测量系统分析在民机系统模拟试验项目中的研究与应用

倪君菲

【摘 要】民用飞机设计过程复杂，往往需要开展大量的模拟试验来验证设计的合理性。本文以民机系统模拟试验项目为研究对象，在介绍了测量系统和测量系统分析概念的基础上，通过分析民机系统模拟试验过程中对测量系统的控制现状，发现其存在对测量系统缺乏整体有效评价的问题。针对该问题，本文提出了对测量系统进行整体有效评价的内容和步骤，并通过实例应用加以说明。本文对民机系统模拟试验项目中测量系统分析的开展具有一定参考价值。

【关键词】民机系统模拟试验；测量系统；测量系统分析

中图分类号： C81 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）19-0005-004

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.19.002

Application of Measurement System Analysis in Civil Aircraft System Simulation Test Project

NI Jun-fei

（Shanghai Aircraft Design And Research Institute，Shanghai 201210，China）

【Abstract】Due to the complexity of civil aircraft design process，a large number of simulation tests are often needed to verify the rationality of the design. In this paper，we focus on the aircraft system simulation tests，introduce the concepts of the measurement system and the measurement system analysis，analyze the current status of measurement system，and find that an effective the overall effective evaluation of the measurement system is lacked.To solve this problem，here，we put forward the contents and steps of the overall effective evaluation of the measurement system，and illustrate it through examples.Our study provides novel ideas and reference not only to the analysis of the aircraft system measurement.

【Key words】Aircraft system simulation test；Measurement system；Measurement system analysis

0 前言

在產品设计和生产过程中，为了保证生产出来的产品能满足顾客需求，我们需要对产品研制过程进行监视和测量，同时在产品成型后还需对产品本身进行各种测试，这些往往需要收集大量的数据，而这些数据就需要使用测量系统来提供。测量系统测得的数据经常是我们用于做出判断或决策的依据，因此数据的准确与否直接影响到我们做出的决策[1]。

理想的测量系统每次测量都应该没有测量误差的存在，而且面对同一个被测对象每次测量的结果都应该是相一致的，但事实上，世界上并不存在这样的测量系统，也就是说测量系统总是会存在测量误差[2]，所以我们需要进行测量系统分析和控制，尽量减小测量误差，以保证得到高质量的测量数据。

1 测量系统分析概述

1.1 测量系统概念

测量人员在环境条件下利用测量设备以一定的测量方法对被测对象进行测量得到测量数据，在这个测量过程中，测量人员、测量设备和必要的软件、被测对象、测量方法、测量环境就构成了一个测量系统，测量系统是用来对被测特性定量测量或定性评价的仪器或量具、标准、操作、方法、软件、操作人员、环境和条件等的集合[3]。

1.2 测量系统分析概念

测量系统是测量人员、测量设备、被测对象、测量方法、测量环境所构成一个集合，那么顾名思义测量系统分析就是对这个集合进行分析评估，用统计学的方法来分析测量系统的各个波动源，以及它们对测量结果的影响，判断测量系统是否符合使用要求[4]。

2 民机系统模拟试验项目试验测量系统控制现状分析

2.1 民机系统模拟试验项目概述

民机系统是由飞控、液压、电源、航电等系统组成，民机系统的设计是个复杂而又漫长的过程，设计过程中需要开展大量的模拟试验来支持验证设计的合理性，这些试验统称为民机系统模拟试验，它是在模拟真实条件下完成飞机各类功能、性能试验，以表明飞机各系统的功能符合设计要求，满足适航符合性要求。

2.2 民机系统模拟试验项目试验测量系统的构成

民机系统模拟试验项目试验周期长、参与人员多，在试验过程中会产生许多测量数据。试验人员依据经确认的试验方法或测量方法，使用测量设备，在一定试验环境下开展对被测试验对象进行测量，得到大量试验数据。在这个过程中，试验人员、试验方法/测量方法、被测试验对象、测量设备、试验环境就构成了一个试验测量系统。

