第6章 测量系统的分类及其分析方法

6.1 测量系统的分类

在实际MSA研究工作中，我们主要对连续型测量数据的测量系统和离散型测量数据的测量系统进行研究，其中离散型测量数据研究范围主要针对的是有限个取值的离散型数据。我们可以根据测量数据的类型而对相应的测量系统进行分类，最常见的两个基本类型是：

① 计量型测量系统——以定量的方式对被测对象的计量特性产生连续型的测量数据，如长度为5.3mm、频率为50.5Hz、时间为100s等。

② 计数型测量系统（也叫属性测量系统）——以定性的方式对被测对象的属性特征进行区分，如好、中、差的有序属性值，红色、黄色、蓝色、黑色的名义属性值，以及合格与不合格的二进制属性值等。^[1]

AIAG MSA手册第3章C节对计量型和计数型测量系统有如下明确的定义：

计数型测量系统是一种测量数值为一有限的分类数量的测量系统。它与能获得一连串数值结果的计量型测量系统截然不同。通/止规是最常用的量具，它只有两种可能的结果；其他的计数型测量系统，例如目视标准，可能产生5～7个分类，如非常好、好、一般、差、非常差。

当然，这个定义对于计量型和计数型的界限有了基本的划定，这也是我们对计量型与计数型测量系统比较易于理解的定义。

现实工作中，我们有时候不可避免地需要面对被测对象无法被重复测量的状况，这一类测量系统主要出现在计量型测量系统之中，实际选择测量系统时，一般不考虑计数型测量系统也会出现这种情况。

例如一些具体的测量，如拉力、材料的热稳定性、抗压强度等，由于被测对象在测量的试验过程中被破坏掉了，因此，这些力值、温度值及压强值是无法被重复测量的，这一类属于破坏性测量系统。

另外还有一类如在前文提到过的电池电解液注入的例子，注液前的电池总重量由电子秤A进行称量，注液后的电池总重量由电子秤B进行称量，而整个注液过程是不可逆的。因此，每一次的测量值只来源于一套测量系统，它们之间是一一对应、相互嵌套的，这一类测量系统属于嵌套型测量系统。

总的来讲，如果根据被测对象的特性是否可被重复测量这一考察角度来区分测量系统的话，可以把测量系统分为两种类型：可重复的测量系统和不可重复的测量系统。

计数型测量系统（属性测量系统）的开发主要是为了提高测量效率、满足全检的要求、降低成本（测量系统、零件的完好性、工时）等，因此，开发者应尽量避免开发不具备重复测量甚至破坏性测量的系统，以保证对测量过程能力有途径去确认。基于这种实际应用的思维，就可以把对测量系统的分类进行整合，以便更好地理解和面对形形色色的测量系统。测量系统的分类整合如图6.1.1所示。

针对上述的分类，可能会有一个疑问，那就是为什么要把计量型和计数型放在第一分类梯队，而不是把测量的可重复性放在第一分类梯队呢？

关于这个疑问，我们必须回到测量系统的本质上来，测量系统的本质不是为了完成某种破坏或者非破坏的测量目的，其本质是保证测量数据的准确可靠，测量数据才是测量系统的唯一输出，也是测量系统的终极关注，因此，根据测量数据的分类来对测量系统进行分类就变得非常基本了。我们把计量型和计数型叫作测量系统的第一属性，也是基本属性；测量的可重复性就是第二属性，也是次要属性；至于自动化、手动测量系统，还有接触式、非接触式测量系统等，这些就是测量系统的第三属性。

（1）常见的测量系统

实际生产中，以下几种类型的测量系统比较常见：

1）基本的计量型测量系统。这是最常见的类型，如卡尺测长度、电子秤称重量、万用表测电压、温度计测水温、坐标仪测几何公差等。这一类最典型的特点是测量结果会受到操作员经验、能力、标准作业、情绪等诸多主观因素的影响。

2）自动化测量系统。它不直接受操作员的影响，如在线CCD（二维影像仪）测零件宽度、在线X-ray（X阴极射线）测产品内部尺寸等。这一类测量系统在现代全自动化工业制造中越来越占据主导地位。

3）嵌套型测量系统。这一类测量系统主要用在分步工序中，如前文所述电池注入电解液的例子就非常典型。再比如四色（CMYK）印刷中对套印的网点大小进行测量时，每一种颜色（C、M、Y、K）都是由不同的机组进行测量和控制的，它们之间是一一对应的，而且还有顺序（最常见的顺序：进纸→Y→M→C→K→…→出纸），并且过程不可逆。这一类测量系统典型的特点是零件并未遭到破坏，但特性会随着测量的过程而发生变化。

