隨著對稱重傳感器精度的要求越來越高，對研發(fā)制造稱重傳感器的測量系 統(tǒng)也隨之提高。本文簡單地介紹了測量系統(tǒng)的幾個(gè)特性及其判定準(zhǔn)則，主要是針對計(jì)量型數(shù) 據(jù)的測量系統(tǒng)進(jìn)行分析，并列舉如何對地磅稱重傳感器制造過程中測量ZTC的測量系統(tǒng)進(jìn)行分 析、改進(jìn)。

1.引言

在稱重傳感器的開發(fā)制造過程中，經(jīng)常需要 用到大量的數(shù)據(jù)，而這些數(shù)據(jù)一般都是通過測量 產(chǎn)生的。測量數(shù)據(jù)的好壞或是否可信直接影響到 所得到結(jié)論，尤其是隨著現(xiàn)在制造水平的提高， 對高精度稱重傳感器的要求也越來越高，什么樣 的測量結(jié)果才能滿足要求，也越來越受到重視。 本文將簡單介紹六西格瑪管理中的測量系統(tǒng)分析， 這個(gè)具有統(tǒng)計(jì)特性的工具在稱重傳感器開發(fā)、制 造持續(xù)改進(jìn)中的應(yīng)用。

2.測量系統(tǒng)幾個(gè)特性

測量是指對某具體事物賦予數(shù)值，以表示它 們對于特定特性之間的關(guān)系。在這個(gè)過程中，由人員、儀器或量具、測量對象、操作方法和 環(huán)境等綜合因素（人、機(jī)、料、法、環(huán)）所構(gòu)成 的整體就是一個(gè)測量系統(tǒng)，所謂的測量系統(tǒng)分 析，是指運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法對測量系統(tǒng)進(jìn)行評 估，在合適的特性位置測量正確的參數(shù)，了解影 響測量結(jié)果的波動(dòng)來源及其分布，并確認(rèn)測量系 統(tǒng)是否符合工程需求。使用的儀器是好的，并不 意味著測量出的結(jié)果就是準(zhǔn)確的，測量結(jié)果還受 其他因素的影響。測量系統(tǒng)分析是對影響測量結(jié) 果的因素的綜合分析，是為了對所使用的測量系 統(tǒng)做一個(gè)科學(xué)、系統(tǒng)的分析和評定，保證測量出 的結(jié)果是真實(shí)有效的。在制造稱重傳感器過程的 測試人員、力機(jī)、砝碼、扭矩扳手、傳感器裝夾 對位、操作現(xiàn)場溫度濕度等因素構(gòu)成了稱重傳感 器生產(chǎn)制造的整個(gè)測量系統(tǒng)，其測量系統(tǒng)是否合格，很大程度上決定了生產(chǎn)出來稱重傳感器是否 優(yōu)良。

2.1測量系統(tǒng)的分辨力（Discrimination)

測量系統(tǒng)的分辨力是指測量系統(tǒng)識(shí)別并反映 被測量最微小變化的能力。這種能力往往可以通 過儀器儀表上的最小刻度來反映。具有足夠的分 辨力是測量系統(tǒng)合格的首要條件之一，發(fā)現(xiàn)測量 系統(tǒng)的分辨力不足時(shí)，一般應(yīng)考慮更換量具或選 用更好的測量技術(shù)。選取量具原則為“1/10原 則”，如精度要求1mm的，我們一般采用0.1mm 精度的量具進(jìn)行測量。如枰上用的分度值e，如圖 1所示，當(dāng)e=l，0.1，0.001kg時(shí)，顯示設(shè)備上顯 示的數(shù)值，客戶可根據(jù)其對測量的要求而選用不 同的分度值e。

2.2偏倚（Bias)和線性 偏倚是指對同一測量對象多次測量結(jié)果的平 均值與參考值的差值。參考值（reference-value) 是一個(gè)預(yù)先認(rèn)定的參考標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)可用更高級(jí) 別測量系統(tǒng)進(jìn)行多次測量的平均值來確定。標(biāo)準(zhǔn) 樣本有問題、測量儀器沒有效準(zhǔn)、測量儀器使用不良、測量位置偏移、測量員之間存在誤差，都 有可能是造成偏倚過大的原因。

線性是指在測量系統(tǒng)預(yù)期的測量范圍內(nèi)，各 點(diǎn)處的偏倚與參考值呈線性關(guān)系，線性就是要求 這些偏倚量在數(shù)學(xué)上表現(xiàn)為是其對應(yīng)參考值的線 性回歸關(guān)系，如圖2所示。

