引言

在凝膠強度測試中，12.7mm探頭、4mm穿刺深度、0.5mm/s速度、10℃±0.1℃溫度——這五個核心參數構成了測試的“黃金框架"。然而，在這些廣為人知的參數之外，還有一個位于測試起點的關鍵設置，常常被操作人員忽視或與“觸發(fā)力"混淆——預加載力（Preload Force） 。

預加載力是指在正式測試開始之前，探頭以較慢速度接近樣品表面，施加一個預設的微小力值，使探頭與樣品表面建立穩(wěn)定接觸。它的核心作用并非“測量"，而是為測量建立統(tǒng)一的起始條件。在凝膠強度測試中，樣品（尤其是水凝膠、明膠等軟物質）在測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。如果探頭直接以測試速度接觸樣品，力-位移曲線的起始點將因樣品狀態(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"。預加載力的設置，正是為了消除這些起始條件的不確定性。

本文將系統(tǒng)解析預加載力的設置原理、與觸發(fā)力的本質區(qū)別、典型設置值及操作規(guī)范，并結合GST-01凝膠強度測試儀的功能特點，說明如何通過預加載力的精準設置保障凝膠強度數據的可靠性。

一、預加載力的核心作用：為什么測試需要“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，導致力-位移曲線的起始位移不一致。

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

2. 統(tǒng)一測試的初始接觸狀態(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。如果不對初始接觸狀態(tài)進行統(tǒng)一，測得的力-位移曲線在起始段就會出現(xiàn)差異——有的曲線起點“偏右"（存在空行程），有的曲線起點“偏左"（探頭已壓入樣品）。

預加載力通過施加一個統(tǒng)一預設的微小力值，強制性地將所有樣品的初始接觸狀態(tài)“拉平"到同一個基準上。這一原理在軟物質力學測試中已被廣泛采納——在聚電解質水凝膠的測試中，預加載力0.01N被應用于水凝膠樣品，以在0.05mm/s的測試速度下建立統(tǒng)一的起始條件。

3. 防止樣品在測試前發(fā)生滑移

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

二、預加載力與觸發(fā)力的本質區(qū)別

1. 功能定位不同

預加載力與觸發(fā)力是凝膠強度測試中兩個功能不同的參數，但常常被操作人員混淆。

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

觸發(fā)力的功能是啟動數據記錄——當探頭接觸樣品并施加的力值達到預設的觸發(fā)力時，儀器開始正式記錄力-位移數據。它作用于測試的“啟動時刻" 。

兩者的關系可以概括為：預加載力在觸發(fā)力之前起作用。預加載力建立接觸，觸發(fā)力啟動記錄。在多數質構儀的操作邏輯中，探頭先以“預測試速度"下降，當檢測到的力值達到觸發(fā)力時，儀器開始記錄數據并切換到“測試速度"。而預加載力則是在這一過程之前，確保探頭與樣品之間已經存在一個穩(wěn)定的、微小的接觸力。

2. 參數設置的獨立性

在某些儀器的設置界面中，預加載力和觸發(fā)力是兩個獨立的可調參數；在另一些儀器中，預加載力可能作為一個“預壓"步驟由程序自動執(zhí)行，而觸發(fā)力則是用戶設定的數據記錄起始閾值。

關鍵區(qū)別：預加載力通常是一個力值（如0.01N、0.05N），觸發(fā)力也是一個力值（如5g、0.05N），但兩者的作用時機不同。預加載力在“接觸建立"階段起作用，觸發(fā)力在“數據記錄啟動"階段起作用。

3. 常見混淆：預加載力≠觸發(fā)力

在實際操作中，一個常見的誤區(qū)是將預加載力與觸發(fā)力設置為相同的值，或認為“設置了觸發(fā)力就不需要預加載力"。這種做法的問題在于：如果觸發(fā)力設置得較高（如5g），探頭在接觸樣品后需要施加5g的力才開始記錄數據——而此時樣品可能已經發(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，導致曲線起始段的信息缺失。

預加載力與觸發(fā)力的合理配置應當是：預加載力設置為一個極小的值（如0.01N），僅用于建立接觸；觸發(fā)力設置為一個略大于預加載力的值（如0.05N），用于啟動數據記錄。這樣，探頭在建立接觸后、啟動記錄前，施加的力值極小，不會對樣品造成可測量的變形。

三、預加載力的典型設置值與依據

1. 水凝膠類樣品的典型預加載力

在學術研究和行業(yè)實踐中，水凝膠類軟材料的預加載力通常設置在0.01N至0.05N之間。

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

對于水凝膠的剪切模量測量，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/凝膠強度測試中的預加載力考量

2025年版《中國藥典》0634通則及GB 6783-2013標準未對“預加載力"作出單獨的參數規(guī)定。標準中規(guī)定的“觸發(fā)力"通常為5g（約0.05N）左右。

然而，從測試方法學的角度，明膠Bloom測試中是否需要額外的預加載步驟，取決于儀器的接觸檢測機制。如果儀器采用“力值觸發(fā)"方式啟動數據記錄（即探頭接觸到樣品并達到觸發(fā)力時開始記錄），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，則需要通過預加載力來確保探頭與樣品表面的穩(wěn)定接觸。

