共模抑制比测试仪的校准

沙海峰 / 上海市崇明区计量质量检测所

0 引言

心电监护和检测设备（包括心电图机、数字心电图机、心电监护仪）是常见的医疗记录和监视设备，使用场合包括医院、救护车、飞机、轮船、医疗诊所等，这些环境存在着很多干扰信号。心电监护和检测设备工作时，其监测的信号需要从人体通过导线连接至心电监护和检测设备，此时的连接导线类似于一根接收天线，外界的干扰信号极易通过其引入心电监测设备。由于监护导线的长度基本相同，仪器工作时监测点位置固定，外界干扰信号大多以共模电压的形式出现。这些共模电压信号不提供有关心脏的任何有用信息，实际上还可能影响心电检测和监护设备的测量数据结果，为了准确测量、读取和记录心电信号，就必须抑制外界干扰信号。

共模抑制比（CMMR、Common mode rejection ratio）是表征共模抑制性能的技术指标，它是指心电监护和监测仪器的差模信号（心电信号）放大倍数Ad与共模信号（干扰和噪声）放大倍数Ac之比，表示了心电监护和监测仪器抗干扰能力的大小。此值越大，差分放大电路抑制共模信号的能力越强，抗干扰能力越好。

式中：CMMR——共模抑制比，dB；

Ad——差模信号（心电信号）放大倍数；

Ac——共模信号（干扰和噪声）放大倍数

在心电图机、心电监护仪的检定规程中，均给出了共模抑制比的技术指标和相应的检定方法，而共模抑制比测试仪为检定心电监护和检测设备的必要仪器[1][2][3]。

1 共模抑制比测试仪技术指标

国内生产的部分共模抑制比测试仪技术指标单一，性能比较全面的共模抑制比测试仪通用性较好，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等标准，频率范围覆盖了50 Hz、60 Hz、100 Hz、120 Hz，电压范围为0.5 ～ 70.71 V。性能指标较全面的有WHALETEQ公司生产的型号为CMRR3.0+共模抑制比测试仪。

1.1 信号源

在CMMR3.0+共模抑制比测试仪技术指标中，信号源Vs以电压（supply voltage）形式给出的。

1）输出信号频率

频率范围将国内外市电的频率，即50 Hz和60 Hz，以及其2倍谐波值充分考虑在内。

范围 ：50 Hz、60 Hz、100 Hz、120 Hz，最大允许误差：±1%。

2）输出信号幅度

输出信号幅度Vs范围：0.500 V、2.828 V、2.000 V、20.00 V和70.71 V，其中的70.71 V输出电压则将共模抑制比的测量范围扩展至120 dB。输出信号幅度的最大允许误差：±1%。

1.2 共模电压Vc 测量

共模抑制比测试仪监测其输出的共模电压Vc，Vc= 1/2Vs；Vc是通过面板coarse（粗）和fine（细）旋钮调整后的电压测量值。

范围：1.414 V、1.000 V、10.00 V、35.355 V。

最大允许误差：±1%（电压为1.414 V、1.000 V、10.00 V时）；±（2%示值+0.25 V）电压为35.355 V时。

1.3 电极施加部分

1）直流偏置电压值

范围：300 mV、-300 mV，最大允许误差：±1%。

直流偏置电压可以分别施加于RA、LA、LL、V1、V2、V3、V4、V5、V6电极，或者同时施加于上述所有电极。

2）电阻值

此处的电阻值R模拟与人体的接触电阻值，标称值为51 kΩ，最大允许误差±1%。

2 校准方法和步骤

2.1 校准所用标准器

34401A为实验室常见的6位半数字多用表，因其具有直流电压、直流电阻、交流电压、频率测量功能而广泛使用，使用1台34401A数字多用表就能满足共模抑制比测试仪校准的要求。

表1列出了34401A数字多用表的技术指标，该指标为1 a后环境温度为（23±5）℃时的参数。

表1 34401A数字多用表技术指标

2.2 校准步骤

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标准适用于CMMR3.0+共模抑制比测试仪，在校准时该仪器设置成手动（manual）状态，选择上述标准中的频率值和电压值。

