测量系统分析在地磅称重传感器研发制造中的应用

随着对称重传感器精度的要求越来越高，对研发制造称重传感器的测量系 统也随之提高。本文简单地介绍了测量系统的几个特性及其判定准则，主要是针对计量型数 据的测量系统进行分析，并列举如何对地磅称重传感器制造过程中测量ZTC的测量系统进行分 析、改进。

1.引言

在称重传感器的开发制造过程中，经常需要 用到大量的数据，而这些数据一般都是通过测量 产生的。测量数据的好坏或是否可信直接影响到 所得到结论，尤其是随着现在制造水平的提高， 对高精度称重传感器的要求也越来越高，什么样 的测量结果才能满足要求，也越来越受到重视。 本文将简单介绍六西格玛管理中的测量系统分析， 这个具有统计特性的工具在称重传感器开发、制 造持续改进中的应用。

2.测量系统几个特性

测量是指对某具体事物赋予数值，以表示它 们对于特定特性之间的关系。在这个过程中，由人员、仪器或量具、测量对象、操作方法和 环境等综合因素（人、机、料、法、环）所构成 的整体就是一个测量系统，所谓的测量系统分 析，是指运用统计学的方法对测量系统进行评 估，在合适的特性位置测量正确的参数，了解影 响测量结果的波动来源及其分布，并确认测量系 统是否符合工程需求。使用的仪器是好的，并不 意味着测量出的结果就是准确的，测量结果还受 其他因素的影响。测量系统分析是对影响测量结 果的因素的综合分析，是为了对所使用的测量系 统做一个科学、系统的分析和评定，保证测量出 的结果是真实有效的。在制造称重传感器过程的 测试人员、力机、砝码、扭矩扳手、传感器装夹 对位、操作现场温度湿度等因素构成了称重传感 器生产制造的整个测量系统，其测量系统是否合格，很大程度上决定了生产出来称重传感器是否 优良。

2.1测量系统的分辨力（Discrimination)

测量系统的分辨力是指测量系统识别并反映 被测量最微小变化的能力。这种能力往往可以通 过仪器仪表上的最小刻度来反映。具有足够的分 辨力是测量系统合格的首要条件之一，发现测量 系统的分辨力不足时，一般应考虑更换量具或选 用更好的测量技术。选取量具原则为“1/10原 则”，如精度要求1mm的，我们一般采用0.1mm 精度的量具进行测量。如枰上用的分度值e，如图 1所示，当e=l，0.1，0.001kg时，显示设备上显 示的数值，客户可根据其对测量的要求而选用不 同的分度值e。

2.2偏倚（Bias)和线性 偏倚是指对同一测量对象多次测量结果的平 均值与参考值的差值。参考值（reference-value) 是一个预先认定的参考标准，该标准可用更高级 别测量系统进行多次测量的平均值来确定。标准 样本有问题、测量仪器没有效准、测量仪器使用不良、测量位置偏移、测量员之间存在误差，都 有可能是造成偏倚过大的原因。

线性是指在测量系统预期的测量范围内，各 点处的偏倚与参考值呈线性关系，线性就是要求 这些偏倚量在数学上表现为是其对应参考值的线 性回归关系，如图2所示。

理想的测量系统应是量程范围内的任何一处 都不存在偏倚；如果在一点处能够准确地知道偏 倚的数值，或者在整个量程范围内有共同的偏倚, 则可以通过扣除偏倚加以修正；测量系统的偏倚 在整个量程范围内具有线性，则可以根据巳有的 测量结果加上线性关系的规律求出任一指定点处 的偏倚，这是我们在有偏倚的条件下的“不幸中 的万幸”；如果有偏倚而又不具有线性，则将真是 大不幸，测量系统已经无可救药了。

2.3稳定性（Stability)

稳定性是指用同一测量仪器，由同一测量人 员在不同的时间测量同一被测对象时存在的差异。 是测量系统的各个计量特性在时间范围内保持恒 定的能力，如图3所示。这也是测量系统分析的 基本条件之一。所以公司内部各种测量器具（游 标卡尺、仪表、力机等）定期检验就显得尤为重 要。需要安排人员定期地对测量器具或标准件进 行重复测量，并绘制测量值的控制图，跟踪测量 器具的稳定性。

