引言

在凝膠強(qiáng)度測(cè)試中，12.7mm探頭、4mm穿刺深度、0.5mm/s速度、10℃±0.1℃溫度——這五個(gè)核心參數(shù)構(gòu)成了測(cè)試的“黃金框架"。然而，在這些廣為人知的參數(shù)之外，還有一個(gè)位于測(cè)試起點(diǎn)的關(guān)鍵設(shè)置，常常被操作人員忽視或與“觸發(fā)力"混淆——預(yù)加載力（Preload Force） 。

預(yù)加載力是指在正式測(cè)試開(kāi)始之前，探頭以較慢速度接近樣品表面，施加一個(gè)預(yù)設(shè)的微小力值，使探頭與樣品表面建立穩(wěn)定接觸。它的核心作用并非“測(cè)量"，而是為測(cè)量建立統(tǒng)一的起始條件。在凝膠強(qiáng)度測(cè)試中，樣品（尤其是水凝膠、明膠等軟物質(zhì)）在測(cè)試前可能存在表面不平整、輕微下垂或與探頭之間存在間隙。如果探頭直接以測(cè)試速度接觸樣品，力-位移曲線的起始點(diǎn)將因樣品狀態(tài)的不同而漂移——有的樣品在探頭接觸前就已發(fā)生微小變形，有的則存在“空行程"。預(yù)加載力的設(shè)置，正是為了消除這些起始條件的不確定性。

本文將系統(tǒng)解析預(yù)加載力的設(shè)置原理、與觸發(fā)力的本質(zhì)區(qū)別、典型設(shè)置值及操作規(guī)范，并結(jié)合GST-01凝膠強(qiáng)度測(cè)試儀的功能特點(diǎn)，說(shuō)明如何通過(guò)預(yù)加載力的精準(zhǔn)設(shè)置保障凝膠強(qiáng)度數(shù)據(jù)的可靠性。

一、預(yù)加載力的核心作用：為什么測(cè)試需要“先輕輕碰一下"？

1. 消除樣品松弛與空行程

凝膠樣品在測(cè)試前的狀態(tài)并非理想的一致。水凝膠可能因自重而輕微下垂，明膠凝膠表面可能因脫?；蜣D(zhuǎn)移而存在微小的不平整，樣品瓶的放置也可能存在微小的間隙。如果探頭在正式測(cè)試前與樣品表面之間存在“空行程"，探頭需要先走完這段空行程才能接觸樣品——而這段空行程的距離因樣品而異，導(dǎo)致力-位移曲線的起始位移不一致。

預(yù)加載力的核心作用，就是在正式記錄數(shù)據(jù)之前，先以一個(gè)小力值使探頭與樣品表面建立確定的接觸。研究表明，在水凝膠的力學(xué)測(cè)試中，應(yīng)用預(yù)加載力（如0.01N）的目的是“防止樣品在測(cè)量開(kāi)始前下垂，并確保一個(gè)確定的起始位置"。這一“確定起始位置"的建立，是后續(xù)所有力值和位移數(shù)據(jù)具有可比性的前提。

2. 統(tǒng)一測(cè)試的初始接觸狀態(tài)

不同樣品、不同批次之間的凝膠表面狀態(tài)可能存在差異——有的樣品表面平整、探頭接觸即受力，有的樣品表面存在微小的凹凸，探頭需要“探入"一定深度才能建立穩(wěn)定接觸。如果不對(duì)初始接觸狀態(tài)進(jìn)行統(tǒng)一，測(cè)得的力-位移曲線在起始段就會(huì)出現(xiàn)差異——有的曲線起點(diǎn)“偏右"（存在空行程），有的曲線起點(diǎn)“偏左"（探頭已壓入樣品）。

預(yù)加載力通過(guò)施加一個(gè)統(tǒng)一預(yù)設(shè)的微小力值，強(qiáng)制性地將所有樣品的初始接觸狀態(tài)“拉平"到同一個(gè)基準(zhǔn)上。這一原理在軟物質(zhì)力學(xué)測(cè)試中已被廣泛采納——在聚電解質(zhì)水凝膠的測(cè)試中，預(yù)加載力0.01N被應(yīng)用于水凝膠樣品，以在0.05mm/s的測(cè)試速度下建立統(tǒng)一的起始條件。

3. 防止樣品在測(cè)試前發(fā)生滑移

對(duì)于放置在測(cè)試臺(tái)上的凝膠樣品（尤其是圓柱形樣品），如果探頭以較高的測(cè)試速度直接接觸樣品，可能產(chǎn)生側(cè)向推力，使樣品在受力初期發(fā)生微小滑移。預(yù)加載力以較慢的“預(yù)測(cè)試速度"接近樣品，可以在不產(chǎn)生沖擊的情況下建立穩(wěn)定接觸，有效防止樣品在測(cè)試開(kāi)始前發(fā)生位移。

