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儀器校準(zhǔn)過程要進(jìn)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(jìn)行認(rèn)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(jìn)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(jìn)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(yuǎn)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(yán)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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?？捎梢粩M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(jìn)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(xì)分,并在每一個子區(qū)域內(nèi)進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(yuǎn)程校準(zhǔn)的意義
發(fā)展遠(yuǎn)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(yuǎn)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(yuǎn)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(yuǎn)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(yuǎn)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(jìn)人實用階段，如日本進(jìn)行的時間頻率*標(biāo)準(zhǔn)遠(yuǎn)程校準(zhǔn)試驗取得*。發(fā)展我國的遠(yuǎn)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(yuǎn)程校準(zhǔn)是對計量保證方案(MAP)的有力拓展，發(fā)展遠(yuǎn)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(yuǎn)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(yuǎn)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。