共模抑制比測(cè)試儀的校準(zhǔn)

沙海峰 / 上海市崇明區(qū)計(jì)量質(zhì)量檢測(cè)所

0 引言

心電監(jiān)護(hù)和檢測(cè)設(shè)備（包括心電圖機(jī)、數(shù)字心電圖機(jī)、心電監(jiān)護(hù)儀）是常見的醫(yī)療記錄和監(jiān)視設(shè)備，使用場(chǎng)合包括醫(yī)院、救護(hù)車、飛機(jī)、輪船、醫(yī)療診所等，這些環(huán)境存在著很多干擾信號(hào)。心電監(jiān)護(hù)和檢測(cè)設(shè)備工作時(shí)，其監(jiān)測(cè)的信號(hào)需要從人體通過(guò)導(dǎo)線連接至心電監(jiān)護(hù)和檢測(cè)設(shè)備，此時(shí)的連接導(dǎo)線類似于一根接收天線，外界的干擾信號(hào)極易通過(guò)其引入心電監(jiān)測(cè)設(shè)備。由于監(jiān)護(hù)導(dǎo)線的長(zhǎng)度基本相同，儀器工作時(shí)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置固定，外界干擾信號(hào)大多以共模電壓的形式出現(xiàn)。這些共模電壓信號(hào)不提供有關(guān)心臟的任何有用信息，實(shí)際上還可能影響心電檢測(cè)和監(jiān)護(hù)設(shè)備的測(cè)量數(shù)據(jù)結(jié)果，為了準(zhǔn)確測(cè)量、讀取和記錄心電信號(hào)，就必須抑制外界干擾信號(hào)。

共模抑制比（CMMR、Common mode rejection ratio）是表征共模抑制性能的技術(shù)指標(biāo)，它是指心電監(jiān)護(hù)和監(jiān)測(cè)儀器的差模信號(hào)（心電信號(hào)）放大倍數(shù)Ad與共模信號(hào)（干擾和噪聲）放大倍數(shù)Ac之比，表示了心電監(jiān)護(hù)和監(jiān)測(cè)儀器抗干擾能力的大小。此值越大，差分放大電路抑制共模信號(hào)的能力越強(qiáng)，抗干擾能力越好。

式中：CMMR——共模抑制比，dB；

Ad——差模信號(hào)（心電信號(hào)）放大倍數(shù)；

Ac——共模信號(hào)（干擾和噪聲）放大倍數(shù)

在心電圖機(jī)、心電監(jiān)護(hù)儀的檢定規(guī)程中，均給出了共模抑制比的技術(shù)指標(biāo)和相應(yīng)的檢定方法，而共模抑制比測(cè)試儀為檢定心電監(jiān)護(hù)和檢測(cè)設(shè)備的必要儀器[1][2][3]。

1 共模抑制比測(cè)試儀技術(shù)指標(biāo)

國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的部分共模抑制比測(cè)試儀技術(shù)指標(biāo)單一，性能比較全面的共模抑制比測(cè)試儀通用性較好，兼容了主流的IEC 60601-2-25:2011、IEC 60601-2-27:2011、IEC-2-47:2012、YY 0782-2010、YY 0885-2013、YY 1079-2008、YY 1139-2013、AAMI EC11:2007、AAMI EC-13:2002、IEC-2-26:2012等標(biāo)準(zhǔn)，頻率范圍覆蓋了50 Hz、60 Hz、100 Hz、120 Hz，電壓范圍為0.5 ～ 70.71 V。性能指標(biāo)較全面的有WHALETEQ公司生產(chǎn)的型號(hào)為CMRR3.0+共模抑制比測(cè)試儀。

1.1 信號(hào)源

在CMMR3.0+共模抑制比測(cè)試儀技術(shù)指標(biāo)中，信號(hào)源Vs以電壓（supply voltage）形式給出的。

1）輸出信號(hào)頻率

頻率范圍將國(guó)內(nèi)外市電的頻率，即50 Hz和60 Hz，以及其2倍諧波值充分考慮在內(nèi)。

范圍 ：50 Hz、60 Hz、100 Hz、120 Hz，最大允許誤差：±1%。

2）輸出信號(hào)幅度

輸出信號(hào)幅度Vs范圍：0.500 V、2.828 V、2.000 V、20.00 V和70.71 V，其中的70.71 V輸出電壓則將共模抑制比的測(cè)量范圍擴(kuò)展至120 dB。輸出信號(hào)幅度的最大允許誤差：±1%。