二、預(yù)加載力與觸發(fā)力的本質(zhì)區(qū)別

1. 功能定位不同

預(yù)加載力與觸發(fā)力是凝膠強(qiáng)度測(cè)試中兩個(gè)功能不同的參數(shù)，但常常被操作人員混淆。

預(yù)加載力的功能是建立起始條件——在正式測(cè)試開(kāi)始之前，使探頭與樣品表面建立確定的、可重復(fù)的接觸狀態(tài)。它作用于測(cè)試的“準(zhǔn)備階段" 。

觸發(fā)力的功能是啟動(dòng)數(shù)據(jù)記錄——當(dāng)探頭接觸樣品并施加的力值達(dá)到預(yù)設(shè)的觸發(fā)力時(shí)，儀器開(kāi)始正式記錄力-位移數(shù)據(jù)。它作用于測(cè)試的“啟動(dòng)時(shí)刻" 。

兩者的關(guān)系可以概括為：預(yù)加載力在觸發(fā)力之前起作用。預(yù)加載力建立接觸，觸發(fā)力啟動(dòng)記錄。在多數(shù)質(zhì)構(gòu)儀的操作邏輯中，探頭先以“預(yù)測(cè)試速度"下降，當(dāng)檢測(cè)到的力值達(dá)到觸發(fā)力時(shí)，儀器開(kāi)始記錄數(shù)據(jù)并切換到“測(cè)試速度"。而預(yù)加載力則是在這一過(guò)程之前，確保探頭與樣品之間已經(jīng)存在一個(gè)穩(wěn)定的、微小的接觸力。

2. 參數(shù)設(shè)置的獨(dú)立性

在某些儀器的設(shè)置界面中，預(yù)加載力和觸發(fā)力是兩個(gè)獨(dú)立的可調(diào)參數(shù)；在另一些儀器中，預(yù)加載力可能作為一個(gè)“預(yù)壓"步驟由程序自動(dòng)執(zhí)行，而觸發(fā)力則是用戶設(shè)定的數(shù)據(jù)記錄起始閾值。

關(guān)鍵區(qū)別：預(yù)加載力通常是一個(gè)力值（如0.01N、0.05N），觸發(fā)力也是一個(gè)力值（如5g、0.05N），但兩者的作用時(shí)機(jī)不同。預(yù)加載力在“接觸建立"階段起作用，觸發(fā)力在“數(shù)據(jù)記錄啟動(dòng)"階段起作用。

3. 常見(jiàn)混淆：預(yù)加載力≠觸發(fā)力

在實(shí)際操作中，一個(gè)常見(jiàn)的誤區(qū)是將預(yù)加載力與觸發(fā)力設(shè)置為相同的值，或認(rèn)為“設(shè)置了觸發(fā)力就不需要預(yù)加載力"。這種做法的問(wèn)題在于：如果觸發(fā)力設(shè)置得較高（如5g），探頭在接觸樣品后需要施加5g的力才開(kāi)始記錄數(shù)據(jù)——而此時(shí)樣品可能已經(jīng)發(fā)生了不可忽略的微小變形，這部分變形未被記錄在力-位移曲線中，導(dǎo)致曲線起始段的信息缺失。

預(yù)加載力與觸發(fā)力的合理配置應(yīng)當(dāng)是：預(yù)加載力設(shè)置為一個(gè)極小的值（如0.01N），僅用于建立接觸；觸發(fā)力設(shè)置為一個(gè)略大于預(yù)加載力的值（如0.05N），用于啟動(dòng)數(shù)據(jù)記錄。這樣，探頭在建立接觸后、啟動(dòng)記錄前，施加的力值極小，不會(huì)對(duì)樣品造成可測(cè)量的變形。

三、預(yù)加載力的典型設(shè)置值與依據(jù)

1. 水凝膠類樣品的典型預(yù)加載力

在學(xué)術(shù)研究和行業(yè)實(shí)踐中，水凝膠類軟材料的預(yù)加載力通常設(shè)置在0.01N至0.05N之間。

研究顯示，在雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠的循環(huán)拉伸測(cè)試中，0.01N的預(yù)加載力被用于防止樣品下垂并確保起始位置。在聚電解質(zhì)水凝膠作為軟骨替代材料的測(cè)試中，同樣采用了0.01N的預(yù)加載力，測(cè)試速度為0.05mm/s。在3D打印水凝膠圓盤(pán)的壓縮測(cè)試中，0.05N的預(yù)加載力被輸入作為測(cè)試參數(shù)。

