计量学学习基础知识材料.doc

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1、-#量规仪器校正管理及测量系统分析技术-仪器校正工程师资格认定培训教材第一章 计量学基础知识一计量学相关名词介绍二计量技术的专业分类三计量单位和单位制第二章 量规仪器管理一IS09000之仪器管理要求说明二量规仪器管理全过程三. 测量系统分析技术(MSA)介绍第二章 量规仪器校正一量规仪器校正与管理流程二校正方法的选择与使用三仪器校正周期的确定四检定方法、步骤与记录五不确定度的计算第四章 企业常见量规仪器校正案例一校正和溯源二.计量校定中对器具合格的判定三案例分析5类四校正要求与校正成绩书第一章 计量学基础知识一 计量学相关名词介绍1. 量(可测的量)现象物体或物质的可以定性区别和定量确定的一

2、种属性。广义的量-长度时间质量温度电阻等特定的量-一段电线的长度一根电线的电阻2. 量值由数值和计量单位的乘积所表示的量的大小。例如 5.3m 12kg -403. 测量以确定量值为目的的一组操作例如用卡尺度零件尺寸用秤称重量4. 测试具有试验性质的测量或试验和测量的综合。5. 计量实现单位统一和量值准确可靠的测量。6. 仪器(测量设备)可单独地或与辅助设备一起用以直接或间接确定被测对象量值的器具或装置。A) 实物量具-可复现或提供给定量的一个或多个已知量值的器具。例如砝码量块标准电阻等B) 计量仪器(仪表)-将测量值换成可直接观察的示值或等效信息的计量器具。例如电流表温度计数字频率计记录式光

3、谱仪等C) 计量装置为确定被测量值所必需的计量器具和辅助设备的总称。7. 计量基准能够复现保存和传递量值并经国家鉴定作为统一全国量值依据的计量器具。国家基准副基准工作基准。8. 计量标准按国家计量检定系统表规定的准确度等级用于检定较低等级计量标准或工作计量器具的计量器具。9. 检定为评定计量器具的计量特性确定其是否符合法定要求(即合格)所进行的全部工作。10. 校准在规定条件下为确定计量器具或测量系统所指示的量值或实物量具或标准物质所代表的量值与对应的由标准所复现的量值之间关系的一组操作。注 1)校准结果既可赋予被测量以示值又可确定示值的修正值2)校准也可确定其它计量特性3)校准结果可以记录在

4、校准证书或校准报告上4)有时可用校准曲线表述校准结果。11. 比对在规定条件下对相同准确度等级的同种计量基准标准或工作计量器具之间的量值进行比较。12. 准确度表示测量结果与被测量的(约定)真值之间的一致程度。13. 精密度重复量测时其量测数据间差异的程度。14. 不确定度与测量结果关联的参数它表征可合理地认作(赋予)被测量之值的分散性。或指对测量结果的正确性和准确度的可疑程度。15. 量值传递通过对计量器具的的检定或校准将国家基准所复现的计量单位量值通过各等级计量标准传递到工作计量器具以保证对被测对象所测得的量值的准确和一致的过程。16. 溯源性(量值溯值)通过具有规定不确定度的不间断的比较

5、链使测量结果或标准的量值能够与规定的计量标准(通常是国际或国家计量基准)联系起来的特性。17. 计量确认为确保测量设备处于满足预期使用要求的状态所需要的一组操作。是包含校准调整修理封印标记等一组动作的概念。二 计量技术的专业分类计量器具类别与种别的规定计量器具类别(A)计量器具种别(B)计量器具类别(A)计量器具种别(B)1.长度L线纹测量仪器 S端度(厚度)仪器 G角测量仪器 A平面度测量器具 P粗糙度测量仪器 F齿轮测量仪器 T7.光学O光强测量器具 B色温测量器具 T照度测量器具 I光辐射测量器具 R感光度测量器具 S光通量测量器具 F光亮度测量器具 Q曝光量测量器具 E色度测量器具 C