1）输出信号Vs频率的校准

仪器连接图如图1所示，数字多用表选择频率档测量。

图1 输出频率校准

CMMR3.0+共模抑制比测试仪设置为手动，输出电压选择0.5 V，设定输出信号频率为50 Hz、60 Hz、100 Hz、120 Hz，分别读取34401A数字多用表的频率示值。

2）输出信号电压Vs的校准

仪器连接仍如图1所示，数字多用表选择交流电压档测量。

CMMR3.0+共模抑制比测试仪设置为手动，将输出频率设定为50 Hz、60 Hz、100 Hz、120 Hz，分别读取输出电压为0.5 V、2.828 V、10 V时的数字多用表示值。

再使用小号螺丝刀按住前面板的专用孔6 s以上，此时仪器的输出电压标称值变为70.71 V，分别读取不同输出信号频率时的数字多用表交流电压示值。

3）共模电压Vc的校准

仪器连接如图2所示，数字多用表选择交流电压测量。

图2 仪器连接

根据CMMR3.0+共模抑制比测试仪的操作说明书[6]，在进行共模抑制比测试时，需要调整前面板的coarse可调电容和fine可调电容值，使面板显示电压Vc为Vs标称值的1/2，分别读取在不同输出信号频率时的数字多用表交流电压示值。

4）电极阻抗值的校准

电极阻抗模拟与人体表面的接触电阻和电容，以1只51 kΩ电阻与1只47 nF的电容并联来表示。

在并联电路中，电阻值可以采用数字多用表的电阻测量功能直接测量来实现。而电容值的测量就需要具有阻抗测量功能的LCR测试仪来完成，通常县一级的计量技术机构无此类标准仪器，并且电容校准时，需要将电路中的电阻断开，因此，只能开展电阻值的校准。

3 交流电压的测量不确定度评定

共模抑制比测试仪的校准参数分别为频率、交流电压、直流电压、直流电阻，这里仅介绍交流电压的校准不确定度评定。

3.1 不确定度来源

根据分析，不确定度的来源如下：

1）34401A数字多用表交流电压测量最大允许误差引入的标准不确定度u1；

2）仪器分辨力引入的标准不确定度u2；

3）测量重复性引入的标准不确定度u3。

3.2 不确定度分析

1）34401A数字多用表交流电压测量最大允许误差引入的标准不确定分量u1

根据34401A数字多用表的数据手册，交流电压测量量程范围为1～750 V，频率范围为0.01～20 kHz时，最大允许误差为±（0.06%示值+0.03%量程）。当待测交流电压为10 V时，对应于10 V的量程，电压测量最大允许误差为

2）仪器分辨力引入的标准不确定度u2

在进行10 V电压测量时，共模抑制比测试仪显示为10.00 V，即a2=0.005 V，假设为均匀分布，则

3）测量重复性引入的标准不确定度u3

对Vc的10 V电压值进行10次重复性测量，得到数据见表2。

表2 重复性测量数据

平均值为9.981 84 V，u3=s=0.004 1 V

3.3 合成不确定度

以上各参量互不相关，仪器分辨力和测量重复性取较大值，得到合成不确定度

3.4 扩展不确定度

包含因子取k= 2，得到

U= 0.013 V

对于输出电压为10 V，其相对测量不确定度为

4 结语

由于国家未发布共模抑制比测试仪检定规程或者校准规范，通过查询共模抑制比测试仪的技术指标，利用实验室现有的数字多用表，在补充数字多用表的频率测量参数溯源的基础下，实现了共模抑制比测试仪的校准，并对校准结果的测量不确定度进行了评定。共模抑制比测试仪的校准证明了在区县一级计量所，通过查询有关仪器的技术指标和所用标准器技术资料的基础上，利用实验室现有的仪器设备，也能够实现一些专用仪器的量值溯源。