電子元器件測量系統(tǒng)分析設計

陜西群力電工有限責任公司 王少軍 張 蓉 王 越 雷 宵

電子元器件測量系統(tǒng)分析設計

陜西群力電工有限責任公司 王少軍 張 蓉 王 越 雷 宵

本文介紹的測量系統(tǒng)分析是為保證測量方法的正確性和測量數(shù)據(jù)的可靠性提供基礎。

計量體系；測量系統(tǒng)；分析；設計

1. 序言

計量是關于測量的科學，是實現(xiàn)單位統(tǒng)一、量值準確可靠的活動，是與測量結果置信度有關的、與不確定度聯(lián)系在一起的規(guī)范化測量。電子元器件的研制、生產(chǎn)以及服務所涉及的電、力、聲等需要測量的量值數(shù)以百計，根據(jù)質(zhì)量管理體系要求，對包括測量標準在內(nèi)的測量系統(tǒng)進行管理、確認和使用，必須建立和保持一個有效的計量體系文件。該文件應明確規(guī)定計量體系對計量設備的要求、職責分配及采取的措施，供方應向需方提供客觀證據(jù)，以證實是否滿足其所規(guī)定要求的準確度。體系設計應能確保所有測量系統(tǒng)使用符合預期的要求，及早發(fā)現(xiàn)問題，及時采取措施糾正，以防止誤差超出規(guī)定允許誤差極限。

2. 計量體系的內(nèi)容

ISO10012-2016規(guī)定，供方建立的計量體系應包含下列內(nèi)容：

2.1 確保所有測量儀器使用符合預期要求，并能及早發(fā)現(xiàn)問題，及時采取糾正措施，以防止誤差超出規(guī)定允許誤差極限；

2.2 充分考慮全部有關（計量檢測或表面質(zhì)量）數(shù)據(jù)和資料，包括由供方或為供方實施的過程統(tǒng)計控制系統(tǒng)得到的可用數(shù)據(jù)和資料；

2.3 對每一臺測量儀器，供方都應指定有資質(zhì)的員工，授權其按體系的規(guī)定進行確認，以確保設備處于合格的技術狀態(tài)；

2.4 當供方的全部或部分確認工作（包括校準）通過其他單位的服務來替代或補充時，供方應保證這些單位也使用計量確認體系標準且符合規(guī)定。

為保證測量數(shù)據(jù)準確可靠，確保所有測量設備的使用符合預期要求，就必須對測量設備的能力進行分析和確認，確保計量體系有效運行，保證產(chǎn)品研制生產(chǎn)過程處于受控狀態(tài)，保證產(chǎn)品檢測的可靠性。

3. 測量系統(tǒng)分析控制和管理

現(xiàn)代管理學中測量數(shù)據(jù)的使用頻繁而廣泛，將測量數(shù)據(jù)或由它們計算出的統(tǒng)計量，與過程統(tǒng)計控制限值相比，決定是否調(diào)整電子元器件的生產(chǎn)過程。測量數(shù)據(jù)的質(zhì)量與穩(wěn)定條件下運行一個測量系統(tǒng)得到的多次測量結果的統(tǒng)計特性有關，因此對測量系統(tǒng)分析控制和管理，是十分有益的。

一個測量系統(tǒng)的質(zhì)量是由其測量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計特性來確定的，在某一用途中最重要的統(tǒng)計特性在另一用途中不一定是最重要的特性。例如，對一個數(shù)據(jù)存儲示波器，它將產(chǎn)生與證明過的標準值“很近”的測量結果，該標準值能追溯到國家測量標準（即國家基準）。該數(shù)據(jù)存儲示波器的一些應用，其最重要的特性是“小”的偏倚和方差。但是不管其偏倚和方差可能如此的“小”，在另一些應用中，同一臺數(shù)據(jù)存儲示波器由于其錯誤分類比率太高而不能在好產(chǎn)品和壞產(chǎn)品之間做出可接收的分辨工作。因此在常用條件下，該數(shù)據(jù)存儲示波器用于現(xiàn)場檢測器具的計量校準和分析制造過程是可以接受的，但對直接用作現(xiàn)場最后項目的檢查則是不可接受的。盡管每一個測量系統(tǒng)可能需要不同的測量數(shù)據(jù)統(tǒng)計特性，但這些特性是所有測量系統(tǒng)必須共有的，包括：

測量系統(tǒng)必須處于統(tǒng)計控制中，即測量系統(tǒng)中的變差只能是由于普通原因而不是由于特殊原因造成的；

測量系統(tǒng)的變異必須比生產(chǎn)制造過程的變異要?。?/p>

變異應小于被測產(chǎn)品的公差帶；

測量精度應高于過程變異和公差帶兩者中精度較高者，一般來說，測量精度是過程變異和公差帶兩者中精度較高者的1/10；

測量系統(tǒng)統(tǒng)計特性可能會隨被測項目的改變而變化。當變化時，則測量系統(tǒng)最大的（也是最壞的）變差應小于過程變差和公差帶兩者中的最小者。測量系統(tǒng)的評定程序應用于評價生產(chǎn)過程中的環(huán)境，特別是應用于評價測量系統(tǒng)的統(tǒng)計特性，如：重復性、再現(xiàn)性、偏倚、穩(wěn)定性以及線性。

