在被动呼吸测试期间，驾驶者未通过将他的或她的头部保持远离传感器的方向来试图避免传感器的呼吸检测。

辅助传感器还测量驾驶者头部相对于传感器516的中线518的旋转。可以在传感器516的中线518与驾驶者头部512的中线514之间测量旋转角度520。在正常测试条件下，旋转角度520可以是±5°。旋转角度520的测量可以发生在图1中所示的过程100的测试104处。逻辑门108处确定车辆的测试条件是否正常考虑了图5B中所示的旋转角度520。旋转角度520的测量可以确保驾驶者在主动呼吸测试期间直接朝向传感器516呼吸。旋转角度520的测量也可以确保，在被动呼吸测试期间，驾驶者未通过将他的或她的头部保持远离传感器的方向来试图避免传感器的呼吸检测。

侧向距离510和旋转角度520可以由嵌入式相机传感器（未示出）测量，该嵌入式相机传感器可以并入到车辆中并且放置在驾驶者头部附近。嵌入式相机还可以确定在相机的视野内是否存在不熟悉的物体和/或乘客是否在驾驶者头部的视野内。

图6是表示根据说明性实施方式的由启动传感器和BrAC传感器检测到的信号的示例的图。在600处示出的图沿着相同的时间尺度发生。图602（表示为“P”）示出了信号604，其表示当驾驶者进入或准备进入车辆时检测到他或者她的存在。信号604启动图1中的过程100中所示的开始102。信号604开始计时器，该计时器将确定604处的启动信号与呼吸的检测之间的时间间隔，这在图606处示出（表示为“T”）。通过示踪气体信号的浓度峰值608检测呼吸。当示踪气体是CO₂时，呼吸检测中的峰值被表征为处于或高于525 ppm的CO₂检测大小，假设稀释因子是80，并且假设潮气末CO₂浓度是4.2%的体积。峰值的持续时间614预期为1至3秒，不包括传感器的响应时间。峰值的上升时间612以及下降时间616也可以用于表征示踪气体信号作为驾驶者的呼出气体的结果。典型的上升时间可以在0.5至1.0秒的范围内，而典型的下降时间可以在3至5秒的范围内。610处的示踪气体信号峰值可以结束计时器。可以测量时间间隔622并且将其用于确定在启动信号604与呼吸信号608之间是否已经超过了可接受的时间限制，诸如，在图1中所示的逻辑门110处。

图618示出了EtOH的检测信号。根据驾驶者的呼吸内的EtOH的浓度，图618可以示出或者不示出与示踪气体峰值608相对应的峰值620。然而，如果驾驶者的呼吸中存在EtOH，则EtOH信号620将与示踪气体信号608大致同时，如图6中所示。峰值的大小将指示测量到的呼吸样本中BrAC的浓度。通过峰值620测量BrAC可以与峰值608的检测大致同时发生。

将理解的是，前述内容仅是对本发明原理的说明，并且本发明可以通过除了所描述的实施例之外的其它实施例来实践，所述实施例是出于说明而非限制的目的而呈现的，并且本发明仅受所附的权利要求的限制。

Claims (26)

1.一种用于车辆操作的被动呼吸酒精检测的方法，所述方法包括：

启动传感器系统；

被动地获得第一空气样本；

测量所述第一空气样本中的示踪气体的浓度；

通过使用所述传感器系统、部分地基于所述第一空气样本来确定测试条件集合；

如果所述测试条件集合在正常范围内并且检测到示踪气体浓度峰值，则通过所述第一空气样本测量驾驶者的呼吸酒精浓度，即BrAC；

如果所述测试条件集合在所述正常范围之外或者未检测到示踪气体浓度峰值，则请求并主动地从所述驾驶者获得第二空气样本并且测量所述驾驶者的所述BrAC，

进一步包括：

如果来自所述第一空气样本的BrAC结果处于中等水平，则请求并主动地从所述驾驶者获得第二空气样本并且测量所述驾驶者的所述BrAC。

2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：

测量启动所述传感器系统与检测所述示踪气体浓度峰值之间的时间间隔；以及

如果所述时间间隔超过预定时间限制，则确定所述测试条件集合在所述正常范围之外。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，检测所述测试条件集合进一步包括：

测量车辆的环境条件。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，测量所述车辆的所述环境条件进一步包括：

测量所述车辆内的温度；以及

如果所述温度在正常温度范围之外，则确定所述测试条件集合在所述正常范围之外。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，检测所述车辆的所述环境条件进一步包括：

测量所述车辆内的压力；以及

如果所述压力在正常压力范围之外，则确定所述测试条件集合在所述正常范围之外。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，检测所述测试条件集合进一步包括：

