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测量系统分析MeasurementSystemAnalysis刘文军13311989598MSA与ISO/TS16949：2002•ISO/TS16949：2002•7.6.1测量系统分析•为分析各种测量和试验设备系统测量结果存在的变差，必须进行适当的统计研究。此要求必须适用于在控制计划提出的测量系统。所用的分析方法及接收准则，必须与顾客关于测量系统分析的参考手册相一致。如果得到顾客的批准，也可以采用其它分析方法和接收准则。主要内容1测量系统术语介绍2统计学知识补充3测量系统研究的准备4测量系统分析方法术语介绍参考标准校准标准工作标准传递标准传递标准传递标准检查标准基准基准不同标准之间的联系测量备试验设数据•一组条件下观察结果的集合，既可以是连续的(一个量值和测量单位)又可以是离散的(属性数据或计数数据如成功／失败、好／坏、过／不通过等统计数据)。测量系统术语介绍•测量：赋值（或数）给具体物以表示它们之间关于特定特性的关系。赋值过程定义为测量过程，而赋予的值定义为测量值。•量具：任何用来获得测量结果的装置，经常用来特指用在车间的装置；包括通过/不通过装置。术语介绍•测量系统：•是用来对被测特性定量测量或定性评价的仪器或量具、标准、操作、方法、夹具、软件、人员、环境和假设的集合；用来获得测量结果的整个过程。测量和试验设备（M＆TE）完成一次测量所必需的所有测量仪器，测量标准，基准材料以及辅助设备。有关术语基准用于校准过程的参考标准，也被称为参考标准或校准标准。•基准值－同意作为比较基准的一个数值。√人为规定的可接受值√需要一个可操作的定义√作为真值的替代基准值可能是：1.一个理论值或基于科学原理而确定的值。2.基于一些国家或国际组织的一个指定值。3.基于某科学或工程组织主持的合作试验工作的，一致同意的数值。4.用于特殊量的定义相一致的值，按照惯例有时接受用于某已知目的。术语介绍•标准一个标准是根据普遍认同的意见使之作为比较的基础；是一个可接受的模型。它可能是一件人工制品或总效果（各种仪器，程序等），由某一权力机构确定和建立，作为数量、重量、范围、值或质量的测量规则。参考标准一般在给定位置可得到的最高计量质量标准，在这个位置进行的测量，都是以此标准为最终参照。术语介绍校准标准在进行定期校准中作为基准的标准，用来减轻按照试验室基准来进行的样准工作负担。传递标准用于一个独立的已知值的标准与正在校准的元件进行比较的标准。术语总结标准的总结•用于比较的可接受的基准•用于接受的准则•已知数值，在表明的不确定的度界限内，作为真值被接受•基准值一个标准应该是一个可操作的定义：由供应商或顾客应用时，在昨天、今天和明天都具有同样的含义，产生同样的结果。术语介绍参考值参考值也称为可被接受的参考值或基准值。它是一个人工制品值或总效果值用作约定的比较基准值。该参考值基于下列各值而定：由较高级（如计量实验室或全尺寸检验设备）的测量设备得到的几个测量平均值确定。法定值：由法律定义和强制执行。术语介绍参考值（续）理论值：根据科学原理而得。给定值：根据某些国家或国际组织的实验工作（由可靠的理论支持）而得。同意值：根据由科学或工程组主持下的合作实验工作而得：由用户，诸如专业和贸易组织在意见完全一致情况下来定义。协议值：由有关各方明确一致同意的值。术语介绍参考值（续）在所有情况下，参考值必须基于可操作的定义和可接受的测量系统的结果。为此，用于决定参考值的测量系统应包括：使用比用正常评价的系统要高的分辨等级和较低的测量系统误差的仪器。使用源于（美国）国家标准和技术局（NIST）或其他的NMI的标准进行校准。术语介绍真值真值是零件的“实际”测量值，虽然这个值是不知道的，并且是不可能的（经济地）接近这个值。遗憾的是，真值的确从没能被知道。在所有的分析中，参考值被用作真值的近似值。因为参考值被用作真值的替代值，所以这些标准术语常常互换使用，不过不推荐这种用法。