2.4重复性（Repeatibility)

重复性是指同一个操作者使用同一套测量设 备，对同一个测量部件的同一特性在较短的时间间隔内进行多次测量，所得结果的一致性。重复 性强调所有的测量都是在尽可能相同的条件下完 成的，这时误差的产生全部是由测量设备本身的 固有波动引起，这部分误差一般是不可能再降低 的。因此，重复性误差又被称为设备波动（Equip-ment Variation, EV)。合格的测量系统应具有良好的重复性，即其重复测量的波动要小，如图4所示。

2.5再现性(Reproducibility)

苒现性是指在各种可能变化的测量条件下， 对同一个测量部件的同一特性进行多次测量，所 得结果的一致性。可能改变的测量条件包括操作 者、操作方法、测量设备、测量地点、使用条件 和测量时间等。其中相当普遍的情况是，误差主 要由不同的操作人员而引起。因此，再现性又被 称为人员波动（Appraiser Variation, AV)。好的测 量系统应具有良好的再现性，特别是由不同的操 作人员使用同样的测量仪器对同一测量对象测量 时的波动要小，如图5所示。

2.6精确度（Precision)

重复性和再现性分析一同构成了测量系统精确 度分析的主要内容，二者应该被同时评估，这是测 量系统分析的重点。测量系统的总变异，包括重复 性(Repeatability)和再现性(Reproducibility),即 常用其英文开头字母R&R表示精度，如图6所示。

3.测量系统分析过程及实例

3.1测量系统分析的基本过程如下

（1）检测设备的选定：量具必须经过计量确 认合格，其分辨力应当为至少能直接读取被测特 性预期变差的1/10 ~ 1/5;

（2）评价人的选定：执行测量作用人员， 均应经过必要的量具使用、维护培训，不至于 出现因人员操作问题所造成的测量误差。从日 常操作该设备/仪器的人员中抽出2人~3人进行测量；

（3）测量参数的选定：根据实际需要分析的 参数进行测量；

（4）被测样品的选定：由操作人员选取能够 代表整个生产过程的5个?10个零件（能够体现 出样品间的变异性，有时可以采取每天取1个样， 共取5天~10天），然后给这些样品编号，确保研 究人员知道样品编号；

（5）测量时采用盲测法，即测量人员按照随机顺序测量样品，不能够看到样品编号，测量人 员之间不能够知道彼此之间测量结果，以便最大 可能地减少操作者在测量过程中的主观影响；

（6）每个样品操作人员需重复测量2次~ 3次， 结果分别记录在用MiniTab软件（菜单路径为，统 计>质量工具>量具研究）或设计好的EXCEL表 格中；

（7）量具重复性及再现性结果的计算，在 MiniTab中运行时选取相应的部件号，操作员和测 量数据，点击确认即可，在EXCEL表格中运行 时，输入相应的数据后即可出现结果。

3.2测量系统的判定

测量系统的判定分计量型数据和计数型数据的判定，计量型数据是指数据可以用连续的“标 尺”来描述；计数型数据是指数据不能以连续的 “标尺”来描述。

3.2.1连续型测量系统判断准则

（1）若％Gage R&R&%PAT两项指标皆小于 10%,则测量系统能力很好；

(2)若%Gage R&R *%P/T两项指标有一项大 于30%，则测量系统能力不足，不可接受，测量 系统必须改进后才能使用；

（3）若介于10%与30%之间的情况，则测量 系统能力处于临界状态，属于边缘状况，当测量 系统测量的指标并非产品的关键性能指标，且更 换测量系统在经济上不可行时，则测量系统可以 勉强使用，否则测量系统也应加以改进才能使用。

其中，Gage R&R和PAT是评价测量系统精确 度的两项重要指标，Gage R&R指的是测量系统波 动占整体波动的百分比，制造过程整体波动为a2总

=2过程+ o'2 i?i量雜，测量系统波动为cr2si最系统二口2 重复性+ 0-2再现性。m则是指测量系统的精度占公差 的百分比，其着重评估测量系统针对相关产品规 格的测量效果，强调测量系统对公差界限的分析能力（判断产品是否合格）能否测量的足够精确。 Gage R&R着重评估测量系统对整体过程变异的测 量效果Gage R&R着重评估测量系统对整体过程变 异的测量效果强调测量系统对生产过程改进分析 能力（过程是否已有改进）能否测量的足够精确。 m和Gage R&R是评估测量系统性能的两个不同 方面，缺少其中任何一个将是不全面的。-个好 的测量系统，必须同时使这两项指标都足够小。研 究R&R的前提是测量系统已经过校准，而其偏倚、 线性及稳定性已经过评价并认为可接受。