在實際操作中，建議的做法是：在正式測試前，以較慢的預測試速度使探頭接近樣品表面，施加一個不超過觸發(fā)力的小預加載力，確認接觸建立后再啟動正式測試。

3. 預加載力的量程原則

預加載力的設置應遵循一個基本原則：足夠小以避免對樣品造成可測量的預變形，足夠大以可靠地建立接觸并消除空行程。

對于凝膠強度測試，典型量級的預加載力為0.01N（約1g）至0.05N（約5g） 。這一量級的力值對于明膠凝膠（Bloom值通?！?00g）的影響可以忽略不計——0.05N的預加載力僅相當于Bloom值的0.025%，不會對后續(xù)測量產生實質性影響。

四、預加載力的操作規(guī)范與注意事項

1. 預加載力的設置步驟

第一步：確認儀器接觸檢測方式。查閱儀器操作手冊，確認儀器是否具有獨立的“預加載力"設置項，或是否通過“預測試速度"與“觸發(fā)力"的組合來實現(xiàn)類似功能。

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

第三步：設置預測試速度。預測試速度應低于測試速度，通常設置為測試速度的一半或更低。研究表明，預測試速度不應超過3mm/s，以獲得最佳的初始數據采集和最準確的起始點。

第四步：執(zhí)行預加載。啟動測試程序，觀察探頭以預測試速度下降并接觸樣品，當力值達到預加載力設定值時，儀器自動切換至測試速度并開始正式記錄數據。

2. 預加載力設置過高的風險

如果預加載力設置過高（如超過觸發(fā)力的數倍），探頭在建立接觸的過程中已經對樣品施加了可測量的預變形。這部分變形未被記錄在正式的力-位移曲線中，導致：

• 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——樣品在預加載階段已發(fā)生部分塑性變形，正式測試時抵抗能力下降

• 數據不可比——不同樣品的預加載階段變形量不同，起始條件不一致

3. 預加載力設置過低的后果

如果預加載力設置過低（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"，導致：

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

• 位移起點偏移——穿刺深度的計算基準不準確

• 樣品滑移風險——接觸不充分時，探頭以測試速度接觸樣品可能產生側向推力

五、GST-01凝膠強度測試儀的預加載力設置方案

濟南西奧機電有限公司的GST-01凝膠強度測試儀，嚴格依據2025版《中國藥典》四部通則0634《凝膠強度測定法》及GB 6783-2013標準設計，在預加載力與觸發(fā)力的協(xié)同設置方面具備以下特點：

預置標準測試模板：GST-01內置“中國藥典2025版明膠凝膠強度"專用測試模板，一鍵調用即可自動加載0.5mm/s測試速度、4mm穿刺深度、12.7mm探頭規(guī)格等藥典參數。模板中同時預置了推薦的預測試速度與觸發(fā)力設置，操作人員無需手動逐項調整。

力-位移曲線實時顯示與起始點校驗：測試過程中實時顯示力-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，提示預加載力可能設置過低，空行程未被消除；如果曲線起始段直接進入陡峭上升，提示預加載力可能設置過高，樣品在記錄前已發(fā)生預變形。

多量程力值精度保障：GST-01采用高精度力量感應元，檢測精度達0.5%F.S. ，力值分辨率0.01N。這一精度水平能夠精準識別0.01N量級的預加載力——預加載力的作用對象是“接觸的建立"，而非“強度的測量"，需要儀器具備足夠的低力值分辨能力。

標準化操作流程嵌入：GST-01配套的操作規(guī)程中明確了預加載力與觸發(fā)力的設置原則——預加載力不超過觸發(fā)力的50%，預測試速度不超過測試速度的一半。操作人員按SOP執(zhí)行即可確保每一次測試的起始條件一致。

六、結語

預加載力，是凝膠強度測試中位于“測量"之前的“準備"環(huán)節(jié)。它的作用不是測量凝膠有多強，而是確保測量從一個確定的、可重復的起點開始。

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的準確性——預加載力的設置原理，本質上是為凝膠強度測試建立一個“零基準"。沒有這個基準，12.7mm探頭、4mm深度、0.5mm/s速度這些核心參數的測量精度，都將因起始條件的漂移而失去意義。

對于凝膠強度測試的操作人員而言，理解預加載力與觸發(fā)力的區(qū)別、掌握預加載力的典型設置值（0.01N~0.05N）、遵循“預加載力不超過觸發(fā)力50%"的操作原則，是獲得可重復、可比較的凝膠強度數據的基礎。濟南西奧機電有限公司GST-01凝膠強度測試儀，以藥典標準模板預置、力-位移曲線實時校驗、高精度低力值分辨能力為核心優(yōu)勢，助力明膠及凝膠材料生產企業(yè)將預加載力這一“起點校準"環(huán)節(jié)落到實處，讓每一份Bloom值數據都從一個確定的起點出發(fā)。