理想的測量系統(tǒng)應(yīng)是量程范圍內(nèi)的任何一處 都不存在偏倚；如果在一點(diǎn)處能夠準(zhǔn)確地知道偏 倚的數(shù)值，或者在整個(gè)量程范圍內(nèi)有共同的偏倚, 則可以通過扣除偏倚加以修正；測量系統(tǒng)的偏倚 在整個(gè)量程范圍內(nèi)具有線性，則可以根據(jù)巳有的 測量結(jié)果加上線性關(guān)系的規(guī)律求出任一指定點(diǎn)處 的偏倚，這是我們在有偏倚的條件下的“不幸中 的萬幸”；如果有偏倚而又不具有線性，則將真是 大不幸，測量系統(tǒng)已經(jīng)無可救藥了。

2.3穩(wěn)定性（Stability)

穩(wěn)定性是指用同一測量儀器，由同一測量人 員在不同的時(shí)間測量同一被測對象時(shí)存在的差異。 是測量系統(tǒng)的各個(gè)計(jì)量特性在時(shí)間范圍內(nèi)保持恒 定的能力，如圖3所示。這也是測量系統(tǒng)分析的 基本條件之一。所以公司內(nèi)部各種測量器具（游 標(biāo)卡尺、儀表、力機(jī)等）定期檢驗(yàn)就顯得尤為重 要。需要安排人員定期地對測量器具或標(biāo)準(zhǔn)件進(jìn) 行重復(fù)測量，并繪制測量值的控制圖，跟蹤測量 器具的穩(wěn)定性。

2.4重復(fù)性（Repeatibility)

重復(fù)性是指同一個(gè)操作者使用同一套測量設(shè) 備，對同一個(gè)測量部件的同一特性在較短的時(shí)間間隔內(nèi)進(jìn)行多次測量，所得結(jié)果的一致性。重復(fù) 性強(qiáng)調(diào)所有的測量都是在盡可能相同的條件下完 成的，這時(shí)誤差的產(chǎn)生全部是由測量設(shè)備本身的 固有波動(dòng)引起，這部分誤差一般是不可能再降低 的。因此，重復(fù)性誤差又被稱為設(shè)備波動(dòng)（Equip-ment Variation, EV)。合格的測量系統(tǒng)應(yīng)具有良好的重復(fù)性，即其重復(fù)測量的波動(dòng)要小，如圖4所示。

2.5再現(xiàn)性(Reproducibility)

苒現(xiàn)性是指在各種可能變化的測量條件下， 對同一個(gè)測量部件的同一特性進(jìn)行多次測量，所 得結(jié)果的一致性。可能改變的測量條件包括操作 者、操作方法、測量設(shè)備、測量地點(diǎn)、使用條件 和測量時(shí)間等。其中相當(dāng)普遍的情況是，誤差主 要由不同的操作人員而引起。因此，再現(xiàn)性又被 稱為人員波動(dòng)（Appraiser Variation, AV)。好的測 量系統(tǒng)應(yīng)具有良好的再現(xiàn)性，特別是由不同的操 作人員使用同樣的測量儀器對同一測量對象測量 時(shí)的波動(dòng)要小，如圖5所示。

2.6精確度（Precision)

重復(fù)性和再現(xiàn)性分析一同構(gòu)成了測量系統(tǒng)精確 度分析的主要內(nèi)容，二者應(yīng)該被同時(shí)評估，這是測 量系統(tǒng)分析的重點(diǎn)。測量系統(tǒng)的總變異，包括重復(fù) 性(Repeatability)和再現(xiàn)性(Reproducibility),即 常用其英文開頭字母R&R表示精度，如圖6所示。

3.測量系統(tǒng)分析過程及實(shí)例

3.1測量系統(tǒng)分析的基本過程如下

（1）檢測設(shè)備的選定：量具必須經(jīng)過計(jì)量確 認(rèn)合格，其分辨力應(yīng)當(dāng)為至少能直接讀取被測特 性預(yù)期變差的1/10 ~ 1/5;

（2）評價(jià)人的選定：執(zhí)行測量作用人員， 均應(yīng)經(jīng)過必要的量具使用、維護(hù)培訓(xùn)，不至于 出現(xiàn)因人員操作問題所造成的測量誤差。從日 常操作該設(shè)備/儀器的人員中抽出2人~3人進(jìn)行測量；

（3）測量參數(shù)的選定：根據(jù)實(shí)際需要分析的 參數(shù)進(jìn)行測量；

（4）被測樣品的選定：由操作人員選取能夠 代表整個(gè)生產(chǎn)過程的5個(gè)?10個(gè)零件（能夠體現(xiàn) 出樣品間的變異性，有時(shí)可以采取每天取1個(gè)樣， 共取5天~10天），然后給這些樣品編號(hào)，確保研 究人員知道樣品編號(hào)；

