真空校準(zhǔn)系統(tǒng)測(cè)量過程統(tǒng)計(jì)控制的設(shè)計(jì)與實(shí)施

摘 要：為確定真空校準(zhǔn)系統(tǒng)測(cè)量過程是否穩(wěn)定受控，文章對(duì)其設(shè)計(jì)并實(shí)施了統(tǒng)計(jì)控制，這也是我院首次將統(tǒng)計(jì)控制方法應(yīng)用在測(cè)量過程的控制。在采集測(cè)量控制數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，建立了控制模型，應(yīng)用t檢驗(yàn)和F檢驗(yàn)兩種統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)法，計(jì)算得到統(tǒng)計(jì)量，對(duì)測(cè)量過程是否受控進(jìn)行判定。實(shí)施結(jié)果表明，真空校準(zhǔn)系統(tǒng)測(cè)量過程處于穩(wěn)定受控狀態(tài)，測(cè)量結(jié)果真實(shí)可靠。

關(guān)鍵詞：真空校準(zhǔn)系統(tǒng)；測(cè)量過程；統(tǒng)計(jì)控制

引言

為保證真空計(jì)在工作中實(shí)現(xiàn)精確可靠的測(cè)量，達(dá)到較高的真空獲得水平，我院建立了真空校準(zhǔn)系統(tǒng)，用于校準(zhǔn)我院在用真空計(jì)。目前采用的是傳統(tǒng)的量傳方式，可以保持標(biāo)準(zhǔn)器的穩(wěn)定性，卻無法考核系統(tǒng)在使用過程中的穩(wěn)定性，無法對(duì)測(cè)量全過程實(shí)施控制。

目前，在國(guó)內(nèi)僅有幾家參加了MAP（計(jì)量保證方案）活動(dòng)的實(shí)驗(yàn)室開展了此項(xiàng)工作，在統(tǒng)計(jì)控制模型的設(shè)計(jì)方面奠定了理論基礎(chǔ)。但是，測(cè)量過程的被測(cè)參數(shù)多種多樣，針對(duì)具體項(xiàng)目的統(tǒng)計(jì)控制方法還必須逐項(xiàng)開發(fā)，我院尚未開展過對(duì)測(cè)量過程進(jìn)行統(tǒng)計(jì)控制的應(yīng)用研究。

本文以真空校準(zhǔn)系統(tǒng)為例，開展了對(duì)測(cè)量過程實(shí)施統(tǒng)計(jì)控制的摸索與實(shí)踐。在建立控制模型的基礎(chǔ)上，利用統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法判定系統(tǒng)測(cè)量過程是否受控。

1 必要性分析

為保證測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確性，現(xiàn)定期將我院真空校準(zhǔn)系統(tǒng)上的標(biāo)準(zhǔn)器送上級(jí)計(jì)量機(jī)構(gòu)檢定，檢定合格后裝在系統(tǒng)上投入使用，開展我院真空計(jì)的校準(zhǔn)工作。這種傳統(tǒng)的量傳方法一般能保證測(cè)量準(zhǔn)確度，但是應(yīng)用在我院在用的真空校準(zhǔn)系統(tǒng)上還存在許多不足。

首先，我院在用的真空校準(zhǔn)系統(tǒng)是對(duì)測(cè)量準(zhǔn)確度要求較高、過程較復(fù)雜、且測(cè)量結(jié)果較重要的計(jì)量校準(zhǔn)系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)組成也比較復(fù)雜。

其次，標(biāo)準(zhǔn)器兩次檢定間隔期間內(nèi)，可能由于偶然因素引起標(biāo)準(zhǔn)器計(jì)量性能改變，受環(huán)境條件、測(cè)量系統(tǒng)、人員操作等因素的影響，不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)其導(dǎo)致的測(cè)量準(zhǔn)確度下降。

最后，在最新版的JJF1033-2008《計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)考核規(guī)范》C.3.1中明確提出“對(duì)于準(zhǔn)確度較高且重要的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)，如有可能，建議盡量采用控制圖等方法對(duì)其測(cè)量過程進(jìn)行連續(xù)和長(zhǎng)期的統(tǒng)計(jì)控制[2]。”

基于以上幾點(diǎn)，對(duì)我院在用的真空校準(zhǔn)系統(tǒng)的測(cè)量過程實(shí)施統(tǒng)計(jì)控制勢(shì)在必行。

