無線電領(lǐng)域測量標準的過程控制

王林林，周佳勝，宋曉嬋，蔡進

(中國人民解放軍61236 部隊，北京100094)

0 引言

任何一個過程，包括生產(chǎn)過程和測量過程，都會受到各種因素的影響。這些影響可能源于過程固有的波動，也可能來源于異常原因引起的波動。測量過程中固有的隨機波動始終存在，不能消除，屬于正常現(xiàn)象;而來源于異常原因所引起的波動則屬于非正?，F(xiàn)象，必須避免。如果利用一個很穩(wěn)定的核查標準，即尋找一個很穩(wěn)定的被測對象，通過對其進行定期測量，就能對測量標準形成一個過程控制，而休哈特控制圖是普遍用來判斷測量過程是否處于受控狀態(tài)的一種統(tǒng)計工具。

針對測量標準的統(tǒng)計控制主要有兩方面的作用:診斷，對已有的測量標準進行診斷，以評估該測量標準是否已經(jīng)達到穩(wěn)定狀態(tài);控制，針對進行中的測量過程進行控制，以確定測量過程是否滿足預(yù)期指標，或是否需要進行調(diào)整、改進［1］。采用過程控制確保測量標準始終處于受控狀態(tài)，是保證測試結(jié)果質(zhì)量的有效措施［2］。

1 常用方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

對于正在運行的測量標準，根據(jù)相關(guān)體系文件要求，按照事先制定的核查計劃，對標準進行定期的重復(fù)測量［3］，利用歷年歷次的核查數(shù)據(jù)建立過程控制的數(shù)據(jù)庫;對于新建標準利用其在不同環(huán)境條件下測得的k 組(一般k 不小于20)、每組測量n 次(各體系要求不同，在利用貝塞爾公式計算試驗標準差時，一般n不小于6)的數(shù)據(jù)建立數(shù)據(jù)庫。當獲取測試數(shù)據(jù)時，如環(huán)境發(fā)生突發(fā)性改變，測試人員應(yīng)當場決定是否保留在此期間的測試數(shù)據(jù)，如有離群值出現(xiàn)，應(yīng)現(xiàn)場剔除離群值。

1.2 控制圖法

控制圖法是將核查結(jié)果畫在確定了控制極限的圖表上，如果核查數(shù)據(jù)在預(yù)先規(guī)定了的控制限以內(nèi)，表明測量過程處于統(tǒng)計控制狀態(tài);如果測試數(shù)據(jù)超出控制限或者發(fā)生其他小概率事件，應(yīng)判斷測量標準失控，采取有效的措施直到測量標準再次受控。

控制圖主要有三種:平均值-標準偏差控制圖(x—-s圖)、平均值-極差控制圖(x—-R 圖)、中位值-極差控制圖(x～-R 圖)。這里主要分析平均值-標準偏差控制圖(-s 圖)。對于平均值控制圖中心線為CL，上下限分別為UCL 和LCL:

對于標準偏差控制圖中心線為CL，上下限分別為UCL 和LCL:

表1 控制圖中控制限的系數(shù)表

1.3 統(tǒng)計檢驗法

統(tǒng)計檢驗法利用測試數(shù)據(jù)建立初始的過程參數(shù)，最后利用分布函數(shù)及相關(guān)信息表格建立控制極限。

過程參數(shù)的建立:

組間平均值A(chǔ)c和組間標準差sc為

式中:m 通常要求12 組或者更多;n 一般要求不能小于6。

建立參數(shù)后進入日常核查階段，由每次的核查原始記錄計算出該次的核查數(shù)據(jù)，即平均值和實驗標準偏差，利用t 檢驗和F 檢驗對核查結(jié)果進行統(tǒng)計檢驗。

平均值控制利用t 檢驗方法，當滿足式(11)時，第k 次核查的平均值通過t 檢驗，過程受控。

測量過程的標準偏差利用F 檢驗方法，有

表2 F 分布表(α=0.01)

平均值控制圖和標準差控制圖關(guān)聯(lián)緊密，使用時一定成對出現(xiàn)，當其中任何一個發(fā)生小概率事件時，表明測量標準處于失控狀態(tài)，應(yīng)當及時采取措施。很多計量人員通過標準核查利用控制圖法對測量標準進行過程控制。

2 無線電領(lǐng)域的特殊性

2.1 重復(fù)性

無線電計量領(lǐng)域幾乎盡是數(shù)字式儀表，這類儀表測試精度高、測量不確定度小，部分儀器溯源過程甚至不滿足檢定規(guī)程要求的量傳關(guān)系。所以，在重復(fù)性條件［4］下進行的重復(fù)性測量，實驗標準偏差往往非常小。

2.2 穩(wěn)定性

數(shù)字式儀表雖然在短期測量中重復(fù)性非常小，但是由于內(nèi)部晶振、衰減器等器件隨季節(jié)或環(huán)境的變化會表現(xiàn)出一定的波動，即穩(wěn)定性帶來的影響。但是在式(2)和(3)中并未體現(xiàn)出穩(wěn)定性對標準產(chǎn)生偏差的作用。