2.3 民机系统模拟试验项目试验测量系统控制现状

目前在民机系统模拟试验项目中，对试验人员、测量设备、试验大纲和试验环境都做了不同程度的要求：

1）试验人员。经过相关培训，持有上岗证；

2）测量设备。需经计量符合试验要求且在计量有效期内；

3）试验方法。需经过评审确认；

4）试验环境。需符合试验和测量设备使用要求。

2.4 民机系统模拟试验项目试验测量系统控制存在问题

民机系统模拟试验项目中，产生的大量试验数据均来自试验测量系统的测量，而试验测量系统是由试验人员、测量设备、试验被测对象、试验方法/测量方法、试验环境构成，其中任何一部分发生较大波动都会导致试验数据的不准确。同时这些因素之间可能还会存在某些两两交互作用，需要加以识别判断。虽然我们已经对这些组成因素做了不同程度的要求和控制，但始终缺乏对试验测量系统的整体有效分析评价，没有对试验测量系统做出整体是否符合要求的定量判断，也就无法保证试验测量系统能得到高质量的试验数据。

3 民机系统模拟试验项目试验测量系统控制改进

3.1 测量系统分析方法的应用

针对民机系统模拟试验项目试验测量系统控制存在的问题，我们应对试验测量系统进行整体有效分析评价，即在目前试验测量系统控制现状的基础上，运用六西格玛管理中的测量系统分析方法对试验测量系统进行分析评价，判断试验测量系统是否满足要求。若试验测量系统存在不符合要求的现象，应分析原因，采取有效措施，以减小或者消除试验测量系统变差对试验数据的影响，保证得到高质量的试验数据。

3.2 测量系统分析的评价指标

测量系统变异类型有五种：偏倚、线性、稳定性、重复性和再现性，这也是测量系统分析中评判测量系统是否可被接受的指标[5]。

1）偏倚：测量系统对于某个被测对象进行多次测量，其结果的平均值与其基准值之差。所谓基准值是由更高精度的测量设备提供；

2）线性：每个测量系统都具有相应的测量范围，所谓线性就是测量系统在测量范围内其偏倚的变化是否呈线性；

3）稳定性：测量系统对某一被测对象的测量结果随着时间变化而发生改变的程度，即偏倚随时间的变化；

4）重复性：相同的测量人员、测量方法和测量设备，对同一被测对象进行多次测量所得测量结果的变异；

5）再现性：不同的测量人员采用相同的测量设备和测量方法对同一被测对象进行多次测量，所得测量结果平均值的变异，又称测量人员的变异。

3.3 测量系统分析的步骤

在开展测量系统分析前需要做好充分的策划和准备，主要步骤如下：

1）确定参与分析的测量设备和测量人员

该步骤主要包括确定测量设备和测量人员。其中应确认参与分析的测量设备应经过有资质计量技术机构的检定/校准，符合使用要求且在计量有效期内，同时还需确认测量设备的分辨力应优于被测对象分辨力的1/10。通常情况下往往选择3个测量人员，测量人员应经过培训，熟练掌握了测量方法和测量设备的操作，具有相关上岗证。

2）确定测量方法

该步骤主要是确定被测对象的数量、测量数据的类型和数据的测量方法。

3）收集测量数据

该步骤主要是进行数据测量和收集。在测量过程中，测量人员应按要求完成数据测量，彼此间互不干扰并做好数据记录，妥善保存。

4）分析测量数据

完成数据测量后，借助Minitab质量管理统计分析软件对数据进行分析，判断测量系统是否满足要求，若存在不符合要求的情况需进一步分析根本原因，制定相关措施，减小或消除变差。

3.4 实例应用

数据采集系统是民机系统模拟试验项目中较为常见的专用测试设备，其在试验数据测量中发挥着巨大作用。本文采用某数据采集系统作为测量系统分析的测量设备，该设备经过计量校准且在计量有效期内，同时其分辨力也满足测量需求1/10的要求。邀请3名试验人员作为测量人员，分别简称为测量人员甲、乙、丙，该3名试验人员均从事试验工作多年且均受过相关培训持有上岗证，能熟练操作数据采集系统。

