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儀器校準(zhǔn)過程要進行統(tǒng)計的目的及方法
當(dāng)今的儀器校準(zhǔn)實驗室都面臨著根據(jù)一個或多個質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)進行認可或登記的問題,而所有的這些標(biāo)準(zhǔn)均要求建立測量保證方案。所謂測量保證方案,通常是指一種根據(jù)*或標(biāo)準(zhǔn)對測量不確定度(隨機誤差和系統(tǒng)誤差)進行定量分析并確保不確定度足夠小以滿足用戶需要的測量過程的質(zhì)量保證方案。更具體地說,測量保證是寬質(zhì)量控制原理在測量和校準(zhǔn)中的應(yīng)用。本文將著重介紹測量保證方案的重要組成部分——統(tǒng)計過程控制(SPC)。

儀器校準(zhǔn)過程要進行統(tǒng)計的目的有三個:

1.可確定代表壓力測量儀性能的*值。只要儀器工作于統(tǒng)計控制狀態(tài),*值就永遠不會改變。

2.可提供一種簡單的算法以判斷儀器是否處于統(tǒng)計控制狀態(tài)下。只需通過簡單的數(shù)值比較,t—檢驗和F—檢驗就可顯示出失控狀態(tài)。

3.可提供一種計算由儀器所致的不確定度分量的簡單算法。

統(tǒng)計過程控制

統(tǒng)計過程控制的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)與所感興趣的過程的本質(zhì)無關(guān),這意味著,工業(yè)生產(chǎn)過程中所采用的一些SPC技術(shù)也同樣適用于儀器校準(zhǔn)過程。與生產(chǎn)過程一樣, 儀器校準(zhǔn)實驗室中變量(如壓力、溫度,頻率)的測量也是一個變易性未知的過程,它包括操作者、儀器和環(huán)境幾個環(huán)節(jié)。為提高整體生產(chǎn)質(zhì)量, 儀器校準(zhǔn)實驗室也可利用SPC技術(shù)來識別、控制和降低過程的變易性。

儀器校準(zhǔn)實驗室中的統(tǒng)計方法

本節(jié)簡單描述儀器校準(zhǔn)實驗室測量保證方案中所采用的一些統(tǒng)計方法。

(1)受控過程

如果在某一個過程中所觀察到的所有變化均是由隨機因素引起的,那么該過程就處于統(tǒng)計控制之中。相反地,如果某過程表現(xiàn)出一些由可確定因素引起的變化,那么該過程就不處于統(tǒng)計控制狀態(tài)中。對于測量過程來說,若在一定的時間內(nèi),同一項反復(fù)測量數(shù)據(jù)的發(fā)散量不隨時間而變,并且數(shù)據(jù)中不出現(xiàn)突變,那么它就處于統(tǒng)計控制狀態(tài)。

在測量保證方案中,包括儀器、參照標(biāo)準(zhǔn)及操作者在內(nèi)的測量系統(tǒng)是一個需要控制的過程,其直接產(chǎn)品是測量本身。只有當(dāng)測量系統(tǒng)在受控狀態(tài)下工作時,測量才有效。反之,一個失控過程是不能夠產(chǎn)生有效測量的。

(2)歷史數(shù)據(jù)

當(dāng)實驗室對其標(biāo)準(zhǔn)的不確定度嚴重估計不足時,若僅根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的*校準(zhǔn)值來對它賦值,就往往會將測量系統(tǒng)引入失控狀態(tài)。由此可看出歷史數(shù)據(jù)的重要性。從以下兩方面擴展開來討論。

a.當(dāng)不考慮測量過程所固有的長期變化時,對不確定度的估計就過低。這種長期變化將導(dǎo)致標(biāo)準(zhǔn)的*校準(zhǔn)值與過去的校準(zhǔn)值之間的差異。

b.由隨機效應(yīng)引起的標(biāo)準(zhǔn)偏差是判斷過程是否受控的依據(jù),當(dāng)對它估計不足時,假失控標(biāo)志出現(xiàn)的可能性也就隨之增大。

(3) 儀器校準(zhǔn)