6、能量功率测量器具 P2.热工温度T温度测量器具 T热量测量器具 Q热辐射测量器具 R热流量测量器具 F湿度测量器具 K8.无线电R电压测量器具 U功率能量测量器具 P相位测量器具 驻波系数测量器具 S质量因子测量器具 Q衰减测量器具 A噪声测量器具 F阻抗测量器具 Z脉冲测量器具 I失真度测量器具 r电感测量器具 L电容测量器具 C电阻测量器具 R调制度测量器具 M增益测量器具 G占空系数测量器具 D损耗系数测量器具 3.力学F质量测量器具 M重力测量器具 W容量测量器具 C压力测量器具 P速度测量器具 S转速测量器具 N流量测量器具 F加速度测量器具 A密度测量器具 D真空测量器具 T硬度测

7、量器具 H振动测量器具 O4.电磁E电压测量器具 V电流测量器具 I电容测量器具 C电感测量器具 H电能测量器具 P磁参数测量器具 M电阻测量器具 R9.化学C成份分析仪器 A酸碱度测量器具 P电导测量仪器 C光谱测量仪器 O粘度测量仪器 V标准物质仪器 S5.电离辐射(放射)A强度测量仪器 I活度测量仪器 A通量测量仪器 F照射测量仪器 D10.声学S声压测量仪器 P声功率测量仪器 J声强度测量仪器 N6.时间频率K时间测量仪器 T频率测量仪器 F三 计量单位和单位制1. 基本单位表1国际通用的基本单位量的名称基本单位名称符号定义长度米m是光在真空中1/299 792 458s时间间隔内所经

8、路径的长度质量千克(公斤)kg等于国际千克原器的质量时间秒s是铯-133原子基态的两个超精细能级间跃迁所对应的辐射的9 192 631 700个周期的持续时间电源强度安培A在真空中截面积可忽略的两根相距1米的无限长平行圆直导线内通过等量恒定电流时若导线间相互作用力在每米长度上为2*10-7N则每根导线中的电源为1A热力学温度开尔文K水三相点热力学温度的1/273.16物质的量摩尔mol 是一系统的物质的量该系统中所包含的基本单元数与0.012kg碳-12的原子数目相等。在使用摩尔时基本单元应予指明可以是原子分子离子电子及其它粒子或是这些粒子的特定组合发光强度坎德拉cd是一光源在人给定方向上的发

9、光强度该光源发出频率为540*1012HZ的单色辐射且在此方向上的辐射强度为1/683W/sr2. 辅助单位表2国际单位制(SI)辅助单位量的名称单位名称单位符号平同角立体角弧度球面度radsr3. 单位制为给定量制建立的一组单位。1) 厘米克秒单位制(CGS制)2) 米千克秒单位制(MKGS制)3) 米公斤力秒单位制(工程单位制)4) 米吨秒单位制(MTS制)5) 国际单位制(SI)第二章 量规仪器管理一 ISO 9000之仪器管理要求说明ISO9000之4.11内容具体要求或说明供方对其用以证实产品符合规定要求的检验测试和试验设备(包括试验软件应建立并保持控制校准和维修的形成文件的程序。检

10、验测量与试验设备使用时应确保其测量不确定度已知并与要求的测量能力一致。如果试验软件或比较标准(如试验硬件用作检验手段时使用前应加以校验以证明其能用于验证生产安装和服务过程中产品的可接受性并按规定周期加以复检。供方应规定复检的内容和周期并保存记录作为控制的依据。(见4.16).a) 确定测量任务及所要求的准确度选择适用的具有所需准确度和精密度的检验测量和试验设备。b) 确定影响产品质量的所有检验测量和试验设备按规定的周期或使用前对照写国家承认的有关基准有已知有效关系的鉴定合格的设备进行校准和调整。当不存在上述基准时用于校准的依据应形成文件。c) 规定校准检验测量和试验设备的过程其内容包括设备型号

11、唯一性标识性地点校验周期校验方法验收准则以及发现问题时应采取的措施。d) 检验测量和试验设备应带有表明其校准状态的合适的标志或经批准的识别记录。e) 保存检验测量和试验设备的校准记录(见4.16)。f) 确保校准检验测量和试验有适宜的环境条件。g) 确保检验测量和试验设备在搬运防护和贮存期间其准确度和使用性保持完好。h) 确保检验、测量和试验设备在搬运、防护和贮存期间，其准确度和使用性保持完好。防止检验测量和试验设备(包括试验硬件和软件)因调整不当而使其校准失效。受控仪器的确定范围建立一个相关程序文件仪器管理的三大任务使用时两大前提特殊仪器使用时的特殊规定选择仪器的基本原则受控仪器须依据有关基

