关于测量系统的相关知识讲义
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➢ 接下来所讲的程序主要适用于第二阶段的试验及部分第一阶段 的试验
➢ 为了完成第一阶段的试验，必须对试验设计（DOE）有很好的理 解
26
测量系统分析的基本概念
分析时机
新生产的产品，PV有不同时，如试生产； 新仪器，EV有不同时； 新操作人员，AV有不同时； 设计变更； 工程变更； 易損耗之仪器必須注意其分析频率； 客户要求的频次。
17
测量系统分析 Measuring System Analysis
第二部分：测量系统的特性
18
测量系统的特性
理想的测量系统：
应只产生正确的测量结果（即每次测量结果总应该与真值/标准相 一致）； 理想的测量系统，应具有：零方差、零偏倚和对所测量的任何产品 错误分类为零概率的统计特性。
遗憾的是，具有以上统计特性的理想测量系统是不存 在的，因此我们必须选择合适的统计特性对测量系统 进行分析，以评价测量系统的质量。
(偏倚值)
0.60 0.40 0.20
0 -0.20 -0.40 -0.60
×
××
(真值)
2.00 4.00 6.00 8.00 10.00 × 回归线
×
36百度文库
重复性（Repeatability）
重复性：传统上把重复性看作“评价人内变异性”。 是指由同 一位作业者，用同一种量具，多次量测同一零件的同一特性时 所得的测量变差，它是设备本身固有的变差或特性，一般指仪 器的变差（EV），以公式表示如下：
11
基本概念
测量精度概念——有关位置变差：
➢ 偏倚（Bias） ➢ 稳定性（Stability） ➢ 线性（linearity）
12
基本概念
测量精度概念——有关分布变差：
➢ 精密度（Precision） ▪ 指测量仪器所能够区分出的微量程度或最小距离，亦即代表测量 仪器对同一待测工件，以相同测量过程作重复测量时，其各测量 结果的差异程度（重复读数彼此之间的“接近度”——MSA手册 第三版）。以差异程度愈微小称为精密度佳，反之称为精密度差。 一般由随机误差引起，包含仪器的（重复性）和人为的（再现性） 因素。
用来获得测量结果的任何装置（Device），包括通过/不通 过（GO-NO GO）装置，它是测量系统的一部分。
测量系统（Measurement System）:
指由人员、被测量、量具/夹具及其它设备、环境、操作程 序/操作方法或软件所构成的系统.
6
基本概念
测量设备的基本参数：
➢ 分辨力（discrimination）、分辨率 （resolution）、可读性（readability）
➢ 所谓偏倚的特性，是指数据相对基准（标准）值 的位置；
➢ 所谓方差的特性，是指测量数据的分布；
10
基本概念
测量精度概念——有关位置变差：
➢ 准确度（Accuracy ,有时也称 Bias—偏倚）
▪ 指测量仪器的实际测量值（或测量平均值）与待测值之 真值（True Value）或可接受的基准值的接近程度， 亦即实际测量值偏离真实值的程度。以偏差愈微小之程 度称为准确度佳，反之称为准确度差。一般由系统误差 引起。
43
GRR(Gage R&R)
量具的R&R是结合了重复性和再现性变差的估计值。换句 话 说 ， GRR 值 等 于 系 统 内 部 变 差 和 系 统 之 间 变 差 的 “和” 。
21
测量系统分析 Measuring System Analysis
1) 概述 2) 分析的时机 3) 分析的对象 4) 分析的项目 5) 分析的步骤 6) 测量系统分析项目说明
第三部分：测量系统分析的基本概念
22
测量系统分析的基本概念
概述
决定测量什么 设计一个测量系统 决定哪些统计特性是重要的 对相关的统计特性进行策划并实施试验
30
测量系统分析的基本概念
分析的步骤——如何进行量测系统分析？
1. 建立必要之程序书、指导书文件，以管制所有量测系统维持在正 常及最佳状态。