3.4.1 数据测量收集

1）稳定性数据测量收集

从甲、乙、丙3名试验人员中随机选择一人作为稳定性数据的测量人员，其在10天内，每天在上午、中午、下午三个不同时间段用数据采集系统对20A直流电流进行测量，按表1方式测量并记录数据。

2）偏倚和線性数据测量收集

从甲、乙、丙3名试验人员中随机选择一人作为偏倚和线性数据的测量人员，用数据采集系统每次分别对20A、30A、40A、50A和60A直流电流进行测量，共进行12次测量。按表2方式测量并记录数据，测量时用更高精度的多功能标准源提供基准值。

3）重复性和再现性数据测量收集

甲、乙、丙3名测量人员依次在较短的时间内采用数据采集系统对30A直流电流进行3次测量，每次测量10个数据。按表3格式进行测量并记录数据。

3.4.2 测量数据分析

1）稳定性数据分析

将表1记录的数据输入Minitab软件中分析得到图1。

从图1中可以得出，所有数据均落在了控制图的控制限内，并无出现失控现象，因此可以认为测量系统具有较好的稳定性。

2）偏倚和线性数据分析

将表2记录的数据输入Minitab软件中分析得到图2。

从图2中可以得出，测量系统各测量点偏倚P值均为0<0.05，表明测量系统存在显著偏倚。偏倚=0线未落入95%置信区间内，同时偏倚随测量点的增大而逐渐增大，说明测量系统具有明显线性。所以偏倚和线性都不可被接受。

3）重复性和再现性数据分析

将表3记录的数据输入到Minitab软件中分析得到图3。

3.4.3 测量系统改进

1）分析存在问题原因

查看最近几年数据采集系统的计量数据，发现用于本次测量系统分析的电流通道虽从未超差，但数据一直偏小，同时偏小幅度在逐渐变大，结合线性和偏倚的分析结果，最终得出可能是该电流通道的精密电阻阻值发生了漂移。经测量精度±0.1%，8Ω的精密电阻阻值变成了7.95Ω，阻值漂移严重。

2）改进措施

在这种情况下，更换高精度的8Ω精密电阻是最为合适的方法，但精密电阻更换涉及设备维修处理，周期会较长，可以通过调节数据采集系统通道增益系数来减小偏倚。电流通道变比x=1000，则原通道增益系数为y=x/R=1000/8=125，如今需要重新计算通道增益系数，y=x/R=1000/7.95=125.786，于是将该通道增益系数设置为125.786。

3）改进效果

按表2格式重新测量偏倚和线性数据并记录得到表4。

从图4中可以得出各测量点偏倚P值均大于0.05，说明测量系统无显著偏倚，同时偏倚=0线也完全包含于95%置信区间内，线性消除满足要求。说明通过数据采集系统通道增益系数的调整对测量系统产生了积极影响，效果明显。

4 结论

试验测量系统由试验人员、测量设备、试验被测对象、试验方法（测量方法）、试验环境等构成，试验数据的质量受到试验测量系统各组成因素影响。在民机系统模拟试验项目中，虽然对试验测量系统各组成部分进行了必要控制，但是测量系统仍可能存在不符合要求的现象。因此有必要运用测量系统分析方法，对试验测量系统进行分析评价，判断测量系统是否满足试验的要求。对其不满足要求的变异进行原因分析，制定有效改进措施，减小或消除测量系统变差对试验数据的影响，保证试验数据的准确可靠。

【参考文献】

[1]谢建华.质量管理体系ISO9001&TS16949;最新應用实务[M].北京，中国经济出版社，2013.

[2]黄晓斌.测量系统分析在集成电路测试中的应用[D].天津大学，2012.

[3]李耀江，杜世昌.测量系统分析在品质控制中的运用[J]. 机械制造与自动化，2010，（3）：54-55.

[4]赵莉，文昌俊.拉伸试验测量系统分析研究[J].湖北工业大学学报，2011，26（3）：4-6.

[5]李钱.测量系统分析在机动车检测站的应用[J]. 中国计量，2012，（11）：29-31.