12、准进行校正受控仪器的使用必须在有效校正期间内受控仪器校正如无有关标准可依则需自定义有效的书面基准仪器管理的具体内容仪器标识规定仪器管理质量记录要求仪器有问题时应追溯已被测试产品是否有质量问题并加以记录和对策仪器性能过程中的稳定保持仪器性能使用中的稳定保护ISO/DIS 9001:2000之7.6 测量和监控设备的控制组织应识别需实施的测量以及为确保产品符合规定要求所必需的测量和监控装置。测量和监控装置的使用和控制应确保测量能力与测量要求相一致。适用时，测量和监控装置应a) 对照能追溯到国际或国家标准的装置，定期或在使用前进行校准和调整。当不存在上在上述基准时应记录校准的依据b) 防止发生可能使

13、校准失效的调整c) 在搬运、维护和贮存期间防止损坏或失效d) 具有校准结果的记录(见5.5.7)e) 在随后发现偏离校正状态时再评价其以往结果的有效性并采取适当措施。注：作为指南，见ISO10012。用于测量和监控规定要求的软件，在使用前应予以确认。二 量规仪器管理全过程流程过程内容仪器采购采购仪器时机企业之工作负荷增加企业之能力扩充新项目的建立老旧仪器之淘汰以旧换新采购仪器需求为何要购买此部仪器?需要之仪器特征如何?选择供货商列出可能之供货商评估供货商并作决策发出订货单仪器使用仪器到货组装检查与评估；仪器纳入财产目录；仪器校正；建立操作程序；训练操作人员；建立仪器品保方案仪器维修制定仪器维修

14、计划确定订定计划目的何时何地何人及如何进行维修建立(每台)仪器维修记录每一次维修记录故障原因与排除花费成本仪器管制仪器目前状态之管制可正常使用有限制之使用不可使用(损坏或超过校正周期)管制方法隔绝有缺陷之仪器以广告牌标签贴纸等管制仪器建立仪器数据仪器资产目录仪器维修记录仪器校正记录仪器履历卡催校系统催修系统。三测量系统分析技术（MSA）分析象每个过程一样，对用来描述测量系统变差的分布可以赋予下列特性：1） 位置：稳定性;偏倚;线性;2） 宽度或范围: 重复性;再现性;穩定性(或飄移)是測量系統在某一持續時間內測量同一基準或零件的單一特性時獲得的測量值總變差l 稳定性稳定性分析报告 零件号及件名

15、 : 量具名称 : X-Y坐标仪 特 性 : 尺 寸 量具编号 : 日 期 : 规 格 :51.41+0.3mm 量具型式 : 计量型 操 作 者 : 量测周期表 : 每周量测3个零件周期日期量测值周期日期量测值周期日期量测值第周06/0851.20第周06/2851.23第周07/1951.2606/0851.4506/2851.4307/1951.4806/0851.6806/2851.7007/1951.69第周06/1451.22第周07/0551.21第周07/2651.2406/1451.4107/0551.4207/2651.4106/1451.6707/0551.6907/26

16、51.65第周06/2151.19第周07/1251.20第周08/0251.2306/2151.4207/1251.4608/0251.4506/2151.6507/1251.6608/0251.68N=3 K=91. 制程标准差= 0.6mm/6=0.1mm2. 量测程序标准差= (0.02+0.02+0.02)/3=0.02mm3. 判定 : OK 备注 : 若量测程序标准差小于制程标准则代表该量具稳定性适合量测该制程.l 量具的偏性偏倚-是測量結果的觀測平均值与基準值的差值.基準值,也稱為可接受的基準值或標準值,是充當測量值的一個一致認可的基準,一個基準值可以通過採用更高級別的測量設備