對(duì)于水凝膠的剪切模量測(cè)量，研究建議施加0.1N至0.3N之間的輕微壓縮力，典型值為0.2N。

2. 明膠/凝膠強(qiáng)度測(cè)試中的預(yù)加載力考量

2025年版《中國(guó)藥典》0634通則及GB 6783-2013標(biāo)準(zhǔn)未對(duì)“預(yù)加載力"作出單獨(dú)的參數(shù)規(guī)定。標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的“觸發(fā)力"通常為5g（約0.05N）左右。

然而，從測(cè)試方法學(xué)的角度，明膠Bloom測(cè)試中是否需要額外的預(yù)加載步驟，取決于儀器的接觸檢測(cè)機(jī)制。如果儀器采用“力值觸發(fā)"方式啟動(dòng)數(shù)據(jù)記錄（即探頭接觸到樣品并達(dá)到觸發(fā)力時(shí)開(kāi)始記錄），那么觸發(fā)力本身在一定程度上起到了“建立接觸"的作用。但如果儀器采用“位移觸發(fā)"或“位置觸發(fā)"方式，則需要通過(guò)預(yù)加載力來(lái)確保探頭與樣品表面的穩(wěn)定接觸。

在實(shí)際操作中，建議的做法是：在正式測(cè)試前，以較慢的預(yù)測(cè)試速度使探頭接近樣品表面，施加一個(gè)不超過(guò)觸發(fā)力的小預(yù)加載力，確認(rèn)接觸建立后再啟動(dòng)正式測(cè)試。

3. 預(yù)加載力的量程原則

預(yù)加載力的設(shè)置應(yīng)遵循一個(gè)基本原則：足夠小以避免對(duì)樣品造成可測(cè)量的預(yù)變形，足夠大以可靠地建立接觸并消除空行程。

對(duì)于凝膠強(qiáng)度測(cè)試，典型量級(jí)的預(yù)加載力為0.01N（約1g）至0.05N（約5g） 。這一量級(jí)的力值對(duì)于明膠凝膠（Bloom值通?！?00g）的影響可以忽略不計(jì)——0.05N的預(yù)加載力僅相當(dāng)于Bloom值的0.025%，不會(huì)對(duì)后續(xù)測(cè)量產(chǎn)生實(shí)質(zhì)性影響。

四、預(yù)加載力的操作規(guī)范與注意事項(xiàng)

1. 預(yù)加載力的設(shè)置步驟

第一步：確認(rèn)儀器接觸檢測(cè)方式。查閱儀器操作手冊(cè)，確認(rèn)儀器是否具有獨(dú)立的“預(yù)加載力"設(shè)置項(xiàng)，或是否通過(guò)“預(yù)測(cè)試速度"與“觸發(fā)力"的組合來(lái)實(shí)現(xiàn)類似功能。

第二步：設(shè)置預(yù)加載力值。根據(jù)樣品特性選擇預(yù)加載力——水凝膠類樣品推薦0.01N~0.05N；明膠凝膠類樣品推薦不超過(guò)觸發(fā)力的50% 。

第三步：設(shè)置預(yù)測(cè)試速度。預(yù)測(cè)試速度應(yīng)低于測(cè)試速度，通常設(shè)置為測(cè)試速度的一半或更低。研究表明，預(yù)測(cè)試速度不應(yīng)超過(guò)3mm/s，以獲得最佳的初始數(shù)據(jù)采集和最準(zhǔn)確的起始點(diǎn)。

第四步：執(zhí)行預(yù)加載。啟動(dòng)測(cè)試程序，觀察探頭以預(yù)測(cè)試速度下降并接觸樣品，當(dāng)力值達(dá)到預(yù)加載力設(shè)定值時(shí)，儀器自動(dòng)切換至測(cè)試速度并開(kāi)始正式記錄數(shù)據(jù)。

2. 預(yù)加載力設(shè)置過(guò)高的風(fēng)險(xiǎn)

如果預(yù)加載力設(shè)置過(guò)高（如超過(guò)觸發(fā)力的數(shù)倍），探頭在建立接觸的過(guò)程中已經(jīng)對(duì)樣品施加了可測(cè)量的預(yù)變形。這部分變形未被記錄在正式的力-位移曲線中，導(dǎo)致：