1.2 共模電壓Vc 測(cè)量

共模抑制比測(cè)試儀監(jiān)測(cè)其輸出的共模電壓Vc，Vc= 1/2Vs；Vc是通過(guò)面板coarse（粗）和fine（細(xì)）旋鈕調(diào)整后的電壓測(cè)量值。

范圍：1.414 V、1.000 V、10.00 V、35.355 V。

最大允許誤差：±1%（電壓為1.414 V、1.000 V、10.00 V時(shí)）；±（2%示值+0.25 V）電壓為35.355 V時(shí)。

1.3 電極施加部分

1）直流偏置電壓值

范圍：300 mV、-300 mV，最大允許誤差：±1%。

直流偏置電壓可以分別施加于RA、LA、LL、V1、V2、V3、V4、V5、V6電極，或者同時(shí)施加于上述所有電極。

2）電阻值

此處的電阻值R模擬與人體的接觸電阻值，標(biāo)稱值為51 kΩ，最大允許誤差±1%。

2 校準(zhǔn)方法和步驟

2.1 校準(zhǔn)所用標(biāo)準(zhǔn)器

34401A為實(shí)驗(yàn)室常見的6位半數(shù)字多用表，因其具有直流電壓、直流電阻、交流電壓、頻率測(cè)量功能而廣泛使用，使用1臺(tái)34401A數(shù)字多用表就能滿足共模抑制比測(cè)試儀校準(zhǔn)的要求。

表1列出了34401A數(shù)字多用表的技術(shù)指標(biāo)，該指標(biāo)為1 a后環(huán)境溫度為（23±5）℃時(shí)的參數(shù)。

表1 34401A數(shù)字多用表技術(shù)指標(biāo)

2.2 校準(zhǔn)步驟

IEC 60601-2-25:2011、IEC 60601-2-27:2011、IEC-2-47:2012、YY 0782-2010、YY 0885-2013、YY 1079-2008、YY 1139-2013、AAMI EC11:2007、AAMI EC-13:2002、IEC-2-26:2012標(biāo)準(zhǔn)適用于CMMR3.0+共模抑制比測(cè)試儀，在校準(zhǔn)時(shí)該儀器設(shè)置成手動(dòng)（manual）狀態(tài)，選擇上述標(biāo)準(zhǔn)中的頻率值和電壓值。

1）輸出信號(hào)Vs頻率的校準(zhǔn)

儀器連接圖如圖1所示，數(shù)字多用表選擇頻率檔測(cè)量。

圖1 輸出頻率校準(zhǔn)

CMMR3.0+共模抑制比測(cè)試儀設(shè)置為手動(dòng)，輸出電壓選擇0.5 V，設(shè)定輸出信號(hào)頻率為50 Hz、60 Hz、100 Hz、120 Hz，分別讀取34401A數(shù)字多用表的頻率示值。

2）輸出信號(hào)電壓Vs的校準(zhǔn)

儀器連接仍如圖1所示，數(shù)字多用表選擇交流電壓檔測(cè)量。

CMMR3.0+共模抑制比測(cè)試儀設(shè)置為手動(dòng)，將輸出頻率設(shè)定為50 Hz、60 Hz、100 Hz、120 Hz，分別讀取輸出電壓為0.5 V、2.828 V、10 V時(shí)的數(shù)字多用表示值。

再使用小號(hào)螺絲刀按住前面板的專用孔6 s以上，此時(shí)儀器的輸出電壓標(biāo)稱值變?yōu)?0.71 V，分別讀取不同輸出信號(hào)頻率時(shí)的數(shù)字多用表交流電壓示值。

3）共模電壓Vc的校準(zhǔn)