17、(如:計量實驗室或全尺寸檢驗設備)進行多次測量,取其平均值來確定. 2)量具的偏性示例偏性分析报告件号件名 : 量具名称 : X-Y坐标仪特 性 : 尺 寸 量具编号 : 日 期 : 规 格 : 51.41+0.3mm量具型式 : 计量型操 作 者 : 真值 : 51.480mm 制程变异 : 0.6mm 量测者 : NO量测值NO量测值X151.48X651.48X251.48X751.48X351.47X851.48X451.48X951.47X551.47X1051.461.X=X/n=514.75/10=51.475mm2. 偏性=真值-观测平均值=51.480-51.475=0.00

18、5mm3. %偏性=(偏性/制程变异)x100=0.005/0.6=8.33%3)分析:如果偏倚较大,查找以下可能的原因l 标准或基准值误差,检验校准程序;l 仪器磨损.主要表现在稳定性分析上,应制定维护或重新修理的计划;l 制造的仪器尺寸不对;l 仪器测量了错误的特性;l 仪器校准不正确.复查校准方法;l 评价人操作设备不当.复查检验说明书;l 仪器修正计算不正确;l 线性线性是在量具预期的工作量程内,偏倚值的差值.在测量仪器的工作范围内选择一些零件可以确定线性.这些被选零件的偏倚由基准值与测量观察平均值之间的差值确定.最佳拟合偏倚平均值与基准值的直线的斜率乘以零件的过程变差(或公差)是代表

19、量具线性的指数;为把量具线性转换成过程变差(或公差)的百分率,可以将线性乘以100,然后除以过程变差(或公差).至于稳定性,建议分析技术可采用图形,即带最佳拟合直线的散点图. 如果测量系统为非线性.查找这些可能原因;1) 在工作范围上限和下限内仪器没有正确校准;2) 最小或最大值校准量具的误差;3) 磨损的仪器;4) 仪器固有的设计特性.l 重复性-由同一评价人,采用一种测量仪器,多次测量同一零件的同一特性时获得的测量值变差.l 再现性-由不同评价人,采用相同有的测量仪器,测量同一零件的同一特性时获得的测量值变差. 量具重复性和再现性(R&R )的可接受性准则是;l 低于10%的误差-测量系统

20、可接受;l 10%至30%的误差-根据应用的重要性,量具成本.维修的费用等可能是可以接受的;l 大于30%的误差-测量系统需要改进.进行各种努力发现问题并改正.例如,如果重复性比再现性大,原因可能是;1) 仪器需要维护;2) 量具应重新设计来提高刚度;3) 夹紧和检验点需要改进;4) 存在过大的零件内变差.如果再现性比重复性大,那么可能的原因有;1) 评价人需要更好的培训如何使用量具仪器和读数;2) 量具刻度盘上的刻度不清楚;3) 需要某种夹具帮助评价人提高使用量具的一致性.当不具备计算机时建议使用X&R法.否则可以把方差分析法编进计算机程序中. 量具重复性和再现性数据表Gage Repeat

21、ablility And Reproduccibility Data Sheet量具名称磅 秤量具编号S-PB-002操作人:日 期08/21/00批准人:评价人零 件平均值试验次数123456789101A 119.90 20.00 20.00 20.00 20.00 20.00 20.00 20.00 20.00 20.00 19.99 2219.90 20.00 20.00 20.00 20.00 20.00 20.00 20.00 20.00 20.00 19.99 3319.90 20.00 20.00 20.00 20.00 20.00 20.00 20.00 20.00 20.0

22、0 19.99 4平均值19.90 20.00 20.00 20.00 20.00 20.00 20.00 20.00 20.00 20.00 Xa=19.99 5极差0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 Ra=0.00 6B 119.90 20.00 20.00 20.00 20.00 20.00 20.00 20.00 20.00 20.00 19.99 7219.90 20.00 20.00 20.00 20.00 20.00 20.00 20.00 20.00 20.00 19.99 8319.90 20.00 20.00

23、20.00 20.00 20.00 20.00 20.00 20.00 20.00 19.99 9平均值19.90 20.00 20.00 20.00 20.00 20.00 20.00 20.00 20.00 20.00 Xb=19.99 10极差0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 Rb=0.00 11C 119.90 20.00 20.00 20.00 20.00 20.00 20.00 20.00 20.00 20.00 19.99 12219.90 20.00 20.00 20.00 20.00 20.00 20.00 2