4）破坏性测量系统。这一类比较常见的有极限拉力测试、旋转黏度的测量、粉末震实密度的检测等。

5）二进制属性测量系统。二进制属性其实是名义属性和有序属性的特殊情况，二进制属性可以是名义属性，如红色和黑色；它还可以是有序属性，如好与差、合格与不合格。

（2）不常见的测量系统

那些不太常见的测量系统我们也在此做一下介绍。

1）复杂的计量型。复杂的计量型一般是多套测量系统组合，这种组合具有关联性。如材料研发实验用的气质联用分析系统（GC/MSD），这套系统包括两套子系统，一套是气相色谱仪（GC），另一套是质谱仪（MSD），GC起到的是定量分析作用，MSD起到的是定性分析作用，两者结合就可以对气体和有机液体中各成分做定性分析和定量分析。

2）名义属性测量系统。我们还是举电缆线颜色的例子，电缆线颜色被测量系统识别出红色、黄色、蓝色、黑色，而这四种颜色之间是没有必然的联系和优先级的高低之分，电缆线只是被测量系统赋予某种名义上的属性值以便于生产管理之用，这一类的测量系统就是名义属性测量系统。特殊情况是，如果名义属性值只有两个，那么，可把它看作二进制属性值。

3）有序属性测量系统。顾名思义，有序就是属性值之间有内在的逻辑关系和优先级的高低之分，如零件外观品质分级为：优（A）、良（B）、中（C）、差（D），其外观品质的优先级就有A＞B＞C＞D，是一个有序的数据列；特别情况是，如果只有两种有序属性值，如好与不好、合格与不合格、NG和OK、0和1等，那么，又可以将这些属性值看作二进制属性值。

（3）其他分类

当然，测量系统还可以从其他的角度进行分类，比如可以把测量系统分为以下几类：

1）手动测量系统。

2）自动测量系统。

3）接触式测量系统。

4）非接触式测量系统。

这些分类方法虽然在涵盖面上有很多不足，但也不失为对测量系统过程理解的一种具有特殊意义的观察角度，这些角度对于我们做MSA研究和分析工作有很好的辅助作用。

有一个观点需要引起注意，就是在测量系统分类的时候，有时需要根据测量的目的进行相应的转换，而不可一成不变。下面举两个例子来说明这一观点的重要性。

例1 某工序有一种专门监测电子元件绝缘性能的测量系统，测量仪器为绝缘电阻表，实际操作中，工人只需要关注绝缘电阻表有没有异常报警声就可以了：电子元件的绝缘阻值R≥100MΩ时，绝缘电阻表就不报警；R＜100MΩ时，它就报警。

这种测量系统要做MSA的话，是把它看作计量型呢还是计数型？

在这种情况下，就需要特别关注我们做MSA的目的了。通常从技术上讲，MSA主要有两大目的：第一，确认并保证产品的判定是可靠的，换句话说就是合格的产品判定为合格，不合格的产品判定为不合格，而判错的几率应是可接受的；第二，确认并保证测量系统的变异分量在总的过程变异中占比很小，其比率应是可接受的。

对于上述绝缘电阻测量系统来说，如果需要满足目的一，实际上就可以把这套测量系统看成一套“通/止规”（GNG），对其进行计数型MSA即可；如果需要满足目的二，那就要取后台数据进行计量型MSA了。

例2 图6.1.2所示极限千分尺应该属于哪一种测量系统呢？

如果把它绝对地看成是计数型测量系统或计量型测量系统都过于片面，应该根据使用目的进行区分：当把这把极限千分尺调整成“通/止规”的时候，就得到了一套计数型测量系统；同理，当把它当作一把普通的千分尺使用的时候，就得到了一套计量型的测量系统。

当然了，如果做MSA研究和分析时，能采集到连续型的数据就尽量不要用系统转化来的离散型数据，因为计量型测量系统研究方法在可信度上要更优于计数型测量系统研究方法。

这个问题还是拿上面两个例子来说，对比一下上面两个例子，我们会发现，其本质上是有区别的。绝缘测量系统在被当作“通/止规”时，后台是有连续性量值作为支持和转化的；极限千分尺在被当作“通/止规”时，它只有“通”和“止”两个属性值，即便有千分尺的具体量值作为支持，但这种量值是固定不变的，是非连续的，是有序的属性值。

由于这个本质的区别导致了我们根本就不需要把绝缘测量系统当作计数型测量系统，直接获取后台数据，按计量型测量系统分析就完全可以满足“目的一”，同时还能兼顾“目的二”。而且计量型分析数据对变差的分析更加精细。在能选择计量型分析方法的时候，尽量不要采用计数型分析方法，因为计量型的分析结果能给予我们更多的信心来相信我们的分析结果是更加精确的。