Guard banding技術(shù)在計(jì)量校準(zhǔn)中的實(shí)施探討

王 景，王 實(shí)

（工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣東 廣州 510610）

0 引 言

UUT 測量值（Meas）距離最大允許誤差（±SL）較遠(yuǎn)時(shí)，可以說測試點(diǎn)合格的機(jī)率非常大，如圖1所示。但是，如果測量值在最大允許誤差限附近，考慮標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)測量不確定度的因素，很難做出合格與否的結(jié)論。總有一個(gè)在指標(biāo)限附近的區(qū)域，不能判斷實(shí)際值是否合格。圖2給出了這個(gè)區(qū)域，稱之為待定區(qū)域，或者叫灰色區(qū)域（Guard Band）。

這時(shí)要給出合格與否結(jié)論時(shí)往往會出現(xiàn)這種風(fēng)險(xiǎn)：指標(biāo)超差的儀器可能被判斷為合格，而實(shí)測誤差在指標(biāo)范圍內(nèi)的儀器可能被判斷為不合格。如果UUT的指標(biāo)相比標(biāo)準(zhǔn)器的指標(biāo)大于3∶1或4∶1，則標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)（STD）測量不確定度相對較小，待定區(qū)域越小越容易判斷測量結(jié)果合格與否。

圖1 測量值與標(biāo)準(zhǔn)的比較

圖2中，SL代表UUT的指標(biāo)，通常以最大允許誤差表示；TL代表考慮邊界保障帶后確定的新指標(biāo)；Nom代表UUT的標(biāo)稱值；Meas代表標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)獲得的UUT的測量值。

為考慮標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)測量不確定度影響后的保障區(qū)域。定義這樣的一個(gè)區(qū)域，然后，在計(jì)量校準(zhǔn)中使用這個(gè)區(qū)域來規(guī)定UUT的新的技術(shù)指標(biāo)TL，從而更加嚴(yán)格或更加寬松的判斷UUT測量結(jié)果合格與否，這種技術(shù)叫Guard banding技術(shù)。

圖2 待定區(qū)域

1 ISO 17025——2005推薦的一種Guard banding的實(shí)施方法

ISO 17025——2005《檢測和校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室能力的通用要求》，用來代替ISO導(dǎo)則25[1]。對于報(bào)告測量結(jié)果有明確的說明，要求在校準(zhǔn)結(jié)果中逐點(diǎn)報(bào)告測量不確定度，確保標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)的不確定度不會對校準(zhǔn)結(jié)果帶來不利影響。

逐點(diǎn)報(bào)告測量不確定度后，更大的意義在于和Guard banding技術(shù)結(jié)合，更加有信心地評估那些待定區(qū)域的校準(zhǔn)點(diǎn)到底是否合格或超差。

在考慮待定區(qū)域判斷結(jié)果合格與否時(shí)，ISO 17025——2005中給出了一種建議。置邊界保障帶等于標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)的測量不確定度，被校準(zhǔn)對象新的允許誤差限TL等于被校準(zhǔn)對象指標(biāo)SL直接減去標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)（STD）的測量不確定度，即：

這樣可杜絕了那些可能會誤判為合格的測試點(diǎn)，很好地把控測試用儀器儀表的性能指標(biāo)，使得產(chǎn)品質(zhì)量更好受控，將風(fēng)險(xiǎn)降低。但是這樣做的弊端是將一部分可能合格的測試點(diǎn)判斷為不合格，增加了不合格點(diǎn)的數(shù)量。

2 建議的兩種方法探討

測量結(jié)果一般按服從正態(tài)分布來評定：

式中：x——UUT測量值；

u——期望值，這里指測量真值，在校準(zhǔn)中通常指標(biāo)準(zhǔn)值；

σ——標(biāo)準(zhǔn)方差。

假設(shè)實(shí)測誤差剛好落在最大誤差限上時(shí)，代表著實(shí)測值在允許誤差范圍內(nèi)和超出允許誤差的概率各為50%。而根據(jù)正態(tài)分布概率，當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)方差為2σ時(shí)，測量結(jié)果的置信概率約為95%，還有5%的可能是測量得不準(zhǔn)，結(jié)合上述特例，那么超差的概率各為2.5%。

直接按ISO 17025——2005建議的方法，定義邊界保障帶和新指標(biāo)TL，從儀器儀表研發(fā)生產(chǎn)的企業(yè)來講，使用收緊的技術(shù)指標(biāo)來判斷儀器是否合格，大大增加了使用儀器儀表進(jìn)行產(chǎn)品測試的信心。但同時(shí)，根據(jù)測量誤差在灰色帶的測量點(diǎn)，即概率為2.5%左右的事件，判定儀器為不合格，造成研發(fā)過程中更多硬件成本和測試費(fèi)用的投入，代價(jià)非常昂貴。宜根據(jù)不同測試級別，來控制對儀器儀表的要求[2-3]。

因此提出了兩個(gè)建議的方法：

當(dāng)UUT的指標(biāo)與標(biāo)準(zhǔn)器指標(biāo)的比值TUR＞3時(shí)，可不考慮邊界保障帶的影響，當(dāng)TUR≤3時(shí)，可參考如下兩種新的方法來實(shí)行。

方法1：按式（3）定義UUT的新指標(biāo)：

式中：SL——UUT的最大允許誤差；

Ustd——標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)的測量不確定度。

通過這種方式，可以得到考慮了邊界帶之后的允許誤差TL。

方法2：直接方式，例如設(shè)置Guard band系數(shù)K為0.8，則新誤差限收緊到原來UUT指標(biāo)的0.8倍。

式中k代表考慮邊界帶系數(shù)，可取1.0，0.8，0.75等。k為1.0，代表不考慮邊界帶的影響；k為0.8，代表考慮邊界帶后，UUT新的最大允差為原來 （說明書）的0.8倍，相當(dāng)于收緊了允許誤差。

3 結(jié)束語

在福祿克公司的MET/CAL軟件中已經(jīng)在嘗試用上述方法考慮邊界帶的影響[4]，并確定UUT新指標(biāo)SL。上述方法具有非常好的參考意義，跟逐點(diǎn)報(bào)告測量不確定度結(jié)合，也方便實(shí)施，建議國內(nèi)計(jì)量機(jī)構(gòu)借鑒使用，從而使得計(jì)量校準(zhǔn)結(jié)果更科學(xué)，更可靠。

[1]ISO/IEC 17025—2005 Generalrequirements for the competence of testing and calibration laboratories[S].2005.

[2] ANSI/NCSL Z540.3—2006 Requirements for the calibr ation of measuring and test equipment[S].2006.

[3] ILAC-G8—1996 Guidelines assessment and reporting of compliance with specification， International Laboratory Accreditation Cooperation[S].1996.

[4] 毛玉萍，楊勝利.用Met/Cal實(shí)現(xiàn)數(shù)字多用表測量不確定度的計(jì)算[J].計(jì)測技術(shù)，2013（2）：77-79.