基于Minitab的测量系统性能分析

2016-10-18吴希

中国科技信息 2016年18期

基于Minitab的测量系统性能分析

本文介绍了数理统计中利用如重复性和再现性，变异率，公差比和分组数来分析测量系统的基本原理。文章选择红外水分仪作为测量系统，并且使用量具嵌套分析方法去分析水分平衡试验。选择切碎的烟叶作为样本，设置烟叶水分的三个水平，使用Minitab进行实践，利用结果识别波动的来源，评价测量系统的性能。然后分析者分析现有的测量系统是否满足要求，可以用于烟叶水分的测量。

烟草中的水分含量是烟草加工过程中的主要物理性质，直接影响了产品的质量。然而，烟草中的水分容易受到温度和湿度的影响，因此，在质量指标中是很难进行控制的。目前，烟草中的水分主要用红外水分仪进行测量，测量系统在物质吸收红外光后探测反射光，但这种方法仅限于当烟草表面的水分可以测量的时候。所以，我们利用重复性和再现性，变异率和公差比来评估水分仪的表现，Minitab是用于评估烟草测量系统性能的有效工具。

理论基础

测量系统的数据包括计量型数据和计数型数据。重复性与再现性主要用于评估系统的波动。重复波动表示指标本身的变化，再现波动反映了由于测量者的不同所带来的影响。测量系统波动则等于。重复波动中包括测量设备波动再现波动中包含操作者改变所带来的波动和操作者与机器之间的交互作用

在测量过程中，总波动包括系统波动和测量系统波动，则数据的总波动包括度量指标间的波动和测量系统的波动因此总波动的计算公式为：

为了计算方便，不考虑评价交互作用，对等式两端同时乘以6倍的平方，即有：

其中，TV表示总变异，PV表示部分变异，EV表示设备变异，AV表示操作者变异。

测量系统的关键是准确而可靠的反映目标的参数波动。这里有两种评价测量系统的方法，如表1所示。

表1　测量系统性能标准

由目标波动的标准差和系统波动得到计算分组数，可以用于确定系统有足够的分辨能力。

一般来讲，如果分组数小于2，测量系统提供不了有意义的结果。只有当分组数超过5个时，才能提供足够的分辨力，数据才能用于分析和控制过程。

应用分析

在某些情况下，样本可能在测量的过程中被破坏，所以没有必要进行大量的测量。烟草中水分的测量就是一个典型的例子。我们通过环境试验箱使用温度和湿度平衡的方法，利用Minitab中的R&R分析选项来建立侧量过程。

第一步：烘箱设备在运行一段时间之后系统是稳定的，同时必须要进行校准。

第二步：烟草的水分由环境试验箱决定，应该平衡48小时。样本应该均匀分布在试验箱的上中下三层。

第三步：每个操作者应从每层中拿出9个样本，然后将每个样本放在一个金属盖上。每个金属盖上的样本应该转移到水分分析仪的样本托盘上。

第四步：样本被转移到托盘上，并迅速的进行分析。

第五步：在第一个操作者之后，第二个操作者重复前面的步骤。

这样设计的目的是减少环境和样本差异所带来的影响。试验建立了三种类别的样本和两次快速的测量。这里有三种条件以评估水分分析仪的性能。

图1　水分含量为11%的量具R&R分析

图3　水分含量为20%的量具R&R分析

表2　试验设计

测量应用

图1、2、3是从Minitab中输出的。图1所示为烟草水分含量是11%时分析，从图中可以看出变异不仅是由于目标所导致的，同时也包括重复测量的因素。每个操作者都能很好的测量样本，所有的数据点都在范围内，具有良好的重复性。多数均值都超出了控制范围。实际的波动非常大，测量系统表现较好。两组操作者的试验结果，均值改变较小，并且再现性较小。测量系统性能分析结果：方差分量贡献率为0.41，研究变异为6.43%＜10%，因此测量系统的性能好，同时分组数为21。

图2的结果与图1类似。从图中可见不同操作者的测量结果存在一定的区别。方差分量贡献率为4.70，研究变异为21.67%<30%，因此测量系统的性能是可接受的，分组数为5。

图3基本与图1也是类似的，但是与之前的11%和15%的条件相比，当水分含量在20%时，两此测量的结果存在明显的差别。方差分量贡献率为2.70，研究变异为14.67%<30%，因此测量系统的性能是可接受的，同时分组数为9。