儀器連接如圖2所示，數(shù)字多用表選擇交流電壓測(cè)量。

圖2 儀器連接

根據(jù)CMMR3.0+共模抑制比測(cè)試儀的操作說(shuō)明書[6]，在進(jìn)行共模抑制比測(cè)試時(shí)，需要調(diào)整前面板的coarse可調(diào)電容和fine可調(diào)電容值，使面板顯示電壓Vc為Vs標(biāo)稱值的1/2，分別讀取在不同輸出信號(hào)頻率時(shí)的數(shù)字多用表交流電壓示值。

4）電極阻抗值的校準(zhǔn)

電極阻抗模擬與人體表面的接觸電阻和電容，以1只51 kΩ電阻與1只47 nF的電容并聯(lián)來(lái)表示。

在并聯(lián)電路中，電阻值可以采用數(shù)字多用表的電阻測(cè)量功能直接測(cè)量來(lái)實(shí)現(xiàn)。而電容值的測(cè)量就需要具有阻抗測(cè)量功能的LCR測(cè)試儀來(lái)完成，通?？h一級(jí)的計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)無(wú)此類標(biāo)準(zhǔn)儀器，并且電容校準(zhǔn)時(shí)，需要將電路中的電阻斷開，因此，只能開展電阻值的校準(zhǔn)。

3 交流電壓的測(cè)量不確定度評(píng)定

共模抑制比測(cè)試儀的校準(zhǔn)參數(shù)分別為頻率、交流電壓、直流電壓、直流電阻，這里僅介紹交流電壓的校準(zhǔn)不確定度評(píng)定。

3.1 不確定度來(lái)源

根據(jù)分析，不確定度的來(lái)源如下：

1）34401A數(shù)字多用表交流電壓測(cè)量最大允許誤差引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u1；

2）儀器分辨力引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u2；

3）測(cè)量重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u3。

3.2 不確定度分析

1）34401A數(shù)字多用表交流電壓測(cè)量最大允許誤差引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定分量u1

根據(jù)34401A數(shù)字多用表的數(shù)據(jù)手冊(cè)，交流電壓測(cè)量量程范圍為1～750 V，頻率范圍為0.01～20 kHz時(shí)，最大允許誤差為±（0.06%示值+0.03%量程）。當(dāng)待測(cè)交流電壓為10 V時(shí)，對(duì)應(yīng)于10 V的量程，電壓測(cè)量最大允許誤差為

2）儀器分辨力引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u2

在進(jìn)行10 V電壓測(cè)量時(shí)，共模抑制比測(cè)試儀顯示為10.00 V，即a2=0.005 V，假設(shè)為均勻分布，則

3）測(cè)量重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u3

對(duì)Vc的10 V電壓值進(jìn)行10次重復(fù)性測(cè)量，得到數(shù)據(jù)見表2。

表2 重復(fù)性測(cè)量數(shù)據(jù)

平均值為9.981 84 V，u3=s=0.004 1 V

3.3 合成不確定度

以上各參量互不相關(guān)，儀器分辨力和測(cè)量重復(fù)性取較大值，得到合成不確定度

3.4 擴(kuò)展不確定度

包含因子取k= 2，得到

U= 0.013 V

對(duì)于輸出電壓為10 V，其相對(duì)測(cè)量不確定度為

4 結(jié)語(yǔ)

由于國(guó)家未發(fā)布共模抑制比測(cè)試儀檢定規(guī)程或者校準(zhǔn)規(guī)范，通過(guò)查詢共模抑制比測(cè)試儀的技術(shù)指標(biāo)，利用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的數(shù)字多用表，在補(bǔ)充數(shù)字多用表的頻率測(cè)量參數(shù)溯源的基礎(chǔ)下，實(shí)現(xiàn)了共模抑制比測(cè)試儀的校準(zhǔn)，并對(duì)校準(zhǔn)結(jié)果的測(cè)量不確定度進(jìn)行了評(píng)定。共模抑制比測(cè)試儀的校準(zhǔn)證明了在區(qū)縣一級(jí)計(jì)量所，通過(guò)查詢有關(guān)儀器的技術(shù)指標(biāo)和所用標(biāo)準(zhǔn)器技術(shù)資料的基礎(chǔ)上，利用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的儀器設(shè)備，也能夠?qū)崿F(xiàn)一些專用儀器的量值溯源。