2 實(shí)施總體思路

在測(cè)量過程中引入控制對(duì)象代替被測(cè)對(duì)象，由控制對(duì)象提供一種表征測(cè)量過程狀態(tài)的手段，即在一個(gè)相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間和在變化的環(huán)境條件下，通過對(duì)控制對(duì)象的重復(fù)測(cè)量以反映整個(gè)測(cè)量過程的性能。

通過監(jiān)控測(cè)量過程對(duì)控制對(duì)象的響應(yīng)，來判斷整個(gè)測(cè)量期間的測(cè)量過程的表現(xiàn)，以達(dá)到控制測(cè)量過程的目的。

3 控制實(shí)施的準(zhǔn)備階段

3.1 控制對(duì)象的選擇

對(duì)控制對(duì)象的選擇沒有嚴(yán)格的限制，關(guān)鍵是看其能否達(dá)到測(cè)量過程控制的目的。在選擇控制對(duì)象時(shí)主要基于以下考慮：

a.具有良好的重復(fù)性和穩(wěn)定性；b.控制對(duì)象的量值能被測(cè)量過程測(cè)量或復(fù)現(xiàn)；c.控制對(duì)象應(yīng)具備可用性，即在測(cè)量過程需要進(jìn)行控制測(cè)量的任何時(shí)刻，都能獲得和使用。基于以上幾點(diǎn)，針對(duì)本系統(tǒng)采用測(cè)量范圍1Torr的電容薄膜真空計(jì)做被測(cè)量器具，對(duì)其1Pa測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行過程控制。

3.2 建立數(shù)據(jù)庫(kù)

對(duì)測(cè)量過程統(tǒng)計(jì)控制而言，我們所關(guān)心的是由測(cè)量過程所復(fù)現(xiàn)的控制對(duì)象量值數(shù)據(jù)庫(kù)，而不是控制對(duì)象本身。對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行測(cè)量的全部歷史數(shù)據(jù)則構(gòu)成了控制數(shù)據(jù)庫(kù)。

為確定分布正態(tài)性、過程參數(shù)和控制極限等，對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行了重復(fù)測(cè)量，得到了多組測(cè)量數(shù)據(jù)，建立的數(shù)據(jù)總量超過100個(gè)，該數(shù)據(jù)庫(kù)是表征測(cè)量過程特性的重要資料，也是判定測(cè)量過程是否受控的主要依據(jù)。

4 分布的正態(tài)性檢驗(yàn)

在對(duì)控制對(duì)象長(zhǎng)期、重復(fù)測(cè)量基礎(chǔ)上建立的量值數(shù)據(jù)庫(kù)，是將統(tǒng)計(jì)控制應(yīng)用到該系統(tǒng)測(cè)量過程的根本基礎(chǔ)。數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)服從一個(gè)基本假定，即數(shù)據(jù)服從單一正態(tài)分布，且測(cè)量誤差與測(cè)量時(shí)間不相關(guān)。因此，首先進(jìn)行正態(tài)性檢驗(yàn)，確定變量分布。

在2011年4月至10月期間，對(duì)控制對(duì)象電容薄膜真空計(jì)進(jìn)行重復(fù)測(cè)量，得到測(cè)量控制數(shù)據(jù)。根據(jù)數(shù)據(jù)繪制頻數(shù)分布表，觀測(cè)其頻數(shù)分布情況，判斷是否服從正態(tài)分布。

首先計(jì)算相關(guān)參數(shù)，由轉(zhuǎn)化后數(shù)據(jù)表，測(cè)量數(shù)據(jù)最大值為61，測(cè)量數(shù)據(jù)最小值為44，則計(jì)算極差為R=61-44=17；將數(shù)據(jù)分為5組，確定組距（h）為R/k=17/5=3.4≈3；第一組下限值為最小值減0.5，計(jì)算得到43.5，第一組上限值為下限值加組距，計(jì)算得到46.5，以此類推。

編制頻數(shù)分布表如表1所示。

由頻數(shù)分布表中的頻數(shù)統(tǒng)計(jì)曲線可見，該數(shù)據(jù)服從正態(tài)分布，滿足實(shí)施統(tǒng)計(jì)控制的應(yīng)用條件。

