MSA在快捷式身高測量系統設計中的應用

武文慧

（天津工業大學 管理學院，天津 300380）

身高還為各種工業設計、機械設備、建筑家具、空間安排提供了設計的基礎，其中心思想就是滿足人的需求，在保證安全的情況下，提高生產效率或進行藝術創造。因此，對于如何快速準確的獲取測量對象的身高，人們開始研發各種各樣的身高測量儀器。

根據對A實驗室深入研究和探索，以及各類傳感器的特點的了解，發現可以利用F傳感器來測量人體身高，以達到將A實驗室用到實際中去的目的，從而設計了便捷式身高測量系統。通過對便捷式身高測量系統進行測量系統分析，得出該測量系統是可用的，雖然測量距離與實際距離之間存在一些偏差，但是可通過回歸方程來糾正這一偏差，使其線性偏倚變得可接受。最后進行實用性分析，發現快捷式身高測量儀器在實際使用過程中，能夠準確有效的獲取的人體身高數據。并且此測量系統更簡單，快捷，方便，彌補了傳統身高測量儀測量過程存在的麻煩、消耗時間長等不足。

一、快捷式身高測量系統的設計

（一）設計方案

將A實驗室應用于實踐，而不是局限于實驗教學。在對其進行探索研究的過程中，發現可以利用F傳感器的原理及特點來測量人的身高。因此利用C計算器、B盒子和F傳感器制作一個人體身高測量系統，如圖1所示。

圖1 身高測量儀模擬圖

（二）原理及過程

本次制作的模型，出于方便，直接將F傳感器固定在傳統的身高測量儀器上，如圖2所示。一側為傳統的身高測量儀，一側為用A實驗室的器材制作的高度測量儀器，可方便采集數據，以及對比。原理：將F傳感器固定在一定的高度上，系統準確的測量F傳感器到人頭頂的距離，再由這個一定高度計算出人體身高。傳統身高測量儀的標注刻度最大為2米，實際高度為2.15米，考慮到F傳感器的測量范圍是0.2至10米，這個一定的高度選取2.127米，即可滿足絕大多數人的身高測量需求。

圖2 身高測量儀器實物圖

設備安裝：

1.F傳感器連接B盒子通道1。2.B盒子的插頭連接到C計算器上。打開計算器。3.打開B盒子。4.按開始鍵，使用方向鍵。為了便于收集數據，在電腦上安裝了D虛擬軟件。將C計算器上的USB接口直接連接到電腦上。使用E系統采集數據，如圖3所示。

圖3 E系統

身高測量儀器設計制造完成后，主要任務就是來分析這個量具是否可用，以及其精密度與準確度，還有與傳統的身高測量儀器相比，是否存在優勢。那么首先對量具進行測量系統分析。

二、測量系統分析

測量系統分析（MSA），用于評估測量系統的質量，是運用統計方法來分析研究測量系統中的各個變差源以及它們對測量結果的貢獻，并根據可接受的判斷方法判斷測量系統的符合性。

（一）試驗方案制定

圖4 測量高度

我們小組三人作為本次試驗的操作員，并編號為A、B、C。每個操作人員對每個高度測量3次，設計一個3310的試驗。測量過程如圖4。

1.用Minitab制作隨機表，由主持人按照隨機表的順序，安排操作人員進行盲測。

2.記錄測得的數據和整個測量過程，進行線性和偏倚分析并得出相應結論。

（二）試驗數據采集和測量系統分析

針對測量系統分析的數據采集，主要使用C計算器讀取數據，便于直觀的讀出某個點的數據。

采集的數據導入Minitab中，并進行計算得出相關結果。

圖5 線性偏移分析圖

由線性偏移分析圖可看出，如圖5所示，量具偏倚平均的P值為0，小于0.05，根據測量系統分析判定標準可知存在顯著的偏倚問題?；貧w線性的斜率為0.031111，P值為0，小于0.05，根據測量系統分析判定標準可知存在顯著的線性問題。認為該測量系統的線性偏倚是不可接受的。究其原因，排除量具故障的可能性，主要就是量具自身缺乏穩健性，所以要對其測量結果進行線性回歸分析，以彌補量具自身的不足。

