第一章－ 第五节测量问题

引言

在评价一个测量系统时必须考虑三个基本问题：

1）测量系统必须证明有足够的敏感度。

√首先，仪器（和标准）是否有足够的分辨力？选择测量系统的基本开始点是由设计所决定的分辨力（或等级）。通常应用 10：1 的原则，也就是说，仪器的分辨力应该把公差（或过程变差）细分为 10 分之一或更多。

√第二，测量系统是否证明具有有效的解析度？与分辨力类似关系，有效解析度要确定测量系统在应用状况下具有敏感度以检测出产品或过程变差。

2）测量系统必须稳定。

√在重复性的状况下，测量系统变差仅由普通原因而不是由特殊原因（无秩序的）产生。

√测量分析必须时时刻刻考虑实践和统计的显著性。

3）统计的特性（误差）要一直保持在期望的范围内，并且足以满足测量的目的（产品控制或过程控制）。

长期以来，传统上只用公差的百分比作为测量误差的报告方法，这已不能适应于过程持续改进的市场竞争的策略。随着过程改变和改进，测量系统必须为它的使用意图重新评价。组织（管理者、测量计划者、生产操作者和质量分析人员）理解测量的目的并进行适当的评价是不可或缺的。

测量系统变差的类型

测量通常被假定是精确的，而且许多后续的分析及结论都是以该假设为基础。个人可能无法意识到测量系统中存在影响各个测量的变差，它进而又影响基于这些数据的结论。测量系统误差可以分成五种类型：偏倚、重复性、再现性、稳定性和线性。

测量系统研究的目的之一是获得测量系统与其所处环境有相互作用时，其产生的测量变差的类型和结果的讯息。这些 信息是很有价值的，因为对一般的生产过程，确认重复性和校准偏倚，以及为这些制定合理的极限，比提供具有非常高重复性的准确量具更有用。应用这种研究可提供：

●接受新测量设备的准则。

●一个测量装置与另一个测量装置的比较。

●评价一个疑似不充分量具装置的依据。

●测量设备维修前后的比较。

为计算过程变差以及生产过程可接  受程度的必要构成元素。

●绘制量具性能曲线（GPC）17 的必要信息，GPC 表示接受某一零件真值的概率。

下列定义帮助我们描述与一测量系统有关的误差或变差类型，以便在其后讨论中可以清楚地理解每个术语。每种定义都给出 了说明，以便生动地展现每项术语的含义。

变差的定义及潜在的来源

可操作的定义

“可操作的定义系指人员可以进行其业务的定义。一个安全的、圆的、可靠的或其它任何质量（特性）的可操作性的定义必须是可相互交流的，对于卖主和买主具有同样的意义，对于生产工人来说，在今天和昨天都具有同样的意义。例如：

1.一块材料或一个总成件的特定试验

2.判断用的准则

3.决定：是或不是，物体或材料符合或不符合准则 18

标准（standard）

标准通常指全体同意作为一个比较的基础，一种可接受的形式。它可以是由权威机构设定或建立的一个物品或是一个整体（仪器、程序等），如用来度量数量、重量、长度、值或质量的规则。

这整体（ensemble）的概念是在美国国家标准协会（ANSI）/美国质量控制协会（ASQC）标准 M1-199619 中正式形成。这术语强调需要考虑所有影响测量不确定度的实情；如环境、程序、人员等。“举一个简单的整体例子，校准块规的整体包括了标准块规、比较测定仪、操作者、环境及校准程序”。

参考标准（reference standard）

指在某一特定地点存放的，通常具有最高度量衡的质量的标准。使用这样的标准所做的测量是可以追溯的。

测量和试验设备（M&TE）

完成一次测量所需要的所有测量仪器、测量标准，基准材料以及辅助设备。

校准标准（calibratiion standard）

进行日常校准时用来作为一项参考的标准。意图是作为校准工作量和实验室参考标准之间的缓冲。

传递标准(transfer standard)