5 應(yīng)用統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)法判定測(cè)量過程狀態(tài)

在建立過程參數(shù)的基礎(chǔ)上，利用已確定的控制模型對(duì)測(cè)量過程是否受控進(jìn)行判定。

5.1 利用F檢驗(yàn)判定

將過程參數(shù)代入控制模型中，計(jì)算得到F檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量為：

由以上分析，本系統(tǒng)的F統(tǒng)計(jì)量小于理論臨界值，應(yīng)用F檢驗(yàn)判定合格。

5.2 利用t檢驗(yàn)判定

t檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量是根據(jù)新測(cè)得控制對(duì)象測(cè)量值、控制對(duì)象認(rèn)可值和組內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)偏差計(jì)算得出的，用以判斷新測(cè)得數(shù)據(jù)是否受控。

2011年12月，對(duì)核查標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了一組測(cè)量，得到檢驗(yàn)數(shù)據(jù)。以數(shù)據(jù)的平均值做Ci值，計(jì)算得到：

將ci值和過程參數(shù)代入控制模型，計(jì)算得到t檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量為：

對(duì)本系統(tǒng)取其檢驗(yàn)水平 為0.05，查t分布表得到其t臨界值為2.262。

由以上分析，本系統(tǒng)的t統(tǒng)計(jì)量小于理論臨界值，應(yīng)用t檢驗(yàn)判定合格。

5.3 綜合判定

t檢驗(yàn)和F檢驗(yàn)同時(shí)進(jìn)行，兩項(xiàng)檢驗(yàn)配合是檢驗(yàn)測(cè)量結(jié)果長(zhǎng)期飄移的有效手段。兩者之一不合格，控制對(duì)象的測(cè)量結(jié)果就要放棄。

由之前判定過程可見，F(xiàn)檢驗(yàn)結(jié)果合格，t檢驗(yàn)結(jié)果也合格。

綜合兩項(xiàng)結(jié)果判定：真空校準(zhǔn)系統(tǒng)的測(cè)量過程受控。

6 結(jié)束語

本文對(duì)我院真空校準(zhǔn)系統(tǒng)的測(cè)量過程實(shí)施了統(tǒng)計(jì)控制，建立了該系統(tǒng)測(cè)量過程的控制模型，計(jì)算出了檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量，結(jié)果表明：

t檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量為0.33，F(xiàn)檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量為0.56，均小于其允許臨界值。我院真空校準(zhǔn)系統(tǒng)中每個(gè)測(cè)量值都是受控長(zhǎng)周期內(nèi)多次測(cè)量的隨機(jī)值，該系統(tǒng)測(cè)量過程持續(xù)穩(wěn)定受控，實(shí)驗(yàn)室出具的測(cè)量結(jié)果真實(shí)可靠。

當(dāng)然，測(cè)量過程統(tǒng)計(jì)控制方法的應(yīng)用前提是對(duì)測(cè)量過程進(jìn)行重復(fù)采樣，因而不適用于單次測(cè)試、破壞性試驗(yàn)等特殊測(cè)試過程。此外，對(duì)測(cè)量過程實(shí)施統(tǒng)計(jì)控制必然會(huì)增加資金和人力物力的投入，在一些不是十分重要的測(cè)量場(chǎng)合，則要衡量失準(zhǔn)風(fēng)險(xiǎn)和控制成本后謹(jǐn)慎采用。

致謝

本文的測(cè)試和成文過程中得到了許多同事的幫助，沒有他們，本文不能如此順利地完成。張小琴研究員給予作者許多指導(dǎo)，并提出很多建設(shè)性意見；楊力工程師對(duì)統(tǒng)計(jì)控制方法的應(yīng)用提出了寶貴而中肯的意見；作者在此一并表示感謝。

參考文獻(xiàn)

[1]趙若江，等.計(jì)量檢測(cè)設(shè)備的質(zhì)量保證要求學(xué)習(xí)材料[M].改革出版社，1993.

[2]李宗揚(yáng)等.計(jì)量技術(shù)基礎(chǔ)[M].原子能出版社，2002.

[3]柴邦衡等.檢驗(yàn)和測(cè)量控制[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

[4]汪應(yīng)洛等.質(zhì)量管理與可靠性[M].中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社，2005.