2. 制定计划：选择分析对象/分析项目/分析时间，确定抽样方法；
3. 须有合格之分析人员，待分析之量具，以及必要之环境。
4. 样品的选择至关重要；
5. 搜集足够之数据，再依据所使用之分析记录执行分析作业。
—— Testing 试验 —— Calibration 校准 —— Maintenance 维护在规定的条件下进行
➢ 通常在工厂内进行 ➢ 重复性和再现性GR&R
25
测量系统分析的基本概念
概述
PhaseⅡ 第二阶段
➢ 第二阶段试验的频次
——考虑统计的特性 ——考虑监测量系统的后果：
对供应商 对客户
（第一和第二阶段试验） 分析结果并采取措施
23
测量系统分析的基本概念
概述
PhaseⅠ 第一阶段
➢ 测量系统是否适宜？
—— 决定测量系统是否具有满意的统计特性 —— 决定环境因素的影响
➢ 在规定的条件下进行 ➢ 通常在实验室内进行
24
测量系统分析的基本概念
概述
PhaseⅡ 第二阶段
➢ 以系统的持续监测
➢ 分布在各大区的国家计量测试中心是国家组建的承担跨地区 计量检定、测试任务的国家法定计量检定机构；
➢ 目前，主要有：华北、东北、华东、中南、华南、西南、西 北等7个大取得国家计量测试中心；
➢ 我国量值传递体系示意图如下图；
15
国 家 专 业 计 量 站
分站
中国计量科学研究研、中国测试技术研 究院、国家标准物质研究中心
MSA手册历史: 1990年10月 第一版 1995年2月 第二版 2002年3月 第三版
4
基本概念
产品质量部分取决于过程质量 过程质量取决于控制过程的能力 控制过程的能力取决于测量过程的能力 测量过程的能力取决于测量系统的质量
5
基本概念
量具/测量仪器/测量和监控设备
(Gage/Measurement Instrument/Measurement & Monitor Device):
事实上，重复性是从规定的测量条件下连续试验得到 的普通原因（随机误差）变差，因此除了设备的内变 差外，重复性还包括测量系统误差模型中任何条件的 内部变差。
严格的重复性定义为：当测量条件已被确定和定义的 条件下，——即已确定的零件、仪器、标准、方法、 操作者、环境及假设之下，系统内部的变差。
38
重复性（Repeatability）
东北、华北、华东、中南、华南、西北、 西北（中国测试技术研究院） 七大区计
量测试中心
各省计量技术机构（含上述大区中心）
国防计量中心 区域计量站
市级计量技术机构 县/区级计量检定机构
国防军工企业、 军队
厂矿企业、科研、院校、医院、商贸、市场等
16
基本概念
何谓标准
国家标准 一级标准(连接国家标准和私人公司、科研机构等) 二级标准(从一级标准传递到二级标准) 工作标准(从二级标准传递到工作标准)
采用的分析方法及接受准则，必须与顾客对于测量系统分析的参考 手册相一致。如果得到顾客的批准，其它分析方法和接受准则也可 以应用。
29
测量系统分析的基本概念
测量系统分析的项目
1. 偏倚（Bias） 2. 稳定性（Stability） 3. 线性（Linearity） 4. 重复性（Repeatability） 5. 再现性（Reproducibility）
公式说明：
AV为再现性，TV为全变异。
为不同作业者所量测之平均值之最大值与最小值之差异。
K2为再现性之系数，与作业者之人数有关。
ｎ为被量测之零件数目
r为每位作业者量测之次数
41
再现性（Reproducibility）
作业者b
作业者ａ
再现性
作业者c
42
再现性（Reproducibility
注意：对于手动仪器受操作者的影响是客观存在的，然而 对于现在越来越多的自动测量仪器，操作者的变差不是主 要变差原因时，前面的定义就收到了挑战。 严格的定义是：再现性是指测量的系统之间或条件之间的 平均变差。
造成重复性的可能原因（见下页）：
39
40