•真值的总结√物品的实际值√未知的和不可知的术语-基本设备•分辨力（DISCRIMINATION）指一个测量仪器对标准测量单位可再分的程度1：10经验法则•鉴别力（RESOLUTION）指一个测量仪器监测出被测量量的变差的能力术语介绍•分辨力（续）1：10经验法则测量仪器分辨力的第一准则应该至少是被测量范围的十分之一。传统上：此范围就是产品公差范围；最近：此范围指过程变差，即10比1规则被解释为测量设备能够分辨至少十分之一的过程变差。这符合持续改进的原理。（即过程的焦点是顾客指定的目标值）。分辨力、可读性、分辨率•最小的读数单位、刻度限度；•由设计决定的固有特性；•测量或仪器输出的最小刻度；•1:10经验法则（过程变差与公差较小者）。有效分辨力一个数据分级定义：考虑整个测量系统变差时的数据分级大小(ndc)。Ndc=1.41x(PV/GRR)左图：只能表明过程是否正在生产合格零件。Numberofdataclassification有效分辨力2~4个数据分级•左图：只能粗略估计过程。•不能用于计量控制。5个或更多个个数据分级左图：可用于计量控制图达到5个以上分级数建议使用有效分辨力有效分辨力区分（example）6σ-10+104个分级数10个分级数术语介绍•分辨力（续）•由于经济和物理上的限制，测量系统不能识别过程分布中所有零件的独立的或不同的被测特性。被测特性将测量值划分为不同的数据组。在同样的数据组里的各个零件将有同样的被测特性值。•如果测量系统缺乏分辨力，对于识别过程变差或量化单个零件特性而言，这个系统也许不是一个合适的系统，应使用更好的测量技术。术语介绍•分辨力（续）•如果该分辨力不能探测过程变差，其用于分析过程是不可接受的；并且如果它不能探测特殊原因的变差，则其不能用于控制。•参见下图•分辨力不足的情况可能会在控制图中表现出来，参见图表术语介绍X/R控制图分辨率=0.0010。1450。1400。135样本均值子组0515202510UCL=0.1444Mean=0.137LCL=0.13500.020.010.00样本极差R=0.00812ULC=0.01717LCL=0术语介绍X/R控制图分辨率=0.010。1450。1400。135样本均值子组0515202510UCL=0.1438Mean=0.1397LCL=0.13590.020.010.00样本极差R=0.0068ULC=0.01438LCL=0术语介绍•分辨力（续）•上述两控制图取自同样的数据，不同之处就是一个分辨力是0.001,另一个是0.01,但控制图显示的结果却是不同,一个受控,一个失控,为什么?•失控的原因是分辨力不足.术语介绍•分辨力（续）•当使用稳定的，“最高等级的”，并在切实可行的技术限值内的测量系统后，可以达到稳定的，高能力的过程。•然而，有效分辨率也许不足，并且进一步改进测量系统变得不可行了。在这些特殊的情况下，测量计划需要其它代替性的过程监测技术。只有具有一定资格的，熟悉测量系统和过程的技术人员，才能作出决定并用文件记录。这些都要求获得顾客的批准，并在控制计划中文件化。术语介绍•偏倚是对同样的零件的同样特性，真值（基准值）和观测到的测量平均值的差值。术语介绍•稳定性（或漂移）是测量系统在某一阶段时间内，测量同一基准或零件的单一特性时获得的•测量总变差。换句•话说，稳定性是偏•倚随时间的变化。术语介绍•线性在设备的预期操作（测量）范围内偏倚的不同被称为线性。线性可以被认为是关于偏倚大小的变化。•线性的总结√整个正常操作范围的偏倚改变√整个操作范围的多个并且独立的偏倚误差的相互关系√测量系统的系统误差分量术语介绍术语介绍重复性√由一位评价人多次使用一种测量仪器，多次测量同一零件的同一特性时获得的测量变差√在固定和规定的测量条件下连续（短期）试验变差√通常指E.V.