一、概述
標(biāo)準(zhǔn)心率信號(hào)發(fā)生器是按照J(rèn)JG760-1991《心電監(jiān)護(hù)儀》國(guó)家計(jì)量檢定規(guī)程的要求開(kāi)發(fā)生產(chǎn)的一種計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)儀器,它在計(jì)算機(jī)的控制下產(chǎn)生低頻率、小幅度、脈沖寬度恒定的標(biāo)準(zhǔn)心率信號(hào),用于檢定醫(yī)用心電監(jiān)護(hù)儀的心率示值誤差、心率報(bào)警發(fā)生時(shí)間等技術(shù)指標(biāo)。本文根據(jù)JJF1059-1999《測(cè)量不確定度評(píng)定與表示》,對(duì)標(biāo)準(zhǔn)心率信號(hào)發(fā)生器心率誤差和輸出幅度誤差的測(cè)量不確定度分別進(jìn)行了分析和評(píng)定。
二、標(biāo)準(zhǔn)心率信號(hào)發(fā)生器心率誤差的測(cè)量不確定度評(píng)定
1.測(cè)量方法
頻率是單位時(shí)間內(nèi)周期現(xiàn)象重復(fù)出現(xiàn)的次數(shù),信號(hào)頻率或周期通常用電子計(jì)數(shù)器測(cè)量。
用通用計(jì)數(shù)器直接測(cè)量被檢標(biāo)準(zhǔn)心率信號(hào)發(fā)生器的心率的周期值,重復(fù)測(cè)量3次,其平均值就是被測(cè)信號(hào)的實(shí)際周期值T,而被測(cè)信號(hào)周期標(biāo)稱值Ti與實(shí)際周期值T的差,即為示值誤差。
2.數(shù)學(xué)模型
σ=Ti-T
式中:Ti——被測(cè)信號(hào)周期的示值或標(biāo)稱值;T——被測(cè)信號(hào)周期的實(shí)際值;σ——示值誤差。
靈敏系數(shù)為:c1==1 C2==-1
測(cè)量不確定度分量為:u1=|c1|u(T) u2=|c2|u(Ti)
3.輸入量的標(biāo)準(zhǔn)不確定度評(píng)定
(1)通用計(jì)數(shù)器時(shí)基引入的不確定度u(T1)
選用的通用計(jì)數(shù)器時(shí)基準(zhǔn)確度優(yōu)于1×10-6,測(cè)量周期為1s(心率為60次/min),其變化量T1呈均勻分布,則標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量為:
自由度ν1→∞
(2)通用計(jì)數(shù)器時(shí)基溫度影響引入的不確定度u(T2)
通用計(jì)數(shù)器時(shí)基環(huán)境溫度在20℃±5℃范圍內(nèi)變化時(shí),時(shí)基準(zhǔn)確變化不大于5×10-7,若測(cè)量周期為1s(心率為60次/min),其變化量T2呈均勻分布,則標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量為:
自由度ν2→∞
(3)通用計(jì)數(shù)器分辨力引入的不確定度u(T3)
選用的通用計(jì)數(shù)器測(cè)量1s周期時(shí)的分辨力T3為1×10-6,導(dǎo)致的不確定度概率分布為均勻分布,則標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量為:
自由度ν3→∞
上述三個(gè)分量(B類)彼此獨(dú)立,實(shí)際上構(gòu)成了由通用計(jì)數(shù)器引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度,即T1、T2、T3構(gòu)成了數(shù)學(xué)模型中被測(cè)信號(hào)周期實(shí)際值7本身的不確定度u(T)。
(4)被檢標(biāo)準(zhǔn)心率信號(hào)發(fā)生器心率重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(Ti)
被檢標(biāo)準(zhǔn)心率信號(hào)發(fā)生器心率引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度是在重復(fù)性條件下,信號(hào)發(fā)生器輸出同一值時(shí),測(cè)得示值Ti的重復(fù)性標(biāo)準(zhǔn)偏差。
在這樣的條件下,對(duì)被檢標(biāo)準(zhǔn)心率信號(hào)發(fā)生器輸出心率信號(hào)為1s(60次/min)時(shí),重復(fù)測(cè)量10次,其結(jié)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(jīng)計(jì)算可得:
u(Ti)=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(jù)分析,不確定度各分量互不相關(guān),而且T和T不確定度分量的傳遞系數(shù)(靈敏系數(shù))絕對(duì)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:νeff=10
6.擴(kuò)展不確定度計(jì)算