再现性（Reproducibility
传统上把再现性看作“作业者（评价人）变异” ，通常是指不同作 业者（评价人）以相同量具测量同一零件的同一特性时，测量平均值 之变异，以公式表示如下：
AV=
(X DIFFK2)2 (EV 2 / nr)
%AV＝100（AV／TV）
32
33
稳定性(Stability)
• 稳定性，又称为漂移（Drift），是指测量系统在某一段时间 内，测量同一基准或零件的单一特性是获得的测量总变差。
• 稳定性可下面图形表示：
时间1
稳定性
时间2
34
35
线性(Linearity)
• 线性是指量具在使用范围内偏倚（准确度）差异之分布 状况。
• 作业者测量5个不同零件，其真值分别为2.00mm， 4.00mm，6.00mm，8.00mm及10.00mm，每个零件 测量12次，如下页所示：
13
基本概念
测量精度概念——有关分布（宽度）变差：
➢ 重复性（Repeatability）： ➢ 再现性（Reproducibility）： ➢ GRR(Gage R&R)：
14
基本概念
我国量值传递系统与溯源性 ：
➢ 对于一个国家，每一个量值传递系统只允许有一个国家基准， 在我国大多数保存在中国计量科学研究院内；
27
测量系统分析的基本概念
那些测量仪器要做？
参见QS9000:1998条文4.11 /TS16949:2002条 文7.6的规定；
可选择的方法
28
测量系统分析的基本概念
7.6.1 测量系统分析
为分析在各种测量和试验设备系统的结果中呈现的变异，必须进行
统计研究。此要求必须应用于在控制计划中所提出的测量系统。所
➢ 分类：若就误差的性质区分，一般可分为
▪ 系统性误差： ▪ 随机性误差： ▪ 重大误差
8
量测误差
随机性误差 气流 辐射 尘埃 噪声 迟滞现象
分辨率
重大误差
系统性误差
人
量
仪器
环境
观察
为
具
疏
误
忽
用
标准件
温度
读取
归零
湿度
视差
负载 水平
压力 振动
记忆力
磨耗
干扰
混用
9
基本概念
测量数据的质量及其描述：
➢ 表征测量数据质量最通用的方法使用统计特性， 即测量系统的偏倚和方差；
▪ 别名：最小的读数的单位、测量分辨率、刻度限度或探 测度
▪ 由设计决定的固有特性 ▪ 测量或仪器输出的最小刻度单位 ▪ 总是以测量单位报告 ▪ 1:10 经验法则
7
基本概念
误差：
➢ 定义：
▪ 测量时，实际测量值（或测量平均值）与真值之间的差异， 称为“误差”；
▪ 公式： 误差 = 测量值 - 真值
19
测量系统的特性
“好的”测量系统的一些基本特性：
具有足够的分辨力（discrimination）和灵敏度（sensitivity）. 测量系统应处于统计稳定状态：这意味着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。这可称为统计稳定性. 为了产品控制测量系统的变差（variability）必须小于规格限 （specification limit ) /公差值（tolerance）.
测量系统分析 Measuring System Analysis
1
课程大纲
测量和测量系统基本概念 测量系统的特性 测量系统分析的基本概念 计量型仪器的测量系统分析 计数型测量仪器的测量系统分析
2
测量系统分析 Measuring System Analysis
第一部分：测量和测量系统的基本概念
3
基本概念
为了过程控制，测量系统的变差要能证明其具有有效的分辨率/力 （effective resolution），并且小于制造过程的变差。
20
测量系统的特性
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 较高者的十分之一（10-1法则）。 测量系统的统计特性可能随被被测项目的改变而变化。 若真的如此，则测量系统的最大的变差应小于过程变 差和公差带两者中的较小者。
6.