• 曲線起始段缺失——樣品在正式記錄前的彈性變形未被捕捉

• 峰值力可能偏低——樣品在預(yù)加載階段已發(fā)生部分塑性變形，正式測(cè)試時(shí)抵抗能力下降

• 數(shù)據(jù)不可比——不同樣品的預(yù)加載階段變形量不同，起始條件不一致

3. 預(yù)加載力設(shè)置過(guò)低的后果

如果預(yù)加載力設(shè)置過(guò)低（如低于儀器的噪聲水平），探頭可能在未真正接觸樣品的情況下就被判定為“已接觸"，導(dǎo)致：

• 空行程被納入測(cè)試范圍——曲線起始段出現(xiàn)一段無(wú)意義的“零力值"區(qū)域

• 位移起點(diǎn)偏移——穿刺深度的計(jì)算基準(zhǔn)不準(zhǔn)確

• 樣品滑移風(fēng)險(xiǎn)——接觸不充分時(shí)，探頭以測(cè)試速度接觸樣品可能產(chǎn)生側(cè)向推力

五、GST-01凝膠強(qiáng)度測(cè)試儀的預(yù)加載力設(shè)置方案

濟(jì)南西奧機(jī)電有限公司的GST-01凝膠強(qiáng)度測(cè)試儀，嚴(yán)格依據(jù)2025版《中國(guó)藥典》四部通則0634《凝膠強(qiáng)度測(cè)定法》及GB 6783-2013標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，在預(yù)加載力與觸發(fā)力的協(xié)同設(shè)置方面具備以下特點(diǎn)：

預(yù)置標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試模板：GST-01內(nèi)置“中國(guó)藥典2025版明膠凝膠強(qiáng)度"專用測(cè)試模板，一鍵調(diào)用即可自動(dòng)加載0.5mm/s測(cè)試速度、4mm穿刺深度、12.7mm探頭規(guī)格等藥典參數(shù)。模板中同時(shí)預(yù)置了推薦的預(yù)測(cè)試速度與觸發(fā)力設(shè)置，操作人員無(wú)需手動(dòng)逐項(xiàng)調(diào)整。

力-位移曲線實(shí)時(shí)顯示與起始點(diǎn)校驗(yàn)：測(cè)試過(guò)程中實(shí)時(shí)顯示力-位移曲線。操作人員可直觀檢查曲線起始段是否正?！绻€起始段存在一段“零力值"區(qū)域，提示預(yù)加載力可能設(shè)置過(guò)低，空行程未被消除；如果曲線起始段直接進(jìn)入陡峭上升，提示預(yù)加載力可能設(shè)置過(guò)高，樣品在記錄前已發(fā)生預(yù)變形。

多量程力值精度保障：GST-01采用高精度力量感應(yīng)元，檢測(cè)精度達(dá)0.5%F.S. ，力值分辨率0.01N。這一精度水平能夠精準(zhǔn)識(shí)別0.01N量級(jí)的預(yù)加載力——預(yù)加載力的作用對(duì)象是“接觸的建立"，而非“強(qiáng)度的測(cè)量"，需要儀器具備足夠的低力值分辨能力。

標(biāo)準(zhǔn)化操作流程嵌入：GST-01配套的操作規(guī)程中明確了預(yù)加載力與觸發(fā)力的設(shè)置原則——預(yù)加載力不超過(guò)觸發(fā)力的50%，預(yù)測(cè)試速度不超過(guò)測(cè)試速度的一半。操作人員按SOP執(zhí)行即可確保每一次測(cè)試的起始條件一致。

六、結(jié)語(yǔ)

預(yù)加載力，是凝膠強(qiáng)度測(cè)試中位于“測(cè)量"之前的“準(zhǔn)備"環(huán)節(jié)。它的作用不是測(cè)量凝膠有多強(qiáng)，而是確保測(cè)量從一個(gè)確定的、可重復(fù)的起點(diǎn)開(kāi)始。

從消除樣品松弛到統(tǒng)一初始接觸狀態(tài)，從防止樣品滑移到保障位移基準(zhǔn)的準(zhǔn)確性——預(yù)加載力的設(shè)置原理，本質(zhì)上是為凝膠強(qiáng)度測(cè)試建立一個(gè)“零基準(zhǔn)"。沒(méi)有這個(gè)基準(zhǔn)，12.7mm探頭、4mm深度、0.5mm/s速度這些核心參數(shù)的測(cè)量精度，都將因起始條件的漂移而失去意義。

對(duì)于凝膠強(qiáng)度測(cè)試的操作人員而言，理解預(yù)加載力與觸發(fā)力的區(qū)別、掌握預(yù)加載力的典型設(shè)置值（0.01N~0.05N）、遵循“預(yù)加載力不超過(guò)觸發(fā)力50%"的操作原則，是獲得可重復(fù)、可比較的凝膠強(qiáng)度數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)。濟(jì)南西奧機(jī)電有限公司GST-01凝膠強(qiáng)度測(cè)試儀，以藥典標(biāo)準(zhǔn)模板預(yù)置、力-位移曲線實(shí)時(shí)校驗(yàn)、高精度低力值分辨能力為核心優(yōu)勢(shì)，助力明膠及凝膠材料生產(chǎn)企業(yè)將預(yù)加載力這一“起點(diǎn)校準(zhǔn)"環(huán)節(jié)落到實(shí)處，讓每一份Bloom值數(shù)據(jù)都從一個(gè)確定的起點(diǎn)出發(fā)。