儀器校準(zhǔn)有兩種常見的工作定義。

a.為了調(diào)整儀器的性能使其與參考標(biāo)準(zhǔn)相吻合而進行的儀器和參考標(biāo)準(zhǔn)之間的比較。

b.為驗證儀器性能與歷史數(shù)據(jù)的一致性而進行的儀器和參考標(biāo)準(zhǔn)之間的比較。校準(zhǔn)的目的大多是為了對本次校準(zhǔn)和下一次校準(zhǔn)之間這一段時間內(nèi)的儀器性能進行預(yù)測,而這種預(yù)測只能建立在上述第二種校準(zhǔn)定義的基礎(chǔ)之上。

(4)校準(zhǔn)偏差

與過程變易性相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)偏差分為兩類。組內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)偏差Sw是由短期內(nèi)觀察到的過程變易性引起的,而組間標(biāo)準(zhǔn)偏差Sb則可歸因于過程的長期變易性。對于儀器校準(zhǔn)來說,Sw是一次校準(zhǔn)過程中重復(fù)測量的標(biāo)準(zhǔn)偏差,而Sb則是某一次校準(zhǔn)的平均值與另一次校準(zhǔn)平均值之間的差異,只有經(jīng)較長的一段時間進行一定數(shù)量的52觀測后才能確定Sb值。

當(dāng)前測量的合并標(biāo)準(zhǔn)偏差Sr的定義如下:

其中, k是構(gòu)成當(dāng)前測量的樣品數(shù)。我們所感興趣的是以下兩種情形:

a.對儀器只進行一次觀測, k= 1。例如,用一已校準(zhǔn)的儀器來校準(zhǔn)另一臺儀器。在這種情況下, Sb和Sw的當(dāng)前值均是未知的,必須根據(jù)歷史數(shù)據(jù)來估計。

b.對儀器進行多次觀測, k>1。參照準(zhǔn)確度更高的標(biāo)準(zhǔn)來校準(zhǔn)儀器就屬于這種情形。此時,Sb的當(dāng)前值是未知的,須根據(jù)歷史數(shù)據(jù)來估計。由于進行了多次測量,因此Sw的當(dāng)前值是已知的。

從第二種情形中可以看出,*的校準(zhǔn)并不一定是*的,因為,隨著觀測次數(shù)的增大,Sw的影響減弱,Sr值趨近于Sb。無論進行次觀測,存在一個相當(dāng)于Sb的隨機誤差分量。

(5)統(tǒng)計控制檢驗

要確定一個過程是否處于統(tǒng)計控制狀態(tài),有多種檢驗方法,其中*主要的是T-檢驗和F-檢驗。T-檢驗根據(jù)過程的長期變易性檢查統(tǒng)計控制,而F-檢驗檢查的則是過程的短期變易性。

(6)擬合曲線和內(nèi)插數(shù)據(jù)

對于一個工作在一定輸入范圍內(nèi)的測量儀來說,其特性通常可由一擬合曲線來表示,另一種表示方法是數(shù)據(jù)列表法,并采用內(nèi)插法來確定中間值。

(7)擬合和內(nèi)插法的類型

有幾種不同類型的擬合和內(nèi)插法:

a.以一種已知的適合于所表征現(xiàn)象的曲線形式來擬合數(shù)據(jù)。例如,在某些壓差流量測量儀中,Cd和k-0. 5e呈線性關(guān)系,在變量變換之后,采用傳統(tǒng)的*小二乘法來進行線性擬合即可。

b.多項式擬合。通常采用多維*小二乘法,一般來說,不高于五階的多項式就足以擬合數(shù)據(jù),但數(shù)據(jù)點之間結(jié)果可能趨于“振蕩”。一旦出現(xiàn)這種現(xiàn)象,請參見下一步。

c.如果五階多項式不能擬合數(shù)據(jù),可以將整個區(qū)域細分,并在每一個子區(qū)域內(nèi)進行多項式擬合。另一種類似的方法是立方樣條擬合,它可以得出子區(qū)域邊界上一階和二階導(dǎo)數(shù)都連續(xù)的三階多項式。