24、0.00 19.90 20.00 19.98 13319.90 20.00 20.00 20.00 20.00 20.00 19.90 20.00 20.00 20.00 19.98 14平均值19.90 20.00 20.00 20.00 20.00 20.00 19.97 20.00 19.97 20.00 Xc=19.98 15极差0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.10 0.00 0.10 0.00 Rc=0.02 16零件19.90 20.00 20.00 20.00 20.00 20.00 19.99 20.00 19.99 20.00 X=19.99

25、平均值(Xp)RP=0.10 17 Ra= 0.000 +Rb=0.000 +Rc=0.020 /评价人数量=3=R =0.007 18 MaxX=19.990 -MinX=19.983 =XDIFF =0.007 19 R=0.0067XD4=2.58*=UCLR =0.01720 R=0.0067XD3= 0 *=LCLR =0*2次试验时 D4=3.27 ,3次试验时D4= 2.58；7次试验以内时D3=0 UCLR 代表单个R的极限.圈出那些超出极限的值.查明原因并纠正. 同一评价人采用最初的仪器重复这些读数或剔除这些值并由其观测值再次平均, 并计算R和极值.量具重复性和再现性报告零件

26、号和名称： 硅 胶量具名称：磅 秤日期：08/21/00被测参数：重 量量具号：S-PB-002操作者：规格：20kg量具型式：计量型根据数据表R=0.0067 XDIFF=0.0067 RP=0.1000 测 量 系 统 分 析% 总 变 差（TV）重复性 - 设备变差（EV）EV=RK1%EV=100EV/TV=0.007 3.05试验次数K1=1000.020 /0.164 =0.020 24.56=12.382 33.05再现性 - 评价人变差（AV）AV=(XDIFFK2)2-(EV)2/(nr)%AV=100AV/TV=(0.007 2.7)2-(0.02 )2/(103)=100

27、0.018 /0.164 =0.018 =10.725 评价人23n=零件数K23.652.7r=试验次数重复性和再现性（R&R）R&R=(EV)2+(AV)2%R&R=100R&R/TV=(0.02 )2+(0.02 )2=1000.027 /0.164 =0.027 =16.381 零件数K3零件变差（PV）23.65 PV=RPK332.70 %PV=100PV/TV=0.100 1.6242.30 =1000.162/0.164 =0.16252.08 =98.649 61.93 总变差（TV）71.82 TV=(R&R)2+(PV)281.74 =(0.027)2+(0.162)29

28、1.67 =0.164 101.62 所有计算均基于预计5.15s（正态分布曲线下99.0%的面积）。K1=5.15/d2，d2取决于试验次数(m)和零件数目与评价人数量之积(g)，并假设该值大于15。AV - 如果根号下出现负值，评价人变差（AV）缺省为零(0)。K2=5.15/d2*，式中d2*取决于评价人数量(m)和(g)，g=1，因为只有单极差计算。K3=5.15/d2*，式中d2*取决于零件数量(m)和(g)，g=1，因为只有单极差计算。d2*来源于D3，质量控制和工业统计，A. J. Duncan.l 计数型量具研究(小样法)所谓计数型量具就是把各个零件与某些指定限值相比较.如果满

29、足限值则接受该零件否则拒收.绝大多数这样的计数型量具用来接受或拒收一套基准件.不象计量型量具. 计数型量具不能指示一个零件多么好或多么坏.它只指示该零件被接受还是拒绝.小样研究是通过选取20个零件来进行的.然后两位评价人以一种能防止评价人偏倚的方式两次测量所有零件.在选取20个零件中,一些零件会稍低于或高于规范限值.如果所有的测量结果(每个零件四次)一致则接受该量具,否则应改进或重新评价该量具.如果不能改进该量具.则不能被接受并且应找到一个可接受的替代测量系统.一个典型的用于计数型量具研究小样法的表格见下表橡胶软管内径 通过/不通过塞规序A评价人B评价人12121234567891011121