2.3 核查件

并不是所有的測量標準都適合用控制圖法對標準進行過程控制。有些標準由于無法找到一個相對于標準比較穩(wěn)定的核查件，例如，小功率標準裝置，它是利用一個標準功率座對功率敏感器進行量值傳遞，顯然，找不到一個比功率標準穩(wěn)定性優(yōu)越的被測功率敏感器，假設(shè)可以，那這項工作就不會稱為標準核查;如果退而求其次，那么無法說明測量標準失控是核查件導(dǎo)致的還是測量標準真的發(fā)生了異常。

以測量接收機HP8902A 為主標準器的微波衰減標準裝置作為例證，過去一段時間內(nèi)(2004年至2013年10年間，每年測量6 次)的標準核查數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 微波衰減歷年核查數(shù)據(jù)(n=6)

圖1 微波衰減標準裝置的控制限

從圖1(a)中可以看出，平均值控制結(jié)果均超出控制限，按過程控制理論應(yīng)當判斷為標準失控，但事實并非如此。分析數(shù)據(jù)得知，由標準偏差引入的控制限太窄，導(dǎo)致即使建立控制圖的原始數(shù)據(jù)都發(fā)生了超限現(xiàn)象，根本談不上測量標準的過程控制。每組的試驗標準差很小，致使控制限距離參考值非常近，如果采用更多次數(shù)的測量作為樣本，則用貝塞爾公式算出的標準差將更小，與此同時A3更小(見表1)，這將導(dǎo)致上下控制限十分接近參考值，測試稍有偏離參考就會產(chǎn)生核查數(shù)據(jù)超限現(xiàn)象。采用這種方式作為測量標準的過程控制顯然不合適，因為在確定上下限的模型中沒有包含儀器穩(wěn)定性引入的波動。

3 適合的控制圖設(shè)計

上面的例子可以看出對于某些無線電測量標準，平均值控制圖沒有考慮到儀器的長期穩(wěn)定性，給了過于嚴格的控制極限，導(dǎo)致過程控制無法進行。過程控制的意義不言而喻，因此需設(shè)法找到適合無線電領(lǐng)域的平均值控制圖。

3.1 最大允許誤差限控制圖

測量標準溯源至上級計量機構(gòu)獲得“合格”結(jié)論時，認為測量標準器具滿足出廠給定的技術(shù)指標。此時利用儀器出廠數(shù)據(jù)中的最大允許誤差限(MPE)指標建立控制限，即能反映出儀器的準確度，又能反映儀器的長期穩(wěn)定度引起的可控波動給測量帶來的影響。測量標準的過程控制限表示如下:

式中:UCL 為控制上限;UCL0為控制上限警戒線;LCL 為控制下限;LCL0為控制下限警戒線;U 為標準在該點的擴展不確定度。

最大允許誤差限控制圖(如圖2所示)，A 區(qū)為合格判定區(qū)，測量標準處于可控狀態(tài);B 區(qū)為警戒區(qū)，測量標準可能處于失控狀態(tài);C 區(qū)為不合格判定區(qū)，測量標準失控，應(yīng)立即采取措施。

由于被測量在重復(fù)性條件下的測量重復(fù)性很小，因此在控制圖中，選取被測量的測量平均值或者是單次測得量值，差別不大，可以在控制圖中體現(xiàn)一組測試的平均值，也可將一組核查的n 個值同時加入。

圖2 最大允許誤差限控制圖

3.2 標準偏差控制圖

控制圖法要求控制圖要成對出現(xiàn)才有意義，最大允許誤差限控制圖能體現(xiàn)出測量標準的準確度及穩(wěn)定性，而不能體現(xiàn)出測量標準測試的分散性，因此本方法依然沿用平均值-標準偏差控制圖(-s 圖)中的標準差控制圖及其方法。

4 結(jié)果比對

上述提到的數(shù)據(jù)按照最大允許誤差限控制法完成的控制圖如圖3所示。由圖3 可觀測到微波衰減標準裝置處于穩(wěn)定可控狀態(tài)，更加符合實際情況。這里最大允許誤差限(MPE)采用線性相加合成，如果覺得控制范圍過于寬泛，可采用方和根法進行MPE 合成。

圖3 微波衰減標準裝置于10 GHz/10 dB 條件下的過程控制圖

5 結(jié)束語

無線電領(lǐng)域的計量存在其特殊性，直接采用其他領(lǐng)域建立的過程模型往往存在不適用的情況，本篇文章大膽設(shè)想利用最大允許誤差限控制圖代替原來文件中不適合本領(lǐng)域的平均值控制圖過程控制方法，希望能給該領(lǐng)域的工作人員提供些許幫助。

［1］倪育才.實用測量不確定度評定［M］.北京:中國質(zhì)檢出版社，中國標準出版社，2014.

［2］葉德培，宋振國，高永輝.軍用實驗室認可培訓(xùn)教程［M］.總裝備部技術(shù)基礎(chǔ)管理中心，2003.

［3］中國人民解放軍總裝備部.GJB 2749A-2009 軍事計量測量標準建立與保持通用要求［S］.北京:總裝備部軍標出版發(fā)行部，2009.

［4］國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.JJF 1059.1-2012 測量不確定度評定與表示［S］.北京:中國質(zhì)檢出版社，2013.