（三）回歸分析

測量系統存在明顯的線性偏倚，對其進行回歸分析并得出相應結果。將線性偏倚研究中的數據導入Minitab中，進行分析。如圖6所示。

圖6 回歸分析

通過回歸方程，根據測量數據計算出實際距離′（實際距離′=0.969測量距離-0.0496），重新收集數據導入Minitab中，并進行計算得出相應結果。

圖7 實際距離′的線性偏移分析圖

由實際距離′的線性偏倚分析圖可看出，如圖7所示，量具偏倚平均的P值為0.304，遠大于0.05，根據測量系統分析判定標準可知不存在顯著的偏倚問題?；貧w線性的斜率為0.000853，接近于零，P值為0.886，遠大于0.05，根據測量系統分析判定標準可知不存在顯著的線性問題。故認為經過引入回歸方程，該測量系統的線性偏倚變得可接受。

三、測量系統的實用性分析

（一）身高測量儀的使用及分析

經過對制作的身高測量儀器進行的測量系統分析，該測量系統是可用的，雖然測量距離與實際距離之間存在較大的偏差，但是可通過回歸方程來糾正這一偏差，使其線性偏倚變得可接受。

為了再次驗證高度測量儀器的實用性，對本組成員A、B、C三人進行身高測量。在數據收集過程中，為了便于觀察，采用電腦上安裝的MCL虛擬軟件中的“探世界”實驗室系統-傅氏系統進行數據收集。如圖8所示，是對A同學進行測量時，用電腦收集的圖形。

圖8 軟件收集數據

采集數據，經過回歸方程計算，得到測量高度，與A、B、C三人實際身高相比（實際高度是由傳統的身高測量儀器測得的數據），誤差僅在1-2毫米內。如表1所示。

表1 身高測量數據

由以上所示，快捷式身高測量儀器在實際使用過程中，能夠準確有效的獲取的人體身高數據。被測者只需站在F傳感器下方一秒的時間，就能用E系統的數據，將其導入到EXCEL中，通過公式計算，得出被測者的身高。這種方法簡單，快捷，方便，其最大的有點就是節省時間。

（二）存在的問題及解決方案

在測量過程中，發現了一系列的問題。

1.測量身高的過程中，頭發對測量結果有一定程度的影響。F傳感器主要是靠超聲波來測量被測對象到傳感器的距離，頭發的松散程度影響了測量結果，這個影響因素屬于不可避免的，也是因人而異的。所以在此次測量身高的過程中，我選擇在被測對象的頭頂上放一張薄紙，可以保持頭頂的一個水平高度，其次因為紙薄，基本上對測量結果不會有較大的影響。

2.E系統或者C計算器收集數據時，從圖形中明顯可以看出測量得到的數據并不是一個穩定的數值，而是有一定的上下波動范圍。經多次測量發現，這個波動為上下1厘米。本文中，在進行測量系統分析中收集的數據，使用的C計算器，操作者根據自己的選擇讀取一個數據。在身高測量過程中，使用的是E系統，如圖4-1所示，收集的數據呈上下波動狀態，通過對數據的觀察，選取眾數（出現頻率最大的數）作為測量結果進行分析。

結 語

通過對A實驗室的探索及其研究，將其運用到設計身高測量系統中，以解決傳統身高測量系統的不足。從而設計了快捷式身高測量系統，制作出人體身高測量儀。

通過對測量系統的分析，發現該系統存在線性偏倚問題，對此，進行了回歸分析，矯正測量數據與實際數據之間的偏差，確定了身高的測量計算公式，實際身高=2.127（傳感器固定高度）-0.969測量距離+0.0496（固有誤差）。實際系統在長時間運行中測量誤差小于3毫米，確保了系統的準確性和測量數據的有效性。

雖然做出了身高測量儀的模型，但是這個模型仍有不足之處。例如為求方便，模型的制作主要借助了傳統的身高測量儀，沒有做出模擬圖中的效果。因此，本文作者對未來工作有以下幾點展望：

1.能做出模擬圖中的效果，并將其真正用于實踐中。2.通過更有效的方法來校正測量儀器的準確度。3.針對數據過多，能夠在不穩定的數據中更準確的選擇一個有效數據。4.再選取一個能夠測量壓力的傳感器，設計一個可以同時測量身高和體重的測量儀。