测量所述驾驶者的头部相对于BrAC传感器的位置。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，启动所述传感器系统进一步包括：

检测进入所述车辆的所述驾驶者的存在。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，请求并主动地从所述驾驶者获得第二空气样本并且测量所述驾驶者的所述BrAC进一步包括：

确定测量到的BrAC是否处于中等水平；以及

如果所述测量到的BrAC处于中等水平，则请求主动的第三呼吸样本并且测量BrAC。

9.根据权利要求8所述的方法，其中，主动地从所述驾驶者获得第二空气样本进一步包括：

通过人机界面请求被引向所述BrAC传感器的未稀释的呼吸样本。

10.根据权利要求9所述的方法，进一步包括：

向中央处理单元（CPU）发送所述驾驶者的BrAC测量结果，其中，所述CPU与所述车辆通信。

11.根据权利要求10所述的方法，进一步包括：

如果所述驾驶者的所述BrAC测量结果高于高设定点，则禁用所述车辆的操作。

12.根据权利要求11所述的方法，进一步包括：

如果所述驾驶者的所述BrAC结果低于低设定点，则启用所述车辆的操作。

13.根据权利要求12所述的方法，进一步包括：

在启动所述传感器系统之后继续测量空气样本；以及

在测量了所述第一空气样本之后继续测量所述示踪气体的浓度。

14.一种用于车辆操作的被动呼吸酒精检测的设备，所述设备包括：

传感器，所述传感器配置为测量被动获得的第一空气样本中的示踪气体的浓度；以及

处理器，所述处理器配置为：

部分地基于所述第一空气样本确定测试条件集合；

如果所述测试条件集合在正常范围内并且检测到示踪气体浓度峰值，则通过所述第一空气样本测量驾驶者的呼吸酒精浓度，即BrAC；

如果所述测试条件集合在所述正常范围之外或者未检测到示踪气体浓度峰值，则请求并主动地从所述驾驶者获得第二空气样本并且测量所述驾驶者的所述BrAC，

其中，所述处理器进一步配置为：

如果被动获得第一空气样本的BrAC结果处于中等水平，则请求并主动地从所述驾驶者获得第二空气样本并且测量所述驾驶者的所述BrAC。

15.根据权利要求14所述的设备，进一步包括：

计时器，所述计时器配置为：

测量启动所述传感器与检测所述示踪气体浓度峰值之间的时间间隔，并且其中，如果所述时间间隔超过预定时间限制，则所述处理器确定所述测试条件集合在所述正常范围之外。

16.根据权利要求15所述的设备，其中，所述传感器进一步配置为：

测量车辆的环境条件。

17.根据权利要求16所述的设备，进一步包括：

温度传感器，所述温度传感器配置为：

测量所述车辆内的温度，并且其中，如果所述温度在正常温度范围之外，则所述处理器确定所述测试条件集合在所述正常范围之外。

18.根据权利要求17所述的设备，进一步包括：

压力传感器，所述压力传感器配置为：

测量所述车辆内的压力，并且其中，如果所述车辆内的所述压力在正常压力范围之外，则所述处理器确定所述测试条件集合在所述正常范围之外。

19.根据权利要求18所述的设备，进一步包括：

相机，所述相机配置为测量所述驾驶者的头部相对于BrAC传感器的位置。

20.根据权利要求19所述的设备，其中，所述传感器进一步配置为：

检测进入所述车辆的所述驾驶者的存在，以便启动所述传感器系统。

21.根据权利要求20所述的设备，其中，所述处理器进一步配置为：

确定基于所述主动获得的第二空气样本测量到的BrAC是否处于中等水平；以及

如果所述测量到的BrAC处于所述中等水平，则主动地请求并获得第三呼吸样本并且测量BrAC。

22.根据权利要求21所述的设备，进一步包括：

人机界面，所述人机界面配置为请求被引向所述BrAC传感器的未稀释的呼吸样本，以便测量所述驾驶者的所述BrAC。

23.根据权利要求22所述的设备，其中，所述处理器进一步配置为接收来自所述传感器的传感器信号。

24.根据权利要求23所述的设备，其中，所述处理器进一步配置为：

如果所述驾驶者的BrAC测量结果高于设定点，则禁用所述车辆的操作。

25.根据权利要求24所述的设备，其中，所述处理器进一步配置为：

如果所述驾驶者的所述BrAC测量结果低于设定点，则启用所述车辆的操作。

26.根据权利要求25所述的设备，其中，所述传感器进一步配置为：

在启动所述传感器系统之后继续测量空气样本；以及

在测量了所述第一空气样本之后继续测量所述示踪气体的浓度。

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