30、314151617181920GGNGNGGGNGNGGGGGGGGGGGGGGGGNGGGNGNGGGGGNGGGGGGGGGGGNGGGNGGGGGGGGGGGGGGGGGNGGGNGGGGGGGGGGGGGG第三章 量规仪器校正一一般量规仪器校正与管理流程图禁止使用制定儀器催校制度制定年度校正計劃制定儀器校正周期內 校外 校免校制定儀器校正要求建立儀器的各類管理資料 否 NOYES NO NO報 廢執行儀器的標簽管理搬運、保存、儲存等管理執行儀器交叉檢查 修 理儀器校正確認執行儀器校正 二。校正方法的选择与使用程序过程内容概述目的及适用范围校正程序之目的适应于哪些仪器校正待校仪具规格说明

31、名称性能说明校正方法校正仪器需求名称最低使用规格厂牌型号/附件准备事项阅读整个程序量测仪器之准备检视清洁基本调整组件仪器之校正鉴定量测系统之组装系统之初步调整确认量测系统之正常运作检查系统的程序量测保证程序校正步骤系统连接(图表)归零调整校正顺序安全注意事项完成校正后应有步骤重置量测系统关闭量测系统待校正搬运与储放资料分析数据记录表数据分析方法不确定度校正报告参考数据附录三。仪器校正周期的确定1. 定义指仪器设备在正常使用情况下仪器设备量测值能有效保持在允差范围内的限定间隔时间2. 制定仪器校正周期的意义A) 降低质量失败成本B) 有利于加强制程管制防止偏差C) 使仪器设备精确在允差范围内3.

32、 制定仪器校正周期的依据仪器种类制造厂商建议使用程度仪器损坏及偏差趋势环境状况校正成本量测精确度。4. 制定仪器校正周期的方法A) 美国NCSL法名称内容优点缺点直觉经验法(适用于新购仪器设备)需要一位有经验的专业人员根据专业知识进行估算一个能保持公差范围内的周期。1) 初期费用低2) 具有弹性的短期性1) 决策不当时有可能造成大的损失2) 提供有弹性的短期性数据统计法(适用于同一品牌型号和同一种类)由校正报告上的数据来判定旧的校正周期是否准备延长或缩短。附表一为在85%可靠性判定下的修正表。1) 可以制定固定的可靠标准2) 节省许多费用3) 会产生实值有效的数据1) 高的初期费用2) 少的样

33、本时效果差3) 需要有很好的管理和统计技术伸缩周期法(适用于单一型号之仪器)当校正后发现在公差范围内校正人员即会自动把下一次的校正周期增加一个月或一段时期如在公差范围外则缩短1) 错误之校正周期可以很快的修正2) 操作费用会减少1) 无法得知一特点的可靠性标准2) 容易受校正人员变动的影响使用时间法(适用于同一品牌型号和同一种类)需要一个时间记录器或在仪器标签注明当时间到达所设定或规定的时间则此仪器必须关校1) 常用仪器会被特别注意2) 可以定评估仪器的使用状况1) 初期费用及成本高2) 很容易被使用者干涉测试结果法(适用于同一品牌型号)利用方便的校正设备来定期检查仪器上的重要参数由此对收集的

34、数据进行统计分析后来决定此仪器之校正周期。1) 提供可靠性之标准2) 提供使用者最大的可用性1) 需要有方便的校正仪器2) 需要好的管理和素质高的人员附表一在85%可靠性判定下的周期修正表。%的仪器偏离公差目前校正周期(月)修正校正周期(月)25%或以上361213615%至25%361224910%至15%361236125%至10%361269125%或以下361261224B) ISO法(ISO100012-1)首先作初期选择, 以固定期间作为校正周期;然后再选择以下方法之一对校正周期进行调整:方法名称内容自动/阶梯式调整法以一定基本的程序每次对设备项目进行校正当发现在允许公差范围内在其后的校正周期加长但若在公差范围外时,则缩短校正周期。管制图法每次选择相同的校正点将所测的数据绘成管制图并加以标出量测散布及偏差情形以决定如何调整校正周期。历时法当初期校正周期内被送回校正的仪器发现某一类别超过误差或不符合的件数占比期间同一类别总数的比率如果很高时必须缩短校正周期。使用中/黑箱法使用轻便的校正准备时常检查被选定的参数对临界参数据进行查验如发现超过界限则进行完满的校正。5. 仪器允差与校正成本之比较仪器允差校正成本比值校正周期比值每年总成本比值1m10m100m149216