（5）測量時(shí)采用盲測法，即測量人員按照隨機(jī)順序測量樣品，不能夠看到樣品編號(hào)，測量人 員之間不能夠知道彼此之間測量結(jié)果，以便最大 可能地減少操作者在測量過程中的主觀影響；

（6）每個(gè)樣品操作人員需重復(fù)測量2次~ 3次， 結(jié)果分別記錄在用MiniTab軟件（菜單路徑為，統(tǒng) 計(jì)>質(zhì)量工具>量具研究）或設(shè)計(jì)好的EXCEL表 格中；

（7）量具重復(fù)性及再現(xiàn)性結(jié)果的計(jì)算，在 MiniTab中運(yùn)行時(shí)選取相應(yīng)的部件號(hào)，操作員和測 量數(shù)據(jù)，點(diǎn)擊確認(rèn)即可，在EXCEL表格中運(yùn)行 時(shí)，輸入相應(yīng)的數(shù)據(jù)后即可出現(xiàn)結(jié)果。

3.2測量系統(tǒng)的判定

測量系統(tǒng)的判定分計(jì)量型數(shù)據(jù)和計(jì)數(shù)型數(shù)據(jù)的判定，計(jì)量型數(shù)據(jù)是指數(shù)據(jù)可以用連續(xù)的“標(biāo) 尺”來描述；計(jì)數(shù)型數(shù)據(jù)是指數(shù)據(jù)不能以連續(xù)的 “標(biāo)尺”來描述。

3.2.1連續(xù)型測量系統(tǒng)判斷準(zhǔn)則

（1）若％Gage R&R&%PAT兩項(xiàng)指標(biāo)皆小于 10%,則測量系統(tǒng)能力很好；

(2)若%Gage R&R *%P/T兩項(xiàng)指標(biāo)有一項(xiàng)大 于30%，則測量系統(tǒng)能力不足，不可接受，測量 系統(tǒng)必須改進(jìn)后才能使用；

（3）若介于10%與30%之間的情況，則測量 系統(tǒng)能力處于臨界狀態(tài)，屬于邊緣狀況，當(dāng)測量 系統(tǒng)測量的指標(biāo)并非產(chǎn)品的關(guān)鍵性能指標(biāo)，且更 換測量系統(tǒng)在經(jīng)濟(jì)上不可行時(shí)，則測量系統(tǒng)可以 勉強(qiáng)使用，否則測量系統(tǒng)也應(yīng)加以改進(jìn)才能使用。

其中，Gage R&R和PAT是評價(jià)測量系統(tǒng)精確 度的兩項(xiàng)重要指標(biāo)，Gage R&R指的是測量系統(tǒng)波 動(dòng)占整體波動(dòng)的百分比，制造過程整體波動(dòng)為a2總

=2過程+ o'2 i?i量雜，測量系統(tǒng)波動(dòng)為cr2si最系統(tǒng)二口2 重復(fù)性+ 0-2再現(xiàn)性。m則是指測量系統(tǒng)的精度占公差 的百分比，其著重評估測量系統(tǒng)針對相關(guān)產(chǎn)品規(guī) 格的測量效果，強(qiáng)調(diào)測量系統(tǒng)對公差界限的分析能力（判斷產(chǎn)品是否合格）能否測量的足夠精確。 Gage R&R著重評估測量系統(tǒng)對整體過程變異的測 量效果Gage R&R著重評估測量系統(tǒng)對整體過程變 異的測量效果強(qiáng)調(diào)測量系統(tǒng)對生產(chǎn)過程改進(jìn)分析 能力（過程是否已有改進(jìn)）能否測量的足夠精確。 m和Gage R&R是評估測量系統(tǒng)性能的兩個(gè)不同 方面，缺少其中任何一個(gè)將是不全面的。-個(gè)好 的測量系統(tǒng)，必須同時(shí)使這兩項(xiàng)指標(biāo)都足夠小。研 究R&R的前提是測量系統(tǒng)已經(jīng)過校準(zhǔn)，而其偏倚、 線性及穩(wěn)定性已經(jīng)過評價(jià)并認(rèn)為可接受。

3.2.2計(jì)數(shù)型測量系統(tǒng)判定

計(jì)數(shù)型測量系統(tǒng)的有兩個(gè)判定標(biāo)準(zhǔn)，分別如下：

（1）判定一：一致性百分比

1）90% ~ 100%測量系統(tǒng)合格；

2）<80%測量系統(tǒng)不合格；

3）80% ~ 90%根據(jù)具體情況決定測量系統(tǒng)的 有效性。

（2）判定二 ： Kappa值是針對評價(jià)人之間一致 性的測量值，只考慮他們一致與否，不考慮一致 的程度。

1）KaPPa>0.75表示一致性好，測量系統(tǒng)可以接受；

2）KaPPa<0.4表示一致性差，測量系統(tǒng)不能 接受；

3）0.4PPa<0.75表/K?需對?-致性進(jìn)行改進(jìn)。

3.3測量系統(tǒng)分析的實(shí)例

計(jì)量型測試數(shù)據(jù)在平常使用的比較多，所以 下面主要針對計(jì)量型測量系統(tǒng)進(jìn)行分析，而偏倚 及穩(wěn)定性方面的問題比較簡單，測量系統(tǒng)不滿足 要求更容易出現(xiàn)問題的地方常常在于精度方面， 本實(shí)例重點(diǎn)關(guān)注測量系統(tǒng)精度方面的分析即重復(fù) 性和再現(xiàn)性方面的分析。