——盲测
6. 数据分析
7. 结论判定此量测系统是处于可接受、勉强接受或不能接受。
8. 改进；
31
偏倚（Bias）
偏倚，常被称为准确度（Accuracy），是指量测平均值与 真值之差值。而真值可藉由较高等级之量具量测数次之平 均值而得，偏倚可以下面图形表示：
ＶT
ＶA
偏倚(准确度)
VT：真值 VA：测量平均值
EV= RK1 ，%EV＝100（EV／TV）
公式说明：
EV／为重复性，TV为全变异。
R 为所有作业者执行多次量测所得之变异平均值。
K1为重复性之系数，与量测次数有关。
TV为全变异，TV= (R &R)2＋(PV)2
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重复性（Repeatability）
第三版与第 二版的定义 略有不一样
➢ 为了完成第一阶段的试验，必须对试验设计（DOE）有很好的理 解
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测量系统分析的基本概念
分析时机
新生产的产品，PV有不同时，如试生产； 新仪器，EV有不同时； 新操作人员，AV有不同时； 设计变更； 工程变更； 易損耗之仪器必須注意其分析频率； 客户要求的频次。
17
测量系统分析 Measuring System Analysis
第二部分：测量系统的特性
18
测量系统的特性
理想的测量系统：
应只产生正确的测量结果（即每次测量结果总应该与真值/标准相 一致）； 理想的测量系统，应具有：零方差、零偏倚和对所测量的任何产品 错误分类为零概率的统计特性。
遗憾的是，具有以上统计特性的理想测量系统是不存 在的，因此我们必须选择合适的统计特性对测量系统 进行分析，以评价测量系统的质量。
(偏倚值)
0.60 0.40 0.20
0 -0.20 -0.40 -0.60
×
××
(真值)
2.00 4.00 6.00 8.00 10.00 × 回归线
×
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重复性（Repeatability）
重复性：传统上把重复性看作“评价人内变异性”。 是指由同 一位作业者，用同一种量具，多次量测同一零件的同一特性时 所得的测量变差，它是设备本身固有的变差或特性，一般指仪 器的变差（EV），以公式表示如下：
11
基本概念
测量精度概念——有关位置变差：
➢ 偏倚（Bias） ➢ 稳定性（Stability） ➢ 线性（linearity）
12
基本概念
测量精度概念——有关分布变差：
➢ 精密度（Precision） ▪ 指测量仪器所能够区分出的微量程度或最小距离，亦即代表测量 仪器对同一待测工件，以相同测量过程作重复测量时，其各测量 结果的差异程度（重复读数彼此之间的“接近度”——MSA手册 第三版）。以差异程度愈微小称为精密度佳，反之称为精密度差。 一般由随机误差引起，包含仪器的（重复性）和人为的（再现性） 因素。
用来获得测量结果的任何装置（Device），包括通过/不通 过（GO-NO GO）装置，它是测量系统的一部分。
测量系统（Measurement System）:
指由人员、被测量、量具/夹具及其它设备、环境、操作程 序/操作方法或软件所构成的系统.
6
基本概念
测量设备的基本参数：
➢ 分辨力（discrimination）、分辨率 （resolution）、可读性（readability）
➢ 所谓偏倚的特性，是指数据相对基准（标准）值 的位置；
➢ 所谓方差的特性，是指测量数据的分布；
10
基本概念
测量精度概念——有关位置变差：
➢ 准确度（Accuracy ,有时也称 Bias—偏倚）
▪ 指测量仪器的实际测量值（或测量平均值）与待测值之 真值（True Value）或可接受的基准值的接近程度， 亦即实际测量值偏离真实值的程度。以偏差愈微小之程 度称为准确度佳，反之称为准确度差。一般由系统误差 引起。
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GRR(Gage R&R)
量具的R&R是结合了重复性和再现性变差的估计值。换句 话 说 ， GRR 值 等 于 系 统 内 部 变 差 和 系 统 之 间 变 差 的 “和” 。
21
测量系统分析 Measuring System Analysis
1) 概述 2) 分析的时机 3) 分析的对象 4) 分析的项目 5) 分析的步骤 6) 测量系统分析项目说明