d.如果多項式不足以擬合數(shù)據(jù),可采用各種內(nèi)插法來確定中間值。

(8)擬合數(shù)據(jù)的統(tǒng)計控制測試

以上介紹的SPC原理也同樣適用于曲線擬合數(shù)據(jù),但確定Sb和Sw所用的方法有所不同。假如在較長的一段時間內(nèi)對某儀器性能進行了k次采樣,而每次采樣又均由分布于整個工作范圍內(nèi)的n次觀測構(gòu)成。幾次觀測通常都是在相同點(x1,…, xb)上獲得的。利用由此所得的k×n個數(shù)據(jù)點進行曲線擬合以確定*值A(chǔ)(x)。由xb的k個值可得出一組組間標(biāo)準(zhǔn)偏差Sb(xi),將Sb(xi)的各個值組合起來即為過程Sb。還有一種方法是用Sb(xi)的各個值來檢驗不同xi值的過程狀況。對每一次采樣分別確定其曲線擬合殘數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)偏差(S1,…, Sk),并將它們當(dāng)做F-檢驗中的各個Sw值來看待。對曲線擬合來說,殘數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)偏差也可稱為估計標(biāo)準(zhǔn)誤差。類似于標(biāo)準(zhǔn)偏差,利用它可確定平行于曲線擬合的置信度間隔線,所有數(shù)據(jù)點中的某一百分比將分布在這一間隔線之內(nèi)。

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遠程校準(zhǔn)的意義
發(fā)展遠程計量校準(zhǔn)技術(shù)是我國科學(xué)技術(shù)發(fā)展的需要。隨著產(chǎn)品技術(shù)含量越來越高，生產(chǎn)制造的復(fù)雜性和難度越來越大，對檢查校準(zhǔn)技術(shù)支持的要求也越來越高，計量器具或測試儀器也趨于儀器化、自動化，有些大型計量測試儀器設(shè)備不易搬動，有些計量測試儀器在線使用，不能搬動，還有一些高精尖儀器不宜搬動，使得計量校準(zhǔn)和量值傳遞的難度增加。因此，解決計量儀器的遠程檢測和校準(zhǔn)，對降低使用方檢測校準(zhǔn)成本，提高我國檢測校準(zhǔn)技術(shù)水平，是十分必要的。
    遠程校準(zhǔn)服務(wù)在我國是一個全新的技術(shù)領(lǐng)域，它不僅是技術(shù)問題，還涉及到相應(yīng)檢測校準(zhǔn)規(guī)范的健全與完善。與傳統(tǒng)檢測校準(zhǔn)服務(wù)的*區(qū)別在于遠程檢測校準(zhǔn)人員不在檢測校準(zhǔn)現(xiàn)場，同時，由于允許采用傳遞標(biāo)準(zhǔn)或參考標(biāo)準(zhǔn)方法，現(xiàn)行的檢測校準(zhǔn)規(guī)范還需要增加內(nèi)容，以適應(yīng)新技術(shù)發(fā)展的需要。（lsqdg274671st)
    當(dāng)前國外都大力發(fā)展遠程校準(zhǔn)技術(shù)并已取得多項科研成果和知識產(chǎn)權(quán)，部分項目已經(jīng)進人實用階段，如日本進行的時間頻率*標(biāo)準(zhǔn)遠程校準(zhǔn)試驗取得*。發(fā)展我國的遠程校準(zhǔn)技術(shù)，開展系統(tǒng)研究，對于提高我國的計量校準(zhǔn)技術(shù)將起到積極地推動作用。
    遠程校準(zhǔn)是對計量保證方案(MAP)的有力拓展，發(fā)展遠程校準(zhǔn)技術(shù)不僅可以擴展*計量實驗室的校準(zhǔn)能力，還可以提高下級計量實驗室的校準(zhǔn)水平和能力。通過遠程校準(zhǔn)不僅可以得到下級計量實驗室的*終校準(zhǔn)結(jié)果，還可以在下級計量實驗室的儀器校準(zhǔn)過程中實時掌握每一步的動作和結(jié)果。如有必要，還可遠程干涉，修改其校準(zhǔn)參數(shù)或糾正其校準(zhǔn)操作。就發(fā)現(xiàn)問題、糾正失誤、正確全面評估下級計量實驗室的能力而言，比MAP要有效得多。