河南省計量測試研究所  陳傳嶺

　　一、概述

    標準心率信號發生器是按照JJG760-1991《心電監護儀》國家計量檢定規程的要求開發生產的一種計量標準儀器，它在計算機的控制下產生低頻率、小幅度、脈沖寬度恒定的標準心率信號，用于檢定醫用心電監護儀的心率示值誤差、心率報警發生時間等技術指標。本文根據JJF1059-1999《測量不確定度評定與表示》，對標準心率信號發生器心率誤差和輸出幅度誤差的測量不確定度分別進行了分析和評定。
    

　　二、標準心率信號發生器心率誤差的測量不確定度評定

    1.測量方法
    頻率是單位時間內周期現象重復出現的次數，信號頻率或周期通常用電子計數器測量。
    用通用計數器直接測量被檢標準心率信號發生器的心率的周期值，重復測量3次，其平均值就是被測信號的實際周期值T，而被測信號周期標稱值T_i與實際周期值T的差，即為示值誤差。
    2.數學模型
    σ=T_i-T
    式中:T_i——被測信號周期的示值或標稱值；T——被測信號周期的實際值；σ——示值誤差。
    靈敏系數為:c₁==1  C₂==-1
    測量不確定度分量為:u₁=|c₁|u(T)  u₂=|c₂|u(T_i)
    3.輸入量的標準不確定度評定
    (1)通用計數器時基引入的不確定度u(T₁)
    選用的通用計數器時基準確度優于1×10^-6，測量周期為1s(心率為60次/min)，其變化量T₁呈均勻分布，則標準不確定度分量為:
    

    自由度ν₁→∞
    (2)通用計數器時基溫度影響引入的不確定度u(T₂)
    通用計數器時基環境溫度在20℃±5℃范圍內變化時，時基準確變化不大于5×10^-7，若測量周期為1s(心率為60次/min)，其變化量T₂呈均勻分布，則標準不確定度分量為:
    

    自由度ν₂→∞
    (3)通用計數器分辨力引入的不確定度u(T₃)
    選用的通用計數器測量1s周期時的分辨力T₃為1×10^-6，導致的不確定度概率分布為均勻分布，則標準不確定度分量為:
    

    自由度ν₃→∞
    上述三個分量(B類)彼此獨立，實際上構成了由通用計數器引入的標準不確定度，即T₁、T₂、T₃構成了數學模型中被測信號周期實際值7本身的不確定度u(T)。
    (4)被檢標準心率信號發生器心率重復性引入的標準不確定度u(T_i)
    被檢標準心率信號發生器心率引入的標準不確定度是在重復性條件下，信號發生器輸出同一值時，測得示值T_i的重復性標準偏差。
    在這樣的條件下，對被檢標準心率信號發生器輸出心率信號為1s(60次/min)時，重復測量10次，其結果如下(單位s):
    0.99966、0.99968、0.99967、0.99966、0.99969、0.99967、0.99966、0.99967、0.99968、0.99966
    按貝塞爾公式經計算可得:
    u(T_i)=0.33×10^-5s=3.30μs
    自由變ν₄=10-1=9
    4.不確定度分量一覽表
    

    5.合成不確定度
    根據分析，不確定度各分量互不相關，而且T和T不確定度分量的傳遞系數(靈敏系數)絕對值均為1，故合成不確定度為:
    

    有效自由度按韋爾奇—薩特思韋特公式可由ν₁，ν₂，ν₃，ν₄算得:ν_eff=10
    6.擴展不確定度計算
    由于合成不確定度的概率分布近似為正態分布，取置信概率p=99%，查t分布表，當有效自由度為10時，包含因子為k=3.17。
    擴展不確定度為U(σ)=kU_c(σ)=3.17×3.41=10.8μs，故可取為11μs，即標準心率信號發生器心率誤差的擴展不確定度為U₉₉=11μs。
    

　　三、標準心率信號發生器輸出幅度誤差測量不確定度的評定

    1.測量方法
    標準心率信號發生器的輸出幅度，是采用直流電壓源和標準數字電壓比較法進行測量的。被測幅度與直流電壓通過高靈敏度示波器比較，在高靈敏度示波器上進行平衡顯示，用數字電壓表分別讀取直流電壓在三角波幅度高端時的電壓值和低端時的電壓值，兩者之差即為三角波幅度實際值，重復測量3次，則其平均值就是被測幅度的實際顯示值。該被測幅度示值與實際值之差，即為示值誤差。
    2.數學模型
    σ=y_i-y
    式中:y_i——被測幅度示值；y——數字電壓表實際顯示值；σ——示值誤差。
    靈敏度系數:c₁==-1  c₂==1
    測量不確定度:u₁=|c₁|u(y)  u₂=|c₂|u(y_i)
    3.輸入量的標準不確定度評定
    (1)直流數字電壓表引入的標準不確定u(y₁)
    選用的直流數字電壓表最大允許誤差為±0.01%，若測量的輸出幅度(電壓為峰峰值，以下相同)為3mV，其變化量呈均勻分布，則標準不確定度分量為:
    u(y₁)==1.73×10^-4mv
    自由度ν₁→∞
    (2)直流電壓源穩定性引入的標準不確定u(y₂)
    選用的直流電壓源穩定性為±0.01%/min，若測量電壓幅度為3mV，其變化量呈均勻分布，則標準不確定度分量為:
    u(y₂)=73×10^-4mV
    自由度ν₂→∞
    (3)高靈敏度示波器基線估讀引入的標準不確定度u(y₃)
    選用的高靈敏度示波器的最高靈敏度為10μV/div，測量過程中示波器基線漂移可通過調節位移旋鈕進行校正，故其基線漂移誤差可忽略不計。若測量輸出幅度為3mV，靈敏度可選為20μV/div，被測幅度與直流電壓在高靈敏度示波器上進行平衡顯示，則示波器的估讀誤差不超過±0.05div，并服從均勻分布，則標準不確定度分量為:
    u(y₃)==5.77×10^-4mV
    自由度ν₃→∞
    上述三個分量(B類)彼此獨立，實際上構成了由穩壓源、電壓表、示波器引入的標準不確定度即y₁、y₂、y₃構成了數學模型中數字電壓表實際顯示值y本身的不確定度u(y)。
    (4)被檢標準心率信號發生器輸出幅度重復性引入的標準不確定度u(y_i)
    被檢標準心率信號發生器輸出幅度引入的標準不確定是在重復性條件下，信號發生器輸出同一幅度值時，測得示值y_i的重復性標準偏差。
    在這樣的條件下，對被檢標準心率信號發生器輸出3mV電壓值時重復測量10次，其結果如下(單位mV):
    2.956、2.957、2.955、2.958、2.959、2.956、2.957、2.959、2.958、2.959
    按貝塞爾公式經計算可得:u(y_i)=1.49×10^-3mV
    自由度ν₄=10-1=9
    4.不確定度分量一覽表
    

    5.合成不確定度
    根據各不確定度分量的性質，各分量互不相關，而且y和y_i不確定度分量的傳遞系數(靈敏系數)絕對值均為1，故合成不確定度為:
    

    有效自由度按韋爾奇-薩特思韋特公式，可由ν₁、ν₂、ν₃、ν₄算得:ν_eff=12
    6.擴展不確定度
    合成不確定度的概率分布近似為正態分布，取置信概率p=99%，查t分布表，當有效自由度為12時，包含因子為k=3.05。
    擴展不確定度U(σ)=kU_c(σ)=3.05×1.62×10^-3=4.94mV，故可取為5.0μV，即標準心率信號發生器輸出幅度誤差的擴展不確定度U₉₉=5.0μV。