3.2.2计数型测量系统判定

计数型测量系统的有两个判定标准，分别如下：

（1）判定一：一致性百分比

1）90% ~ 100%测量系统合格；

2）<80%测量系统不合格；

3）80% ~ 90%根据具体情况决定测量系统的 有效性。

（2）判定二 ： Kappa值是针对评价人之间一致 性的测量值，只考虑他们一致与否，不考虑一致 的程度。

1）KaPPa>0.75表示一致性好，测量系统可以接受；

2）KaPPa<0.4表示一致性差，测量系统不能 接受；

3）0.4PPa<0.75表/K?需对?-致性进行改进。

3.3测量系统分析的实例

计量型测试数据在平常使用的比较多，所以 下面主要针对计量型测量系统进行分析，而偏倚 及稳定性方面的问题比较简单，测量系统不满足 要求更容易出现问题的地方常常在于精度方面， 本实例重点关注测量系统精度方面的分析即重复 性和再现性方面的分析。

ZTC是指温度对最小静负荷输出的影响，一般 是高温下零点与低温下零点差值除以高温与低温 的温度差值，这是传感器很重要的一个指标，所 以测试结果的正确与否就显得尤为重要，需要对 其测量的温箱、小车进行测量系统分析。温箱内 共有4辆测试小车，选取10只传感器分别在不同 的测试小车进行测试，测试结果如表1所示。

在MiniTab中进行操作，从“统计 > 质量工具 >量具研究 > 量具R&R研究（交叉）”进人，指定 “部件号”为“传感器”，“操作员”为“小车”， “测量数据”为“ZTC”，保持“方差分析”，“选 项”中“规格上限”为“30”， “规格下限”为 “-30”，确认后所得结果摘录如表2、表3、图7 所示。

经过Minitah计算的数据知，Gage R&R=3415>30%，可见重复性和再现性都不是很高，但再 现性方差分量的贡献比率是重复性的3.6倍。可区 分的类别数=3<5，可见该测量系统的分辨力不足， 结论是根据以上MSA分析结果表明，用于称重传 感器ZTC测试的温箱测量系统不可接受，主要体 现在再现性较大。

如果当再现性（AV)变差值大于重复性 (EV）时，潜在的原因是：操作员对量具的操作方法及数据读取方式应加强教育，作业标准应再明 确制定或修订；可能需要某些夹具协助操作员， 使其更具一致性；量具人厂后或送检校验或送修 纠正后，需再做量测系统分析并作记录；测量仪 表读数盘中的标准刻度不大清晰；内部缺乏稳健 的仪器设计或方法、量具误用。利用失效模式和 效果分析（Failure mode and effects analysis, FMEA) 对温箱的测量失效模式进行分析如表4所示，再 利用帕累托图进行分析，得到测试ZTC小车上 PCB板本身温度性能的影响和测试接口混用两个 主要潜在原因。

FMEA分析表如表4所示，帕累托分析图如图 8所示。

经过对以上两个主要原因对测试用的PCB进行了补偿，更换了新的接口，得到的数据如表5、 表6、表7、图9所示。

结论是根据以上MSA分析结果GageR&R＜30%,可区分的类别数>5，可见该测量系统的分辨力足够，用于称重传感器ZTC测试的温箱测量系统可以接受。

4.总结

一个能产生理想测量结果的测量系统是一个 具有零倚、零变异的统计特性，但遗憾的是，这 种理想的测量系统几乎不存在，因此，产品的研 发制造过程中有必要对所使用测量系统进行有效 控制把测量系统分析应用到地磅称重传感器的研发 制造过程中，无论是对提高地磅称重传感器产品质量 本身，还是提高其研发制造质量管理水平都起到 至关重要的作用。因此，有必要把测量系统分析 这种方法在公司内大力推广。