－设备变差√仪器（量具）的能力或潜能√系统内变差术语介绍•再现性√由不同的评价人使用同一个量具，测量一个零件的一个特性时产生的测量平均值的变差√对于产品和过程条件，可能是评价人、环境（时间）或方法的误差√通常指A.V－评价人变差√系统间（条件）变差置信区间•期望包括一个参数的真值的值的范围(在希望的概率情况下叫置信水平)。•统计检定时，常常取用置信水平=95%时，表示±1.96的范围。量具R&R•GRR或量具R﹠R√量具重复性和再现性：测量系统重复性和再现性合成的估计，换句话说，GRR等于系统内部和系统之间的方差的总和。σGRR²=σ再现性²+σ重复性²显著水平•被选择用来测试随机输出概率的一个统计水平，也同风险有关，表示为α风险，代表一个决定出错的概率。溯源性•在商品和服务贸易中溯源性是一个重要概念，溯源到相同或相近的标准的测量比那些没有溯源性的测量更容易被认同。这为减少重新试验、拒收好的产品、接收坏的产品提供了帮助。•溯源性在ISO计量学基本和通用国际术语(VIM)中的定义是”测量的特性或标准值，此标准是规定的基准，通常是国家或国际标准，通过全部规定了不确度的不间断的比较链相联系。有关术语•准确度－位置变差接近真值或可接受的基准值的程度•精密度－宽度变差重复读数彼此之间的接近度•指不同的评价人，采用相同的测量仪器，测量同一零件的同一特性时测量平均值的变差•一致性－宽度变差重复性随时间的变化程度，一个一致的测量过程是考虑到宽度（变异性）下的统计受控术语总结•分辨力、可读性、分辨率√别名：最小的读数的单位、测量分辨率、刻度限度或探测限度√由设计决定的固有特性√测量或仪器输出的最小刻度单位√总是以测量单位报告√1：10经验法则统计学知识补充•总体、个体、样本•研究对象的全体称为总体•构成总体的每个成员称为个体•统计学的主要任务就是：•（1）研究总体是什么分布？•（2）这个总体的均值、方差是多少？•从总体中抽取部分个体所组成的集合称为样本，样本的个体称为样品，样品的个数称为样本容量,用n表示统计学知识补充•均值：用来表示分布的中心位置，通常用E(X)或μ来表示,计算公式:•∑xipiX是离散型分布•E(X)=∫xp(x)dxX是连续型分布•方差：用来表示分布的散布大小，通常用D(X)或σ2来表示,方差大意味着分布较宽较分散,方差小意味着分布较窄较集中统计学知识补充•样本均值：x=(∑xi)/n•样本均值处于样本的中间位置，它可以反映总体分布的均值。•样本方差：s2=∑(xi-x)2/(n-1)•样本标准差：s统计学知识补充•正态分布N（μ，σ2）•其中μ是正态分布的中心，质量特性X在μ附近取值的机会最大，σ2是正态分布的方差，σ越大，分布俞分散，σ越小，分布俞集中•N（0，1）为标准正态分布统计学知识补充峰态分析•正态分布的概率：只要知道平均值和标准差就可以确定分布。•正态分配的性质1.分布形态对称于横坐标上平均点上的垂直线。2.正态分配曲线左右两尾逐渐接近于横坐标轴，但不于横坐标相交。3.曲线下横轴上的面积等于1，其概率分布如下图。统计学知识补充正态概率的分布μμ＋2σμ+1σμ＋3σμ-1σμ-2σμ-3σ0.340.340.1350.1350.02350.0235P（μ-1σ＜X＜μ+1σ）=0.6827P（μ-2σ＜X＜μ+2σ）=0.9545P（μ-3σ＜X＜μ+3σ）=0.9973能做到3σ就可以了。P（μ-6σ＜X＜μ+6σ）=0.9999966统计学知识补充•正态分布的标准化变换•设X～N(μ，σ2),则U=(X-μ)/σ～N(0，1)•即:任一正态变量经过标准化变换(X-μ)/σ后都可归一到标准正态分布如:X～N(10，22)，通过标准化变换U=(X-10)/2～N(0，1)统计学知识补充0.7U0.7=0.5250.30aua01-a标准正态分布N(0，1)的分位数P(x≤ua)=a,记为a的分位数为uaua=-u1-a统计学知识补充•如果X～N(μ，σ2)，•则样本均值X～N(μ，σ2/n)，•即：X=(∑xi)/n～N(μ，σ2/n)•正态分布查表练习•已知a=0.05查ua•已知ua=0.5