由于合成不確定度的概率分布近似為正態(tài)分布,取置信概率p=99%,查t分布表,當(dāng)有效自由度為10時(shí),包含因子為k=3.17。
擴(kuò)展不確定度為U(σ)=kUc(σ)=3.17×3.41=10.8μs,故可取為11μs,即標(biāo)準(zhǔn)心率信號(hào)發(fā)生器心率誤差的擴(kuò)展不確定度為U99=11μs。
三、標(biāo)準(zhǔn)心率信號(hào)發(fā)生器輸出幅度誤差測(cè)量不確定度的評(píng)定
1.測(cè)量方法
標(biāo)準(zhǔn)心率信號(hào)發(fā)生器的輸出幅度,是采用直流電壓源和標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字電壓比較法進(jìn)行測(cè)量的。被測(cè)幅度與直流電壓通過(guò)高靈敏度示波器比較,在高靈敏度示波器上進(jìn)行平衡顯示,用數(shù)字電壓表分別讀取直流電壓在三角波幅度高端時(shí)的電壓值和低端時(shí)的電壓值,兩者之差即為三角波幅度實(shí)際值,重復(fù)測(cè)量3次,則其平均值就是被測(cè)幅度的實(shí)際顯示值。該被測(cè)幅度示值與實(shí)際值之差,即為示值誤差。
2.數(shù)學(xué)模型
σ=yi-y
式中:yi——被測(cè)幅度示值;y——數(shù)字電壓表實(shí)際顯示值;σ——示值誤差。
靈敏度系數(shù):c1==-1 c2==1
測(cè)量不確定度:u1=|c1|u(y) u2=|c2|u(yi)
3.輸入量的標(biāo)準(zhǔn)不確定度評(píng)定
(1)直流數(shù)字電壓表引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定u(y1)
選用的直流數(shù)字電壓表最大允許誤差為±0.01%,若測(cè)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(biāo)準(zhǔn)不確定度分量為:
u(y1)==1.73×10-4mv
自由度ν1→∞
(2)直流電壓源穩(wěn)定性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定u(y2)
選用的直流電壓源穩(wěn)定性為±0.01%/min,若測(cè)量電壓幅度為3mV,其變化量呈均勻分布,則標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(cè)量過(guò)程中示波器基線漂移可通過(guò)調(diào)節(jié)位移旋鈕進(jìn)行校正,故其基線漂移誤差可忽略不計(jì)。若測(cè)量輸出幅度為3mV,靈敏度可選為20μV/div,被測(cè)幅度與直流電壓在高靈敏度示波器上進(jìn)行平衡顯示,則示波器的估讀誤差不超過(guò)±0.05div,并服從均勻分布,則標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量為:
u(y3)==5.77×10-4mV
自由度ν3→∞
上述三個(gè)分量(B類)彼此獨(dú)立,實(shí)際上構(gòu)成了由穩(wěn)壓源、電壓表、示波器引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度即y1、y2、y3構(gòu)成了數(shù)學(xué)模型中數(shù)字電壓表實(shí)際顯示值y本身的不確定度u(y)。
(4)被檢標(biāo)準(zhǔn)心率信號(hào)發(fā)生器輸出幅度重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(yi)
被檢標(biāo)準(zhǔn)心率信號(hào)發(fā)生器輸出幅度引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定是在重復(fù)性條件下,信號(hào)發(fā)生器輸出同一幅度值時(shí),測(cè)得示值yi的重復(fù)性標(biāo)準(zhǔn)偏差。
在這樣的條件下,對(duì)被檢標(biāo)準(zhǔn)心率信號(hào)發(fā)生器輸出3mV電壓值時(shí)重復(fù)測(cè)量10次,其結(jié)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(jīng)計(jì)算可得:u(yi)=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(jù)各不確定度分量的性質(zhì),各分量互不相關(guān),而且y和yi不確定度分量的傳遞系數(shù)(靈敏系數(shù))絕對(duì)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:νeff=12
6.擴(kuò)展不確定度
合成不確定度的概率分布近似為正態(tài)分布,取置信概率p=99%,查t分布表,當(dāng)有效自由度為12時(shí),包含因子為k=3.05。
擴(kuò)展不確定度U(σ)=kUc(σ)=3.05×1.62×10-3=4.94mV,故可取為5.0μV,即標(biāo)準(zhǔn)心率信號(hào)發(fā)生器輸出幅度誤差的擴(kuò)展不確定度U99=5.0μV。