电子元器件测量系统分析设计

时间：2024-09-03

陕西群力电工有限责任公司王少军张蓉王越雷宵

电子元器件测量系统分析设计

陕西群力电工有限责任公司王少军张蓉王越雷宵

本文介绍的测量系统分析是为保证测量方法的正确性和测量数据的可靠性提供基础。

计量体系；测量系统；分析；设计

1. 序言

计量是关于测量的科学，是实现单位统一、量值准确可靠的活动，是与测量结果置信度有关的、与不确定度联系在一起的规范化测量。电子元器件的研制、生产以及服务所涉及的电、力、声等需要测量的量值数以百计，根据质量管理体系要求，对包括测量标准在内的测量系统进行管理、确认和使用，必须建立和保持一个有效的计量体系文件。该文件应明确规定计量体系对计量设备的要求、职责分配及采取的措施，供方应向需方提供客观证据，以证实是否满足其所规定要求的准确度。体系设计应能确保所有测量系统使用符合预期的要求，及早发现问题，及时采取措施纠正，以防止误差超出规定允许误差极限。

2. 计量体系的内容

ISO10012-2016规定，供方建立的计量体系应包含下列内容：

2.1 确保所有测量仪器使用符合预期要求，并能及早发现问题，及时采取纠正措施，以防止误差超出规定允许误差极限；

2.2 充分考虑全部有关（计量检测或表面质量）数据和资料，包括由供方或为供方实施的过程统计控制系统得到的可用数据和资料；

2.3 对每一台测量仪器，供方都应指定有资质的员工，授权其按体系的规定进行确认，以确保设备处于合格的技术状态；

2.4 当供方的全部或部分确认工作（包括校准）通过其他单位的服务来替代或补充时，供方应保证这些单位也使用计量确认体系标准且符合规定。

为保证测量数据准确可靠，确保所有测量设备的使用符合预期要求，就必须对测量设备的能力进行分析和确认，确保计量体系有效运行，保证产品研制生产过程处于受控状态，保证产品检测的可靠性。

3. 测量系统分析控制和管理

现代管理学中测量数据的使用频繁而广泛，将测量数据或由它们计算出的统计量，与过程统计控制限值相比，决定是否调整电子元器件的生产过程。测量数据的质量与稳定条件下运行一个测量系统得到的多次测量结果的统计特性有关，因此对测量系统分析控制和管理，是十分有益的。

一个测量系统的质量是由其测量数据的统计特性来确定的，在某一用途中最重要的统计特性在另一用途中不一定是最重要的特性。例如，对一个数据存储示波器，它将产生与证明过的标准值“很近”的测量结果，该标准值能追溯到国家测量标准（即国家基准）。该数据存储示波器的一些应用，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”，在另一些应用中，同一台数据存储示波器由于其错误分类比率太高而不能在好产品和坏产品之间做出可接收的分辨工作。因此在常用条件下，该数据存储示波器用于现场检测器具的计量校准和分析制造过程是可以接受的，但对直接用作现场最后项目的检查则是不可接受的。尽管每一个测量系统可能需要不同的测量数据统计特性，但这些特性是所有测量系统必须共有的，包括：

测量系统必须处于统计控制中，即测量系统中的变差只能是由于普通原因而不是由于特殊原因造成的；

测量系统的变异必须比生产制造过程的变异要小；

变异应小于被测产品的公差带；

测量精度应高于过程变异和公差带两者中精度较高者，一般来说，测量精度是过程变异和公差带两者中精度较高者的1/10；

测量系统统计特性可能会随被测项目的改变而变化。当变化时，则测量系统最大的（也是最坏的）变差应小于过程变差和公差带两者中的最小者。测量系统的评定程序应用于评价生产过程中的环境，特别是应用于评价测量系统的统计特性，如：重复性、再现性、偏倚、稳定性以及线性。

4. 测量系统分析的目的

在实际工作中，一些测量往往找不到将它与已知量值直接进行比较的测量仪器，或者测量准确度不高，例如温度、流量、加速度等，直接同它们的标准量比较相当困难，但可以将输入量变换成其他量，诸如电流、电压、电阻等易测量的电学量；或变换成大小不同的同种量，如将大电流变换成较易测量的安培量级的电流。

准确区别和理解测量仪器的示值误差、最大允许误差和测量不确定度之间的关系是十分重要的。最大允许误差是指技术规范所规定的允许的误差极限，是一个判定是否合格的要求；而示值误差是测量仪器某一示值的误差的实际大小，是通过检定、校准所得到的一个值，可以评价十分满足最大允许误差的要求，从而判断该测量仪器是否合格；或根据实际需要提供一个修正值，以提高测量结果的准确度。测量不确定度是表征测量结果分散性的一个参数，它只能表述为一个区间或一个范围。

对测量系统进行分析的目的是为了更好地了解变差的来源，可定量的表示和传递特定的测量系统的局限性。对用来表示测量系统变差的分布可赋予以下特性：

表述位置的有：稳定性、偏倚和线性；

表述宽度或服务的有：重复性和再现性。

在对测量系统的分析中，尽管可以采用数值技术来确定测量系统的变差，但每个分析还应包括图形技术的应用。在对特定的测量系统分析中，最有效的统计工具取决于预期的变差主要来源。在选择或分析测量系统时，测量系统的分辨能力也是十分重要的特性。由于经济上或物理上的限制，测量系统将不能识别基本过程中所有被测量产品独立的或不同的被测特性。被测特性根据测量值来分为不同的数据组，在同一数据分级中的所有产品对于被测特性来说具有同一数值。如果测量系统没有足够的分辨力，它将不是识别过程变差或定量表示单个产品特性值的合适系统；如果不能测定出过程的变差，这种分辨力用于分析是不能接受的；如果不能测定出特定原因的变差，它用于控制也是不能接受的。如果相对于过程变差，可视分辨率较小，测量系统将具有足够的分辨率。因此为了得到足够的分辨率，建议可视分辨率最多是总过程的6σ（标准偏差）的1/10，而不是传统的公差范围的1/10。

5. 测量系统分析控制方法

测量系统的分析是可以采用统计过程控制图来进行，测量过程统计控制图与生产过程统计控制图从原理上是一致的，其不同点是生产过程控制图是建立在测量过程本身是稳定与可靠基础上的；而测量过程的控制图是要验证测量系统本身具有统计稳定性的。

分析测量系统稳定性的一个方法是按照常规画出基准或基准件重复读数的平均值和极差。从这种分析中可以确定，例如失控信号是需要校准测量系统的标志，没有失控信号的校准很可能增加测量系统读数的变差。还有可能由于基准或基准件变化而出现的失控信号。在分析测量系统时，没有必要计算测量系统稳定性数值，系统的改进有时采用指数来度量，但采用了控制图后，系统的改进可以在控制图上看出来。改进的一种形式可能是从过程中排除特殊原因，从而形成稳定的测量过程。进一步的改进可视为变窄了控制极限，表明已经缩减了系统变差的一般原因。