ZTC是指溫度對最小靜負(fù)荷輸出的影響，一般 是高溫下零點(diǎn)與低溫下零點(diǎn)差值除以高溫與低溫 的溫度差值，這是傳感器很重要的一個(gè)指標(biāo)，所 以測試結(jié)果的正確與否就顯得尤為重要，需要對 其測量的溫箱、小車進(jìn)行測量系統(tǒng)分析。溫箱內(nèi) 共有4輛測試小車，選取10只傳感器分別在不同 的測試小車進(jìn)行測試，測試結(jié)果如表1所示。

在MiniTab中進(jìn)行操作，從“統(tǒng)計(jì) > 質(zhì)量工具 >量具研究 > 量具R&R研究（交叉）”進(jìn)人，指定 “部件號(hào)”為“傳感器”，“操作員”為“小車”， “測量數(shù)據(jù)”為“ZTC”，保持“方差分析”，“選 項(xiàng)”中“規(guī)格上限”為“30”， “規(guī)格下限”為 “-30”，確認(rèn)后所得結(jié)果摘錄如表2、表3、圖7 所示。

經(jīng)過Minitah計(jì)算的數(shù)據(jù)知，Gage R&R=3415>30%，可見重復(fù)性和再現(xiàn)性都不是很高，但再 現(xiàn)性方差分量的貢獻(xiàn)比率是重復(fù)性的3.6倍。可區(qū) 分的類別數(shù)=3<5，可見該測量系統(tǒng)的分辨力不足， 結(jié)論是根據(jù)以上MSA分析結(jié)果表明，用于稱重傳 感器ZTC測試的溫箱測量系統(tǒng)不可接受，主要體 現(xiàn)在再現(xiàn)性較大。

如果當(dāng)再現(xiàn)性（AV)變差值大于重復(fù)性 (EV）時(shí)，潛在的原因是：操作員對量具的操作方法及數(shù)據(jù)讀取方式應(yīng)加強(qiáng)教育，作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)再明 確制定或修訂；可能需要某些夾具協(xié)助操作員， 使其更具一致性；量具人廠后或送檢校驗(yàn)或送修 糾正后，需再做量測系統(tǒng)分析并作記錄；測量儀 表讀數(shù)盤中的標(biāo)準(zhǔn)刻度不大清晰；內(nèi)部缺乏穩(wěn)健 的儀器設(shè)計(jì)或方法、量具誤用。利用失效模式和 效果分析（Failure mode and effects analysis, FMEA) 對溫箱的測量失效模式進(jìn)行分析如表4所示，再 利用帕累托圖進(jìn)行分析，得到測試ZTC小車上 PCB板本身溫度性能的影響和測試接口混用兩個(gè) 主要潛在原因。

FMEA分析表如表4所示，帕累托分析圖如圖 8所示。

經(jīng)過對以上兩個(gè)主要原因?qū)y試用的PCB進(jìn)行了補(bǔ)償，更換了新的接口，得到的數(shù)據(jù)如表5、 表6、表7、圖9所示。

結(jié)論是根據(jù)以上MSA分析結(jié)果GageR&R＜30%,可區(qū)分的類別數(shù)>5，可見該測量系統(tǒng)的分辨力足夠，用于稱重傳感器ZTC測試的溫箱測量系統(tǒng)可以接受。

4.總結(jié)

一個(gè)能產(chǎn)生理想測量結(jié)果的測量系統(tǒng)是一個(gè) 具有零倚、零變異的統(tǒng)計(jì)特性，但遺憾的是，這 種理想的測量系統(tǒng)幾乎不存在，因此，產(chǎn)品的研 發(fā)制造過程中有必要對所使用測量系統(tǒng)進(jìn)行有效 控制把測量系統(tǒng)分析應(yīng)用到地磅稱重傳感器的研發(fā) 制造過程中，無論是對提高地磅稱重傳感器產(chǎn)品質(zhì)量 本身，還是提高其研發(fā)制造質(zhì)量管理水平都起到 至關(guān)重要的作用。因此，有必要把測量系統(tǒng)分析 這種方法在公司內(nèi)大力推廣。