超声洁牙设备检测方法

阮李英 王晋 / 河南省商丘市质量技术监督检验测试中心

0 引言

超声洁牙设备在口腔科医疗领域应用十分广泛，其质量优劣、量值准确与否都关系到牙齿健康问题。随着我国对医疗领域质量要求的不断提高，人民群众对牙齿的护理和美容更加注重，从源头上确保试验的准确性，就要保证超声洁牙设备的计量性能指标符合技术要求，需要对超声洁牙设备进行定期检测以达到量值溯源。

对于超声洁牙设备，由于国家目前没有统一的检测要求，各部门、企事业单位采用的检测方法、参数、性能指标及技术要求各不相同，不够规范和统一。为了保证超声洁牙设备在使用中满足测量要求，保证量值准确、可靠，通过大量的调研试验，参考了相关行业标准，通过咨询、走访使用单位和生产企业，确定了（尖端主振动偏移、半偏移力、尖端振动频率）及其示值相对误差三项技术性能指标的检测及要求。确定了技术特性的检测方法，本文中的检测方法适用于频率在18 ～60 kHz 范围内，由超声换能器产生连续或准连续波超声能量的超声洁牙设备。

1 测量原理和方法

超声洁牙设备主要由功能控制电路、液路、手柄、超声换能器、作用头、电源/电源适配器（如有）、脚踏开关（如有）等组成。

典型的结构示意框图见图1。

该设备工作原理由高频振荡电路产生高频振荡信号并作用于超声换能器上，利用逆压电效应（或磁致伸缩效应）产生超声振动，工作尖受到激励产生共振，利用超声波产生的各种效应将牙齿表面的菌斑、结石或牙周表面的细菌等清除。

图1 超声洁牙设备的结构

2 检测项目及检测设备

2.1 检测项目

针对超声洁牙设备技术性能指标，对其术语和定义进行了解释，并提出（尖端主振动偏移、半偏移力、尖端振动频率）及其相对误差三项检测项目及要求，如表1 所示。

尖端主振动偏移：在作用头上距尖端不超过1 mm 距离的点处，在最大振幅方向上，作用头的峰值至峰值位移。

尖端振动频率：作用头尖端振动的基频。

半偏移力：尖端必须与载玻片接触，所施加的力，使得0.15 N±0.02 N 接触力条件下的尖端主振动偏移降低50%。

表1 检测项目及技术性能指标

2.2 测量标准及其他设备

1）光学显微镜：放大倍数优于100 倍，分度值：5 μm 为一格。

2）频率计：30 Hz ～ 50 MHz，分辨力：优于0.01 kHz。

4）适合的机械夹具的设计见图2。

图2 显微镜载玻片法的布置

3 检测方法

3.1 尖端主振动偏移测量及其相对误差

负载条件：测量时，作用头尖端与载玻片接触，载玻片（涂上蜡或者碳）应用水润滑，标准接触力应为0.15 N±0.02 N。为便于测量半偏移力，施加的负载应能逐步增加，为确保测量的准确性，尖端的运动应基本上垂直于负载，应已知或测出尖端上的力。

在上述负载条件下，作用头尖端与载玻片接触，手柄和配件被夹在机械夹具中，将接触力的大小调整为0.15 N±0.02 N，可采用电子天平来测量该力。在超声洁牙设备开机和关机时，分别以U 字形的方式移动作用头尖端下的载玻片。刻痕标记的测量，要确保轨迹垂直于最大尖端振动方向，用经过校准的显微镜读取载玻片上刻痕标记宽度。尖端主振动偏移s由式（1）给出：

