测量系统分析方法评述及应用

测量系统分析方法评述及应用

叶艳芳

宁夏东方钽业分析检测中心宁夏石嘴山市753000

摘要：在实际生产中，即使测量仪器经过检定或校准，由于人、机、物、法、环、测等方面的原因，仍然会带来测量误差；同时检测设备的检定或校准不能满足实际测量的需要；因此，需要对测量系统进行评价，分析测量结果的变差，从而确定测量系统的质量，以满足测量的需要。

关键词：测量；系统分析；方法

随着科技的发展及制造能力的提高，数据的应用比以前更加广泛了。在实际的生产过程及科学试验活动中，为了实现对他们的分析、监控与改进，人们常常需要获取数据与信息。现在对制造过程进行调整的决定，通常是以测量数据为基础，将测量数据或是一些从它们计算出的统计值与过程的统计限进行比较，如果比较结果显示过程已超出统计控制，则进行某种调整，否则，该过程允许在没有调整的状态下运行。使用数据为基础的程序的最大好处取决于数据的质量。如果数据质量低，程序的好处可能会降低；同样的，如果数据的质量高，好处也可能会较高。

一、测量系统分析

测量，是以确定量值为目的的一组操作，是指赋值给具体事物以表示它们之间特殊特性的关系。赋值过程定义为测量过程，而赋予的值定义为测量值。由此可以看出这不是一个简单的赋值过程，而是应将测量过程看成是一个制造过程，它产生数字（数据）作为输出，是融于生产中的一道工序。它与其他工序紧密联系，又相互影响，具有承接性，任何一次测量不准确，都会影响到下一道工序的操作，影响到整个过程的质量。测量系统的概念已经不再仅仅局限于测量所涉及的测量用具，而是扩展到了用来对被测特性赋值的操作、程序、量具、设备、软件以及操作人员的集合，是用来获得测量结果的整个过程。

二、测量系统分类

在不同的行业和领域，测量系统的复杂程度存在很大的差别，难以一描述。但是根据构成测量系统模型的各要素及其属性可将测量系统氛围两种基本类型：简单测量系统和复杂测量系统，主要研究简单测量系统的评价分析方法，对于复杂测量系统由于条件和设备的限制，下面将对两种不同类型的简单测量系统进行具体的介绍。

1、计量型测量系统。计量型测量系统是按照测量结果的数据属性而定义的，即计量型测量系统测量得到的数据是计量型的数据。计量型数据也称为连续型数据，是用测量设备测量得到的可以连续取值的数据。它可以在连续坐标上表示，如代表长度、温度和压力等量的数据。这类数据的特点是数据能够比较敏感地反映被测量的变化，包含的信息比较丰富，在进行统计分析时，可以较少的样本数量获得准确的分析结论。但是，有时对测量手段要求比较高，有时需要话费比较大的成本去获取数据。通常对于计量型测量系统主要的研究变差包括评价人变差（再现性）、设备变差（重复性）、零件间变差以及交互作用变差等。

2、计数型测量系统。计数型测量系统也是按照测量结果的数据属性而定义的，即计数型测量得到的数据是计数型的数据。对于离散（或非连续）型的数据，通常也称为计数型数据，如合格/不合格、通过/不通过、是/否、好/坏等都具有分明界限的测量的表示。这类数据不如计量型数据包含的信息那样敏感丰富，在进行统计分析时，所需样本量往往比较大。但其对测量手段和成本的要求不高。随着现在对计数型数据的统计分析方法的不断应用，计数型数据越来越受重视。

三、测量系统分析方法比较分析

从对均值极差法的分析可以发现，这种传统的测量系统分析方法计算简便，根据测量值很方便地利用手算即可以得出。然而，这种均值极差法精度较差，因为它无法估计测量者与零件间的交互效应，这种交互效应也是影响测量数据的一种随机误差，其方差σ2op无法利用均值极差法求得。故在交互作用不明显时，均值极差法可以较好的应用于测量系统分析，当测量系统中存在显著的交互作用时，采用均值极差法则会大大低估测量系统的误差，这时候需要用方差分析法来解决。

方差分析法适用于任何试验调试，能从试验数据中分离出更多的信息，可以较为准确地反映出被测部件和测量者之间交互作用的影响，对测量系统能力的评价更为全面和准确，然而它的缺点是计算量较大，在实际应用中，经常需要借助一些统计软件包如Minitab、JMP、SPSS和STATISTICA等来进行上述分析。

除了测量系统分析外，还有几类非破坏性测量系统在工程实践中也有应用。有的情况下，测量过程是由测量设备自动完成的，在测量过程中不存在测量者的影响，此时测量系统的变异只包括重复性，这时候进行测量系统分析较为简单；有的情况下，一个零件只能被一个测量者重复测量，也就是说，一个零件嵌套于一个测量者，则该测量系统即是嵌套型测量系统，显然，在这样的模型中，零件与测量者的交互作用不能估计，这时候则需要进行嵌套方差分析。很多可控或不可控的因素都可能影响测量过程，这些因素可能交叉组合，也可能嵌套组合；因素可能既有随机效应的，又有固定效应的。因此，更为复杂测量系统需要考虑多种因素累积或交互的影响，如多测量设备构成的测量系统、测量环境受限的测量系统等，这些必须根据实际情况进行具体分析，避免忽略掉重要的误差影响因素。

此外，对应于非破坏性测量系统，破坏性测量系统通常是因为测量过程将改变被测对象的属性而不可被重复测量，即不能获得测量系统的重复性和再现性。另外，如果测量对象的属性不稳定，会随着时间而发生改变，这样的结果也会导致与破坏性测量相同的情况，即不能获得测量系统的重复性和再现性，这样的问题也被归入破坏性测量问题。如果测量过程违背了Jeroen和Albert[3]提出的稳定性假设或稳健性假设，那么相应的测量系统就称为破坏性测量系统。对此类测量系统，可以应用的方法有齐性样本法、替代样本法、非破坏性测量系统替代法、破坏性测量系统替代法、自相关法等。实践中，多数的破坏性测量系统可以采用上述方法进行分析，而其它的特殊破坏性测量系统也可以利用这些方法提供的分析思路开辟新的方法进行测量系统分析。

四、测量系统分析对钽粉中氢含量的稳定性的应用

按稳定性分析方法，使用RH600氢测定仪测定氢含量，对稳定性数据进行收集，结果见下表1：

表1RH-600测定钽粉中氢的稳定性数据（μg/g）

用minitab软件分析数据，做Xbar-R控制图，并进行分析，见下图：

钽粉中氢含量的Xbar-R控制图

结论：通过一个样品连续二十天的数据结果的Xbar图可以看出，数

值点在控制限范围内排列无缺陷，说明使用RH-600氢测定仪测定钽粉中氢的测量过程处于受控状态，测量系统是稳定可接受的。

参考文献：

[1]窦智．测量系统分析在制造业中的实际应用［J］．电源技术，2012，33（11）：15．

[2]张黎．测量系统能力分析与统计过程控制［J］．航空制造技术，2015（7）：86-88，92．

[3]吴小卫．质量过程的测量系统分析及其应用［D］．广州：暨南大学，2013．