利用组合式力传感器设计片剂硬度仪测量装置*

蒋帆 张皓羽 刘一 康张宜 郑熙云 李矛 郭飚 / 上海市计量测试技术研究院

0 引言

片剂硬度是指在特定平面内两个压盘间产生足够的压力使片剂断裂的压力强度，国际普遍采用力值或质量值来定量评价片剂硬度[1]。片剂的给药形式多种多样，包括快速崩解、缓慢崩解、溶蚀、供咀嚼以及锭剂[2]，每种形式对其被压制骨架的黏合力、结构和完整性具有特定的要求[3]，在一定程度上影响片剂的崩解度和释放度[4]。不同结构的片剂需要不同的硬度值[5]，正确反映和测试片剂硬度对于片剂的生产和科研、保证临床用药的准确性等方面均具有重要作用。

目前，片剂硬度仪主要分布在药片研发生产企业和药片检测机构[6]，随着生物医药和食品安全的发展，测试片剂硬度的片剂硬度仪使用需求和使用频次不断增加，为了表征片剂断裂随机变化的片剂硬度，片剂硬度仪的测量范围不断扩大。国内企业根据行业标准的要求生产片剂硬度仪[7]，由于没有片剂硬度仪专用的国家标准和校准规范，大部分检测机构通过拆卸片剂硬度仪传感器的方式，施加标准砝码进行标定[8]，然而利用砝码加载很难保障每次叠放砝码中心不偏移，且砝码叠加数量增加，导致需时刻注意设备以及人员的安全。有些机构使用单一传感器和夹具测量小量程片剂硬度仪[9]，由于片剂硬度仪测量范围不断扩大，单一传感器的测量范围无法满足宽量程片剂硬度仪的测量需求。

常用力传感器的工作范围一般仅限定在额定力值的10%～100%，超出下限或上限时其准确度很难保证。对于以片剂断裂力表征的片剂硬度，硬度大小具有很强的不确定性和随机性，单一的力传感器很难满足测量范围及准确度要求[10]。本文提出了一种基于组合式的力传感器测量结构，通过对小量程和大量程力传感器的转换，扩大测量范围。

1 组合式力传感器结构

组合式力传感器包括依次连接的大量程力传感器、控制开关、小量程力传感器和限位结构。如图1 所示，大量程力传感器和小量程力传感器为串联连接，控制开关和小量程力传感器设于限位机构内。

图1 组合式力传感器结构

施加载荷F后，测量范围为小量程时，控制开关打开，小量程力传感器为工作状态，如图2 所示。大量程力传感器受到的力F0等于小量程力传感器的受力F1，此时组合式传感器以小量程力传感器的输出为准；测量范围为大量程时，控制开关关闭，限位结构保护小量程力传感器形变受限，小量程力传感器为关闭状态，如图3 所示。控制开关旋紧后，由于机械限制，此时小量程力传感器测得的力值保持在F2，且F2不大于小量程力传感器的额定测量值。超出F2的力由限位结构承载，此时组合式力传感器以大量程力传感器的输出为准。为保证测量的准确度水平，控制开关和限位结构保证足够的刚性，在控制开关与限位结构接触后，能保持小量程力传感器受力相对恒定。同时，为保证组合式力传感器测量的连续性，大量程力传感器的量程下限不应大于小量程力传感器的量程上限。

图2 小量程力传感器工作状态

图3 小量程力传感器关闭状态

2 片剂硬度仪测量装置

由于片剂硬度仪压片试验空间狭小，且试验只有在片剂断裂后停止，无法控制其施加的载荷，因此将组合式力传感器结构连接外伸式拉向支架，搭配加载机构组成片剂硬度仪测量装置，在不拆卸片剂硬度仪条件下，对片剂硬度仪自动加载相应载荷，实现片剂硬度仪的自动化测量。

如图4 所示，测量装置包括承载工作台、固定于承载工作台上方的升降机构和设置于升降机构上的水平加载机构。承载工作台上设有操作控制及显示屏，由主机根据操作控制及显示屏输入的信息进行数据传输及控制运行。升降机构包括竖向布置的螺纹杆和固定于螺纹杆顶端的升降平台，设于承载工作台旁侧的升降旋钮与螺纹杆采用螺旋传动机构连接，通过升降旋钮的旋转来带动升降机构的高度升降调节。水平加载机构包括步进电机和与步进电机传动轴连接的螺纹丝杆，以及联动的测量机构，步进电机位于保护罩内，带动整个水平加载机构及测量机构做水平方向运动。测量机构包括相互连接的外伸式拉向支架和组合式力传感器结构，外伸式拉向支架为半框式支架结构，设于测量端，并在测量端的框架内侧设有用于测量时抵住片剂硬度仪压片试验台的加载压头，操作控制及显示屏、步进电机、大量程力传感器、小量程力传感器均与主机电路连接，测量装置由主机根据操作控制及输入显示器的信息进行数据传输及控制运行。