4. 測量系統(tǒng)分析的目的

在實際工作中，一些測量往往找不到將它與已知量值直接進行比較的測量儀器，或者測量準確度不高，例如溫度、流量、加速度等，直接同它們的標準量比較相當困難，但可以將輸入量變換成其他量，諸如電流、電壓、電阻等易測量的電學量；或變換成大小不同的同種量，如將大電流變換成較易測量的安培量級的電流。

準確區(qū)別和理解測量儀器的示值誤差、最大允許誤差和測量不確定度之間的關系是十分重要的。最大允許誤差是指技術規(guī)范所規(guī)定的允許的誤差極限，是一個判定是否合格的要求；而示值誤差是測量儀器某一示值的誤差的實際大小，是通過檢定、校準所得到的一個值，可以評價十分滿足最大允許誤差的要求，從而判斷該測量儀器是否合格；或根據(jù)實際需要提供一個修正值，以提高測量結果的準確度。測量不確定度是表征測量結果分散性的一個參數(shù)，它只能表述為一個區(qū)間或一個范圍。

對測量系統(tǒng)進行分析的目的是為了更好地了解變差的來源，可定量的表示和傳遞特定的測量系統(tǒng)的局限性。對用來表示測量系統(tǒng)變差的分布可賦予以下特性：

表述位置的有：穩(wěn)定性、偏倚和線性；

表述寬度或服務的有：重復性和再現(xiàn)性。

在對測量系統(tǒng)的分析中，盡管可以采用數(shù)值技術來確定測量系統(tǒng)的變差，但每個分析還應包括圖形技術的應用。在對特定的測量系統(tǒng)分析中，最有效的統(tǒng)計工具取決于預期的變差主要來源。在選擇或分析測量系統(tǒng)時，測量系統(tǒng)的分辨能力也是十分重要的特性。由于經(jīng)濟上或物理上的限制，測量系統(tǒng)將不能識別基本過程中所有被測量產(chǎn)品獨立的或不同的被測特性。被測特性根據(jù)測量值來分為不同的數(shù)據(jù)組，在同一數(shù)據(jù)分級中的所有產(chǎn)品對于被測特性來說具有同一數(shù)值。如果測量系統(tǒng)沒有足夠的分辨力，它將不是識別過程變差或定量表示單個產(chǎn)品特性值的合適系統(tǒng)；如果不能測定出過程的變差，這種分辨力用于分析是不能接受的；如果不能測定出特定原因的變差，它用于控制也是不能接受的。如果相對于過程變差，可視分辨率較小，測量系統(tǒng)將具有足夠的分辨率。因此為了得到足夠的分辨率，建議可視分辨率最多是總過程的6σ（標準偏差）的1/10，而不是傳統(tǒng)的公差范圍的1/10。

5. 測量系統(tǒng)分析控制方法

測量系統(tǒng)的分析是可以采用統(tǒng)計過程控制圖來進行，測量過程統(tǒng)計控制圖與生產(chǎn)過程統(tǒng)計控制圖從原理上是一致的，其不同點是生產(chǎn)過程控制圖是建立在測量過程本身是穩(wěn)定與可靠基礎上的；而測量過程的控制圖是要驗證測量系統(tǒng)本身具有統(tǒng)計穩(wěn)定性的。

分析測量系統(tǒng)穩(wěn)定性的一個方法是按照常規(guī)畫出基準或基準件重復讀數(shù)的平均值和極差。從這種分析中可以確定，例如失控信號是需要校準測量系統(tǒng)的標志，沒有失控信號的校準很可能增加測量系統(tǒng)讀數(shù)的變差。還有可能由于基準或基準件變化而出現(xiàn)的失控信號。在分析測量系統(tǒng)時，沒有必要計算測量系統(tǒng)穩(wěn)定性數(shù)值，系統(tǒng)的改進有時采用指數(shù)來度量，但采用了控制圖后，系統(tǒng)的改進可以在控制圖上看出來。改進的一種形式可能是從過程中排除特殊原因，從而形成穩(wěn)定的測量過程。進一步的改進可視為變窄了控制極限，表明已經(jīng)縮減了系統(tǒng)變差的一般原因。

6. 結束語

ISO10012中要求對每一測量過程，應識別有關的過程要素和控制。要素和控制限的選擇要與不符合規(guī)定的要求時引起的風險相稱。測量結果應設計為能防止出現(xiàn)錯誤的測量結果，并確保能迅速檢測出存在的問題和及時采取的糾正措施。

對于元器件生產(chǎn)過程中測量系統(tǒng)的分析方法是多種多樣的，一般采用控制圖的方法就可以滿足，但對關鍵工序的測量系統(tǒng)，需要采用測量過程統(tǒng)計控制，這樣就可以確保測量系統(tǒng)受控和保證生產(chǎn)過程受控，以滿足產(chǎn)品質(zhì)量與可靠性的要求。

[1]GB/T19022-2003(idtISO10012:2003)《測量管理體系—測量過程和測量設備的要求》.

王少軍（1964-），男，湖北黃梅人，大學本科，高級工程師，研究方向：電子技術及企業(yè)管理。