基于Minitab的測量系統(tǒng)性能分析

本文介紹了數(shù)理統(tǒng)計中利用如重復(fù)性和再現(xiàn)性，變異率，公差比和分組數(shù)來分析測量系統(tǒng)的基本原理。文章選擇紅外水分儀作為測量系統(tǒng)，并且使用量具嵌套分析方法去分析水分平衡試驗。選擇切碎的煙葉作為樣本，設(shè)置煙葉水分的三個水平，使用Minitab進行實踐，利用結(jié)果識別波動的來源，評價測量系統(tǒng)的性能。然后分析者分析現(xiàn)有的測量系統(tǒng)是否滿足要求，可以用于煙葉水分的測量。

煙草中的水分含量是煙草加工過程中的主要物理性質(zhì)，直接影響了產(chǎn)品的質(zhì)量。然而，煙草中的水分容易受到溫度和濕度的影響，因此，在質(zhì)量指標中是很難進行控制的。目前，煙草中的水分主要用紅外水分儀進行測量，測量系統(tǒng)在物質(zhì)吸收紅外光后探測反射光，但這種方法僅限于當煙草表面的水分可以測量的時候。所以，我們利用重復(fù)性和再現(xiàn)性，變異率和公差比來評估水分儀的表現(xiàn)，Minitab是用于評估煙草測量系統(tǒng)性能的有效工具。

理論基礎(chǔ)

測量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)包括計量型數(shù)據(jù)和計數(shù)型數(shù)據(jù)。重復(fù)性與再現(xiàn)性主要用于評估系統(tǒng)的波動。重復(fù)波動表示指標本身的變化，再現(xiàn)波動反映了由于測量者的不同所帶來的影響。測量系統(tǒng)波動則等于。重復(fù)波動中包括測量設(shè)備波動再現(xiàn)波動中包含操作者改變所帶來的波動和操作者與機器之間的交互作用

在測量過程中，總波動包括系統(tǒng)波動和測量系統(tǒng)波動，則數(shù)據(jù)的總波動包括度量指標間的波動和測量系統(tǒng)的波動因此總波動的計算公式為：

為了計算方便，不考慮評價交互作用，對等式兩端同時乘以6倍的平方，即有：

其中，TV表示總變異，PV表示部分變異，EV表示設(shè)備變異，AV表示操作者變異。

測量系統(tǒng)的關(guān)鍵是準確而可靠的反映目標的參數(shù)波動。這里有兩種評價測量系統(tǒng)的方法，如表1所示。

表1　測量系統(tǒng)性能標準

由目標波動的標準差和系統(tǒng)波動得到計算分組數(shù)，可以用于確定系統(tǒng)有足夠的分辨能力。

一般來講，如果分組數(shù)小于2，測量系統(tǒng)提供不了有意義的結(jié)果。只有當分組數(shù)超過5個時，才能提供足夠的分辨力，數(shù)據(jù)才能用于分析和控制過程。

應(yīng)用分析

在某些情況下，樣本可能在測量的過程中被破壞，所以沒有必要進行大量的測量。煙草中水分的測量就是一個典型的例子。我們通過環(huán)境試驗箱使用溫度和濕度平衡的方法，利用Minitab中的R&R分析選項來建立側(cè)量過程。

第一步：烘箱設(shè)備在運行一段時間之后系統(tǒng)是穩(wěn)定的，同時必須要進行校準。

第二步：煙草的水分由環(huán)境試驗箱決定，應(yīng)該平衡48小時。樣本應(yīng)該均勻分布在試驗箱的上中下三層。

第三步：每個操作者應(yīng)從每層中拿出9個樣本，然后將每個樣本放在一個金屬蓋上。每個金屬蓋上的樣本應(yīng)該轉(zhuǎn)移到水分分析儀的樣本托盤上。

第四步：樣本被轉(zhuǎn)移到托盤上，并迅速的進行分析。

第五步：在第一個操作者之后，第二個操作者重復(fù)前面的步驟。

這樣設(shè)計的目的是減少環(huán)境和樣本差異所帶來的影響。試驗建立了三種類別的樣本和兩次快速的測量。這里有三種條件以評估水分分析儀的性能。

圖1　水分含量為11%的量具R&R分析

圖3　水分含量為20%的量具R&R分析

表2　試驗設(shè)計

測量應(yīng)用

圖1、2、3是從Minitab中輸出的。圖1所示為煙草水分含量是11%時分析，從圖中可以看出變異不僅是由于目標所導(dǎo)致的，同時也包括重復(fù)測量的因素。每個操作者都能很好的測量樣本，所有的數(shù)據(jù)點都在范圍內(nèi)，具有良好的重復(fù)性。多數(shù)均值都超出了控制范圍。實際的波動非常大，測量系統(tǒng)表現(xiàn)較好。兩組操作者的試驗結(jié)果，均值改變較小，并且再現(xiàn)性較小。測量系統(tǒng)性能分析結(jié)果：方差分量貢獻率為0.41，研究變異為6.43%＜10%，因此測量系統(tǒng)的性能好，同時分組數(shù)為21。

圖2的結(jié)果與圖1類似。從圖中可見不同操作者的測量結(jié)果存在一定的區(qū)別。方差分量貢獻率為4.70，研究變異為21.67%<30%，因此測量系統(tǒng)的性能是可接受的，分組數(shù)為5。

圖3基本與圖1也是類似的，但是與之前的11%和15%的條件相比，當水分含量在20%時，兩此測量的結(jié)果存在明顯的差別。方差分量貢獻率為2.70，研究變異為14.67%<30%，因此測量系統(tǒng)的性能是可接受的，同時分組數(shù)為9。

結(jié)語

本文從一個新的視角分析了傳統(tǒng)的測量系統(tǒng)。我們使用嵌套方法實施R&R分析，對紅外線分析儀測量系統(tǒng)使用分層的溫度/濕度平衡法，每一層分別放置樣本，結(jié)果顯示對于煙草水分測量系統(tǒng)的分析是可以接受的。MSA分析為實驗室儀器的評價提供了有效的方法論和重要的科學依據(jù)。

10.3969/j.issn.1001- 8972.2016.18.020