用来将某一已知数值的标准与即将进行校准的单元进行个别比较的标准。

基准（master）

作为在校准过程中的一项标准。也可以被描述为参考或校准的标准。

工作标准（working standard）

在实验室内进行日常测量的标准。其不作为校准标准使用，但是也许可以用作传递标准。

为物件选择一个标准应该很慎重。所采用的标准应能够反映该测量系统的用途和范围，以及以时间为基础的变差，如磨损及环境因素（温度，湿度等）。

检查标准（check standard）

一个与被指定的测量过程非常相似的测量物品，但它比被评价的测量过程更稳定。

参考值（reference value）

参考值也称为可被接受的参考值或基准值。它是一个被同意用作参考比较的一个物品或整体的值。可接受的参考值取决于以下几个方面：

●用高一级的测量设备（如度量衡实验室或全尺寸检验设备）多次测量平均值确定。

●法定值：由法律定义并强制执行的。

●理论值：以科学原理为基础。

●指定值：以一些国家或国际组织的实验工作为基础（由健全的理论支持）。

●一致同意的值：以一些科学或工程组织赞助的合作实验为基础，通过专业人士和商业组织等使用者一致同意其定义的值。

●协议值：由受影响的各团体所协调一致得到的值。

在所有情况下，参考值需要以一个可操作的定义为基础。并且由一个可接受的测量系统得到其结果。为了达到这目标，用来确定这参考值的测量系统应该包括：

●测量仪器与正常评价的系统相比，具有较高的分辨力和较低的测量系统误差。

●可追溯到（美国）国家标准和技术局（NIST）或其他的 NMI 的标准进行校准。

真值（true value）

真值是零件的“实际值”，尽管该值不被知道且无法知道，但它是测量系统的目标。所有个别的值都要尽可能地（经济地）接近这个值。遗憾的是，永远不可能知道确切的真值。在所有的分析中，参考值被作为真值的最佳近似值。由于参考值被用作替代真值，所以这些标准术语常常互换使用，不过不推荐这种用法。21

分辨力

分辨力是仪器可以探测到并如实显示的参考值的变化量。通常也被称为可读程度或解析度。

这种测量的能力通常是某测量仪器上最小刻度的值。如果仪器刻度较“粗略”，则可以使用刻度值的一半作为解析度。

可以将上述的比例规则视为确定分辨力的一个起始点，因为这还没有包括测量系统变差的任何其它因素。

由于经济和物理上的限制，测量系统不能识别过程分布中成各个独立或不同测量特性的所有零件。取而代之的是是以这些测量特性分组成不同的数据种类。在同一数据分类中的所有零件，对其被测特性来说具有相似的数值。

如果测量系统的分辨力（灵敏度或有效解析度）不足，它将不是一个识别过程变差的合适的系统，或对各个零件我值定量。如果是这样的情形，应该使用更好的测量技术。

如果不能探测过程变差，则这分辨力用于分析是不可接受的；如果不能探测出特殊原因的变差，它用于控制是不可接受的（见图 5）。

不适用的分辨力可能会在极差图中出现。图 6 是包含了从相同数据中取得的两组控制图。控制图（a）显示精确到千分之一英寸的原始测量值，控制图（b）表示这些百分之一英寸的原始测量值是四舍五入的。由于人为的紧缩限制，控制图（b）显示是失控的。这四舍五入的零极差超越了描述这一产品的子组变差的象征。

不合适的分辨力的最佳象征，可由过程变差的 SPC 极差图看出来。尤其是，是 当 极 差图显示可能只有一个，二个或三个极差值 在控制限内时，这种测量就是在分辨力不足时进行的。另外，如果极差图显示有四种可能的极差值在控制限内，并且超过四分之一以上 的极差值为零，则该测量也是在分辨力不足下进行的。另一个不合适的分辨力是一个普通的概率图，其数据将被堆叠，面不是沿着 45 度线流动返回到图 6，控制图（b）可能仅有两个极差值在控制限之内（值 0.00 和 0.01）。因此，上述规则正确地识别出失控的原因是分辨力（灵敏度或有效分辨率）不足。