河南省计量测试研究所  陈传岭

　　一、概述

    标准心率信号发生器是按照JJG760-1991《心电监护仪》国家计量检定规程的要求开发生产的一种计量标准仪器，它在计算机的控制下产生低频率、小幅度、脉冲宽度恒定的标准心率信号，用于检定医用心电监护仪的心率示值误差、心率报警发生时间等技术指标。本文根据JJF1059-1999《测量不确定度评定与表示》，对标准心率信号发生器心率误差和输出幅度误差的测量不确定度分别进行了分析和评定。
    

　　二、标准心率信号发生器心率误差的测量不确定度评定

    1.测量方法
    频率是单位时间内周期现象重复出现的次数，信号频率或周期通常用电子计数器测量。
    用通用计数器直接测量被检标准心率信号发生器的心率的周期值，重复测量3次，其平均值就是被测信号的实际周期值T，而被测信号周期标称值T_i与实际周期值T的差，即为示值误差。
    2.数学模型
    σ=T_i-T
    式中:T_i——被测信号周期的示值或标称值；T——被测信号周期的实际值；σ——示值误差。
    灵敏系数为:c₁==1  C₂==-1
    测量不确定度分量为:u₁=|c₁|u(T)  u₂=|c₂|u(T_i)
    3.输入量的标准不确定度评定
    (1)通用计数器时基引入的不确定度u(T₁)
    选用的通用计数器时基准确度优于1×10^-6，测量周期为1s(心率为60次/min)，其变化量T₁呈均匀分布，则标准不确定度分量为:
    

    自由度ν₁→∞
    (2)通用计数器时基温度影响引入的不确定度u(T₂)
    通用计数器时基环境温度在20℃±5℃范围内变化时，时基准确变化不大于5×10^-7，若测量周期为1s(心率为60次/min)，其变化量T₂呈均匀分布，则标准不确定度分量为:
    

    自由度ν₂→∞
    (3)通用计数器分辨力引入的不确定度u(T₃)
    选用的通用计数器测量1s周期时的分辨力T₃为1×10^-6，导致的不确定度概率分布为均匀分布，则标准不确定度分量为:
    

    自由度ν₃→∞
    上述三个分量(B类)彼此独立，实际上构成了由通用计数器引入的标准不确定度，即T₁、T₂、T₃构成了数学模型中被测信号周期实际值7本身的不确定度u(T)。
    (4)被检标准心率信号发生器心率重复性引入的标准不确定度u(T_i)
    被检标准心率信号发生器心率引入的标准不确定度是在重复性条件下，信号发生器输出同一值时，测得示值T_i的重复性标准偏差。
    在这样的条件下，对被检标准心率信号发生器输出心率信号为1s(60次/min)时，重复测量10次，其结果如下(单位s):
    0.99966、0.99968、0.99967、0.99966、0.99969、0.99967、0.99966、0.99967、0.99968、0.99966
    按贝塞尔公式经计算可得:
    u(T_i)=0.33×10^-5s=3.30μs
    自由变ν₄=10-1=9
    4.不确定度分量一览表
    

    5.合成不确定度
    根据分析，不确定度各分量互不相关，而且T和T不确定度分量的传递系数(灵敏系数)绝对值均为1，故合成不确定度为:
    

    有效自由度按韦尔奇—萨特思韦特公式可由ν₁，ν₂，ν₃，ν₄算得:ν_eff=10
    6.扩展不确定度计算
    由于合成不确定度的概率分布近似为正态分布，取置信概率p=99%，查t分布表，当有效自由度为10时，包含因子为k=3.17。
    扩展不确定度为U(σ)=kU_c(σ)=3.17×3.41=10.8μs，故可取为11μs，即标准心率信号发生器心率误差的扩展不确定度为U₉₉=11μs。
    

　　三、标准心率信号发生器输出幅度误差测量不确定度的评定

    1.测量方法
    标准心率信号发生器的输出幅度，是采用直流电压源和标准数字电压比较法进行测量的。被测幅度与直流电压通过高灵敏度示波器比较，在高灵敏度示波器上进行平衡显示，用数字电压表分别读取直流电压在三角波幅度高端时的电压值和低端时的电压值，两者之差即为三角波幅度实际值，重复测量3次，则其平均值就是被测幅度的实际显示值。该被测幅度示值与实际值之差，即为示值误差。
    2.数学模型
    σ=y_i-y
    式中:y_i——被测幅度示值；y——数字电压表实际显示值；σ——示值误差。
    灵敏度系数:c₁==-1  c₂==1
    测量不确定度:u₁=|c₁|u(y)  u₂=|c₂|u(y_i)
    3.输入量的标准不确定度评定
    (1)直流数字电压表引入的标准不确定u(y₁)
    选用的直流数字电压表最大允许误差为±0.01%，若测量的输出幅度(电压为峰峰值，以下相同)为3mV，其变化量呈均匀分布，则标准不确定度分量为:
    u(y₁)==1.73×10^-4mv
    自由度ν₁→∞
    (2)直流电压源稳定性引入的标准不确定u(y₂)
    选用的直流电压源稳定性为±0.01%/min，若测量电压幅度为3mV，其变化量呈均匀分布，则标准不确定度分量为:
    u(y₂)=73×10^-4mV
    自由度ν₂→∞
    (3)高灵敏度示波器基线估读引入的标准不确定度u(y₃)
    选用的高灵敏度示波器的最高灵敏度为10μV/div，测量过程中示波器基线漂移可通过调节位移旋钮进行校正，故其基线漂移误差可忽略不计。若测量输出幅度为3mV，灵敏度可选为20μV/div，被测幅度与直流电压在高灵敏度示波器上进行平衡显示，则示波器的估读误差不超过±0.05div，并服从均匀分布，则标准不确定度分量为:
    u(y₃)==5.77×10^-4mV
    自由度ν₃→∞
    上述三个分量(B类)彼此独立，实际上构成了由稳压源、电压表、示波器引入的标准不确定度即y₁、y₂、y₃构成了数学模型中数字电压表实际显示值y本身的不确定度u(y)。
    (4)被检标准心率信号发生器输出幅度重复性引入的标准不确定度u(y_i)
    被检标准心率信号发生器输出幅度引入的标准不确定是在重复性条件下，信号发生器输出同一幅度值时，测得示值y_i的重复性标准偏差。
    在这样的条件下，对被检标准心率信号发生器输出3mV电压值时重复测量10次，其结果如下(单位mV):
    2.956、2.957、2.955、2.958、2.959、2.956、2.957、2.959、2.958、2.959
    按贝塞尔公式经计算可得:u(y_i)=1.49×10^-3mV
    自由度ν₄=10-1=9
    4.不确定度分量一览表
    

    5.合成不确定度
    根据各不确定度分量的性质，各分量互不相关，而且y和y_i不确定度分量的传递系数(灵敏系数)绝对值均为1，故合成不确定度为:
    

    有效自由度按韦尔奇-萨特思韦特公式，可由ν₁、ν₂、ν₃、ν₄算得:ν_eff=12
    6.扩展不确定度
    合成不确定度的概率分布近似为正态分布，取置信概率p=99%，查t分布表，当有效自由度为12时，包含因子为k=3.05。
    扩展不确定度U(σ)=kU_c(σ)=3.05×1.62×10^-3=4.94mV，故可取为5.0μV，即标准心率信号发生器输出幅度误差的扩展不确定度U₉₉=5.0μV。