第三部分：测量系统分析的基本概念
22
测量系统分析的基本概念
概述
决定测量什么 设计一个测量系统 决定哪些统计特性是重要的 对相关的统计特性进行策划并实施试验
30
测量系统分析的基本概念
分析的步骤——如何进行量测系统分析？
1. 建立必要之程序书、指导书文件，以管制所有量测系统维持在正 常及最佳状态。
2. 制定计划：选择分析对象/分析项目/分析时间，确定抽样方法；
3. 须有合格之分析人员，待分析之量具，以及必要之环境。
4. 样品的选择至关重要；
5. 搜集足够之数据，再依据所使用之分析记录执行分析作业。
—— Testing 试验 —— Calibration 校准 —— Maintenance 维护在规定的条件下进行
➢ 通常在工厂内进行 ➢ 重复性和再现性GR&R
25
测量系统分析的基本概念
概述
PhaseⅡ 第二阶段
➢ 第二阶段试验的频次
——考虑统计的特性 ——考虑监测量系统的后果：
对供应商 对客户
（第一和第二阶段试验） 分析结果并采取措施
23
测量系统分析的基本概念
概述
PhaseⅠ 第一阶段
➢ 测量系统是否适宜？
—— 决定测量系统是否具有满意的统计特性 —— 决定环境因素的影响
➢ 在规定的条件下进行 ➢ 通常在实验室内进行
24
测量系统分析的基本概念
概述
PhaseⅡ 第二阶段
➢ 以系统的持续监测
➢ 分布在各大区的国家计量测试中心是国家组建的承担跨地区 计量检定、测试任务的国家法定计量检定机构；
➢ 目前，主要有：华北、东北、华东、中南、华南、西南、西 北等7个大取得国家计量测试中心；
➢ 我国量值传递体系示意图如下图；
15
国 家 专 业 计 量 站
分站
中国计量科学研究研、中国测试技术研 究院、国家标准物质研究中心
MSA手册历史: 1990年10月 第一版 1995年2月 第二版 2002年3月 第三版
4
基本概念
产品质量部分取决于过程质量 过程质量取决于控制过程的能力 控制过程的能力取决于测量过程的能力 测量过程的能力取决于测量系统的质量
5
基本概念
量具/测量仪器/测量和监控设备
(Gage/Measurement Instrument/Measurement & Monitor Device):
事实上，重复性是从规定的测量条件下连续试验得到 的普通原因（随机误差）变差，因此除了设备的内变 差外，重复性还包括测量系统误差模型中任何条件的 内部变差。
严格的重复性定义为：当测量条件已被确定和定义的 条件下，——即已确定的零件、仪器、标准、方法、 操作者、环境及假设之下，系统内部的变差。
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重复性（Repeatability）
东北、华北、华东、中南、华南、西北、 西北（中国测试技术研究院） 七大区计
量测试中心
各省计量技术机构（含上述大区中心）
国防计量中心 区域计量站
市级计量技术机构 县/区级计量检定机构
国防军工企业、 军队
厂矿企业、科研、院校、医院、商贸、市场等
16
基本概念
何谓标准
国家标准 一级标准(连接国家标准和私人公司、科研机构等) 二级标准(从一级标准传递到二级标准) 工作标准(从二级标准传递到工作标准)
采用的分析方法及接受准则，必须与顾客对于测量系统分析的参考 手册相一致。如果得到顾客的批准，其它分析方法和接受准则也可 以应用。
29
测量系统分析的基本概念
测量系统分析的项目
1. 偏倚（Bias） 2. 稳定性（Stability） 3. 线性（Linearity） 4. 重复性（Repeatability） 5. 再现性（Reproducibility）
公式说明：
AV为再现性，TV为全变异。
为不同作业者所量测之平均值之最大值与最小值之差异。
K2为再现性之系数，与作业者之人数有关。
ｎ为被量测之零件数目
r为每位作业者量测之次数
41
再现性（Reproducibility）
作业者b
作业者ａ
再现性
作业者c
42
再现性（Reproducibility
注意：对于手动仪器受操作者的影响是客观存在的，然而 对于现在越来越多的自动测量仪器，操作者的变差不是主 要变差原因时，前面的定义就收到了挑战。 严格的定义是：再现性是指测量的系统之间或条件之间的 平均变差。
造成重复性的可能原因（见下页）：
39
40
再现性（Reproducibility
传统上把再现性看作“作业者（评价人）变异” ，通常是指不同作 业者（评价人）以相同量具测量同一零件的同一特性时，测量平均值 之变异，以公式表示如下：
AV=