式中：s'—— 尖端振动偏移的测量值，μm；

WP—— 开机时的刻痕标记宽度，μm；

WO—— 关机时的刻痕标记宽度，μm

尖端振动偏移示值相对误差Bi按式（2）计算：

式中：s—— 超声洁牙设备尖端振动偏移的公布值，μm

3.2 尖端振动频率测量及其示值相对误差

找到作用头（手柄）与主机相连端口，用频率计接头连接，再用配置的适配器接通电源，使设备处于最大挡位工作状态下，读取频率计读数，重复测量三次取平均值f。

尖端振动频率示值相对误差Bj按式（3）计算：

式中：f—— 超声洁牙设备尖端振动频率的公布值，kHz；

f′—— 超声洁牙设备尖端振动频率的测量平均值，kHz

3.3 半偏移力测量及其相对误差

在测定尖端主振动偏移的步骤期间（见3.1），逐步增加尖端施加在显微镜载玻片上的力，使得0.15 N±0.02 N 接触力条件下的尖端主振动偏移降低50%时，用天平测定该作用力的大小。对所有测量而言，保持作用头的位置不变是很重要的，使作用头和载玻片或天平托盘间的角度保持不变。

尖端半偏移力示值相对误差Bk按式（4）计算：

式中：k—— 超声洁牙设备半偏移力的公布值，N；

k′—— 超声洁牙设备尖端振动频率的测量平均值，N

4 超声洁牙设备尖端主振动偏移示值误差测量结果的不确定度评定

4.1 测量方法

根据本检测方法3.1 款进行测量时，在超声洁牙设备开机和关机时，记录在玻璃表面上的轨迹用经过校准的显微镜读取数值，测出尖端振动偏移为（s'）。超声洁牙设备尖端振动偏移的最大公布值为（s），然后计算出该尖端振动偏移示值的相对误差。

4.2 测量模型

Δs=s-s′

式中：Δs'—— 超声洁牙设备尖端主振动偏移示值误差，μm

4.3 方差和灵敏系数

由 Δs=s-s′得灵敏系数

因为输入量s与s′彼此独立不相关，方差可按下式得到。

4.4 输入量的标准不确定度评定

4.4.1 输入量s的标准不确定度u(s)的评定

输入量s的不确定度来源主要是超声洁牙设备尖端振动偏移测量重复性引入的不确定度。

（1）超声洁牙设备尖端主振动偏移测量重复性，采用A 类方法进行评定，选择一尖端振动偏移公布值为100 μm 的超声洁牙设备，用载玻片法划出开、关机时刻痕，放至光学显微镜下进行测量，连续测量10 次，得到测量列为（95、107、97、96、103、92、96、105、106、102）μm，平均值为 98.3 μm。

实验标准差s== 5.6 μm

4.4.2 输入量s'的标准不确定度u(s')的评定

输入量s'的不确定度来源主要是标准器设备光学显微镜的误差和人眼分辨力两部分。

（1）光学显微镜的分度值为5 μm，标尺指示分辨力为2.5 μm，假设为均匀分布，包含因子k取，故分辨力引起的标准不确定度u(s1')为

（2）人眼分辨力大致为10 μm，包含因子k取，故人眼分辨力引入的标准不确定度

（3）YY/T0751-2009/IEC 61205:1993《超声洁牙设备输出特性的测量和公布》标准中规定最大的尖端主振动偏移范围100 μm 左右，即公布值为100 μm，准确度为1 μm，假设为均匀分布，包含因子k取，故公布值引起的标准不确定度为

u(s1')、u(s2')和u(s3')彼此独立不相关，则

4.5 合成标准不确定度的评定

由uc2(Δs) =c12u2(s) +c22u2(s')

得uc2(Δs) = 8.4 μm

4.6 扩展不确定度的评定

取k= 2，则扩展不确定度为U= 2×uc(Δs) = 17 μm，相对扩展不确定度为

4.7 测量不确定度的报告与表示

超声洁牙设备尖端主振动偏移示值误差测量结果的相对扩展不确定度为

Urel= 17%k=2

5 结语

超声洁牙设备在口腔医疗领域应用广泛，其质量优劣、量值准确与否关系到广大人民群众牙齿健康。从源头上确保试验的准确性，需要对超声洁牙设备进行定期检测以达到量值溯源。本文通过对超声洁牙设备检测方法的探讨，对超声洁牙设备尖端主振动偏移、半偏移力、尖端振动频率等主要参数进行了检测，并对超声洁牙设备中尖端主振动偏移示值误差测量结果的不确定度进行了评定分析，从而解决了超声洁牙设备的量值统一及其溯源问题，满足了超声洁牙设备技术性能的控制要求。