图4 片剂硬度仪测量装置结构

3 自动化控制原理

如图5 所示，为了实现自动化控制，大量程和小量程力传感器的输出信号分别进入主机中独立对应的调理电路和模拟变换器（ADC）芯片中，将力传感器的模拟信号转换为数字信号后接入微控制器[11]。微控制器控制加载步进电机的运动，实时反馈，进行加载卸载控制，微控制器负责力传感器信号处理的ADC 芯片和步进电机驱动芯片进行通信，实现示值采集处理以及装置的机电运动控制工作。

图5 自动化控制原理

核心处理器和微控制器通过串口进行数据交换，实现数据在操作控制及显示器显示。操作控制及显示屏采用人机界面，实现基本的控制和显示，以及控制指令的传输。通过人机界面输入的信息，实现片剂硬度仪测量装置加载、卸载和数据采集的自动化控制。

4 片剂硬度仪测量方法

根据制药机械行业标准JB/T 20104—2022《片剂硬度仪》，片剂硬度仪的硬度值示值允许误差为±2%。目前，企业使用的片剂硬度仪测量范围上限达到500 N，实际使用过程中，大多数片剂硬度仪的硬度值示值误差为±1%。

根据企业使用情况，参照工作测力仪[12]和标准测力仪[13]检定规程的方法和要求，在测量范围内选择8 个点，每一点施加的标准负荷用Fi表示，各点大致均匀分布，一般为测量范围Fmax的2%、5%、10%、20%、40%、60%、80%和100%。重复进行3 次测量，每次测量前调回零点，3 次示值的算术平均值作为测量结果，片剂硬度仪的示值误差δ为

F—— 标准负荷

5 不确定度评定实例

片剂硬度仪示值误差的不确定度来源包括：装置的标准不确定度、重复测量引入的标准不确定度以及加载位置不均衡引入的标准不确定度。

5.1 测量模型

式中：Y—— 片剂硬度仪硬度值；

X—— 测量装置施加的标准负荷；

ΔX—— 片剂硬度仪的示值误差

5.2 标准不确定度u 的评定

测量装置准确度等级为0.1 级，半宽为0.1%，使用B 类方法进行评定，服从均匀分布，计算得到装置的标准不确定度u1。

通过重复测量10 次，得到样本的实验标准差s（表1）及重复测量引入的标准不确定度u2。

表1 测量结果的平均值和实验标准差

表 2 比对试验结果

根据以往经验，加载位置不均衡引起的误差为±0.1%，半宽为0.1%，使用B 类方法进行评定，服从均匀分布，计算得到加载位置不均衡引入的标准不确定度u3。

5.3 扩展不确定度的评定

根据不确定度传播律，得到测量结果的合成标准不确定度：

取包含因子k= 2，测量结果的扩展不确定度为

6 比对试验验证

为验证利用组合式力传感器设计的片剂硬度仪测量装置用于片剂硬度仪实验室校准可靠程度，针对同一台准确度等级不优于1 级的片剂硬度计（满量程500 N），分别利用标准力值砝码（相对扩展不确定度为0.1%）和片剂硬度仪测量装置（相对扩展不确定度为0.3%）校准结果进行对比，计算两种测量方法校准结果的En值，实验结果如表2。

式中：X—— 标准力值砝码校准结果；

x—— 片剂硬度仪测量装置校准结果；

U1—— 标准力值砝码校准结果扩展不确定度；

U2—— 片剂硬度仪测量装置校准结果扩展不确定度

实验结果表明，在不同的标准负荷下，均满足|En|≤1，确定利用组合式力传感器设计的片剂硬度仪测量装置适用于准确度等级不优于1 级的片剂硬度仪实验室校准。

7 结语

本文针对片剂硬度仪测量特性进行研究，提出了一种基于组合式力传感器的测量装置，通过对小量程和大量程力传感器的切换，装置的测量范围从测量上限的10%～100%扩展到2%～100%。利用测量数据对片剂硬度仪的示值误差进行不确定度评定，通过比对验证确定利用组合式力传感器设计片剂硬度仪测量装置适用于准确度等级不优于1 级的片剂硬度仪的实验室校准，确保片剂硬度仪测量结果准确可靠。