(X DIFFK2)2 (EV 2 / nr)
%AV＝100（AV／TV）
32
33
稳定性(Stability)
• 稳定性，又称为漂移（Drift），是指测量系统在某一段时间 内，测量同一基准或零件的单一特性是获得的测量总变差。
• 稳定性可下面图形表示：
时间1
稳定性
时间2
34
35
线性(Linearity)
• 线性是指量具在使用范围内偏倚（准确度）差异之分布 状况。
• 作业者测量5个不同零件，其真值分别为2.00mm， 4.00mm，6.00mm，8.00mm及10.00mm，每个零件 测量12次，如下页所示：
13
基本概念
测量精度概念——有关分布（宽度）变差：
➢ 重复性（Repeatability）： ➢ 再现性（Reproducibility）： ➢ GRR(Gage R&R)：
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基本概念
我国量值传递系统与溯源性 ：
➢ 对于一个国家，每一个量值传递系统只允许有一个国家基准， 在我国大多数保存在中国计量科学研究院内；
27
测量系统分析的基本概念
那些测量仪器要做？
参见QS9000:1998条文4.11 /TS16949:2002条 文7.6的规定；
可选择的方法
28
测量系统分析的基本概念
7.6.1 测量系统分析
为分析在各种测量和试验设备系统的结果中呈现的变异，必须进行
统计研究。此要求必须应用于在控制计划中所提出的测量系统。所
➢ 分类：若就误差的性质区分，一般可分为
▪ 系统性误差： ▪ 随机性误差： ▪ 重大误差
8
量测误差
随机性误差 气流 辐射 尘埃 噪声 迟滞现象
分辨率
重大误差
系统性误差
人
量
仪器
环境
观察
为
具
疏
误
忽
用
标准件
温度
读取
归零
湿度
视差
负载 水平
压力 振动
记忆力
磨耗
干扰
混用
9
基本概念
测量数据的质量及其描述：
➢ 表征测量数据质量最通用的方法使用统计特性， 即测量系统的偏倚和方差；
▪ 别名：最小的读数的单位、测量分辨率、刻度限度或探 测度
▪ 由设计决定的固有特性 ▪ 测量或仪器输出的最小刻度单位 ▪ 总是以测量单位报告 ▪ 1:10 经验法则
7
基本概念
误差：
➢ 定义：
▪ 测量时，实际测量值（或测量平均值）与真值之间的差异， 称为“误差”；
▪ 公式： 误差 = 测量值 - 真值
19
测量系统的特性
“好的”测量系统的一些基本特性：
具有足够的分辨力（discrimination）和灵敏度（sensitivity）. 测量系统应处于统计稳定状态：这意味着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。这可称为统计稳定性. 为了产品控制测量系统的变差（variability）必须小于规格限 （specification limit ) /公差值（tolerance）.
测量系统分析 Measuring System Analysis
1
课程大纲
测量和测量系统基本概念 测量系统的特性 测量系统分析的基本概念 计量型仪器的测量系统分析 计数型测量仪器的测量系统分析
2
测量系统分析 Measuring System Analysis
第一部分：测量和测量系统的基本概念
3
基本概念
为了过程控制，测量系统的变差要能证明其具有有效的分辨率/力 （effective resolution），并且小于制造过程的变差。
20
测量系统的特性
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 较高者的十分之一（10-1法则）。 测量系统的统计特性可能随被被测项目的改变而变化。 若真的如此，则测量系统的最大的变差应小于过程变 差和公差带两者中的较小者。
6.
——盲测
6. 数据分析
7. 结论判定此量测系统是处于可接受、勉强接受或不能接受。
8. 改进；
31
偏倚（Bias）
偏倚，常被称为准确度（Accuracy），是指量测平均值与 真值之差值。而真值可藉由较高等级之量具量测数次之平 均值而得，偏倚可以下面图形表示：
ＶT
ＶA
偏倚(准确度)
VT：真值 VA：测量平均值
EV= RK1 ，%EV＝100（EV／TV）
公式说明：
EV／为重复性，TV为全变异。
R 为所有作业者执行多次量测所得之变异平均值。
K1为重复性之系数，与量测次数有关。
TV为全变异，TV= (R &R)2＋(PV)2
37
重复性（Repeatability）
第三版与第 二版的定义 略有不一样