孫 馳 盧 銳 孫 文 黃 岱 何高法

(重慶科技學院 機械與動力工程學院， 重慶 401331)

0 前 言

隨著醫(yī)藥行業(yè)的快速發(fā)展，固體制劑微量測量技術由原來的人工抽樣測量逐漸轉變?yōu)檫^程分析技術(process analytical technology,PAT)[1-4]。在PAT中，即使顆粒的大小和形狀只存在細微差異，也會顯著影響顆粒產品性能的測量。結晶、干燥、研磨、混合等生產流程都可能導致產品發(fā)生變化，因此必須對流程進行精密控制[5-8]。傳統(tǒng)的質量測量方法通常無法精確地控制生產流程的變量，而生產流程中的質量保證和控制直接關系到生命安全[9-11]，這就要求固體制劑微量測量方法具有高效性和準確性。因此，發(fā)展?jié)M足現(xiàn)代制藥生產中固體制劑微量生產質量和生產效率的連續(xù)動態(tài)測量技術非常重要[12]。

目前，國內的微質量動態(tài)測量技術是一種基于失重原理的靜態(tài)連續(xù)稱重方式[13-16]。這種稱重方式是將整個機械裝置及物料放置在稱重傳感器上，利用物料減少后與原系統(tǒng)的質量差來測量物料的減少量。該方式用于機械裝置及物料總質量在25 kg以上的物料，而藥物的有效成分質量通常為1～2 mg，這就要求傳感器的分辨率達到千萬分之一。因此，本次研究提出一種基于壓電力傳感器的預加載偏置電流補償方法，以用于顆粒劑微質量精密動態(tài)測量。

1 沖擊式測量的工作原理

1.1 測量原理

沖擊式測量技術基于動量守恒定律，其測量原理如圖1所示[17-20]。圖1中，α為顆粒沖擊角，β為測量擋板傾角，h為顆粒下落高度，F(xiàn)為顆粒沖擊測量擋板的作用力，F(xiàn)1為F垂直于測量擋板的分力，F(xiàn)2為F沿測量擋板斜面向下的分力。顆粒從料倉中垂直下落，以一定大小和方向的力沖擊到測量擋板斜面上，可以通過斜面下方的力傳感器測量顆粒沖擊到測量擋板時的沖擊力。

圖1 沖擊式測量原理

圖2 顆粒瞬時速度的矢量分解

由動量守恒定律可得：

Ft=m(v-v′)

(1)

式中：m—— 顆粒質量；

t—— 沖擊時間。

由上述分析可得：

(2)

(3)

由三角函數(shù)關系可得：

(4)

(5)

(6)

由于力傳感器安裝在測量擋板下方，因此只需考慮垂直方向的作用力F。由F的計算公式可知，在沖擊測量裝置安裝完成后，α、β、h為常數(shù)，F(xiàn)與m成線性關系。當α、β、h確定時，微質量顆粒連續(xù)測量的靈敏度、分辨率和穩(wěn)定性取決于力傳感器的靈敏度。

1.2 空氣阻力分析

垂直下落球體在運動中受到重力和空氣阻力的作用，積分方程如式(7)所示：

(7)

式中：xg—— 小球下落的加速度，m/s2；

ρ—— 空氣密度，ρ=1.29×10-3kg/m3；

r—— 半徑，r的取值范圍為0.35～1.00 mm；

x—— 小球下落速度，m/s；

μ—— 空氣黏度，μ= 1.81×10-5Pa·s。

通過Matlab對數(shù)值進行求解，當下落高度為0.15 m時，對實際速度與理論速度進行比較(見表1)可知，由空氣阻力產生的最小誤差低于0.5%、最大誤差低于4.6%，因此在微質量測量時，空氣阻力產生的影響可忽略不計。

表1 實際速度與理論速度的對比

2 預加載補償法

2.1 電荷信號測試原理

當壓電石英力傳感器受到沖擊載荷時，壓電石英晶體產生電荷，其電荷量與所受的載荷成正比，可通過電荷放大器將電荷信號轉換為電壓信號進行測量。電荷轉換單元工作原理如圖3所示，反饋電容C1與電荷放大倍數(shù)相關，電容量越小，輸出電壓越大；反饋電阻R1與電荷泄漏速度相關，電阻值越大，電荷泄漏越慢。

圖3 電荷轉換單元工作原理

壓電石英晶體的壓電常數(shù)為0.04 pc/g，質量為1 mg的小球下落產生的沖擊力使壓電石英力傳感器產生的電荷量非常微小，為4 × 10-5pc，因此電荷轉換單元進行電荷放大轉換時，需要選擇極小的反饋電容C1(10-14F)，才能將電荷放大轉換成工控系統(tǒng)能夠接受的最小信號值。時間常數(shù)是影響放電速度的關鍵參數(shù)，τ=R×C。反饋電容C1的電容值越小，時間常數(shù)越小，越容易導致力傳感器產生的微弱電荷在電路中泄漏。當沖擊信號未達到峰值時，部分電荷已經泄漏，檢測系統(tǒng)所得的信號將會小于真實信號，從而導致測量結果產生誤差。為了減小測量誤差，電荷放大器的反饋電阻數(shù)量級應在1010Ω以上，以加大時間常數(shù)，減緩放電速度。

2.2 降低閾值及精度補償方法

傳統(tǒng)電荷放大器的反饋電阻不宜太高。高輸入阻抗運算放大器由各種三極管和電路組成，為了使三極管工作在放大區(qū)，需要偏置電路為三極管提供偏置電流。但運算放大器要求盡可能寬的共模輸入電壓范圍, 且都是直接耦合的，不能在芯片上集成提供偏置電流的電流源，因此設計成基極開路, 由外電路提供電流，即由反饋電阻提供偏置電流。當反饋電阻值太大、通過的電流太小時，不足以提供三極管的偏置電流，導致運算放大器閾值變高，不能正常工作。

本次研究采用超高阻值反饋電阻(1012Ω)的電荷轉換單元，并對壓電石英力傳感器施加20 N的預加載荷。超高阻值反饋電阻能夠減緩電荷泄漏速度，減小測量誤差，提高測量精度；同時，對壓電石英力傳感器施加的預加載荷能夠使傳感器產生電荷，從而為運算放大器提供額外的偏置電流。

3 實驗平臺的搭建

沖量式測量模型如圖4所示，將氣缸固定在支架底板中心，氣缸的推桿與測量擋板通過螺紋相聯(lián)，氣缸推桿穿過壓電石英力傳感器，放置于氣缸與測量擋板底部之間。當打開氣缸閥門時，推桿推動壓電石英力傳感器和測量擋板上升，上升到一定高度時，測量擋板上方受到支架限位釘?shù)南拗?。此時，壓電石英力傳感器受到一個穩(wěn)定的靜載荷，能夠有效地實現(xiàn)預加載偏置電流補償。

設顆粒下落高度為0.15 m，為了避免固體制劑與測量擋板發(fā)生二次撞擊，測量擋板與水平面的夾角為60°，底板長60 mm、寬60 mm。為了使物料落在擋板上的速度在整個測量過程中保持恒定不變或小范圍變動，在支架上方設計放料料斗。在料斗偏測量擋板的一側設有出料口，且微微傾斜一定角度，使料斗中的顆粒能夠自由下落。為了防止顆粒落在測量擋板邊緣時，壓電力石英傳感器產生邊緣效應，將出料口與壓電力石英傳感器放置在同一垂直線上，以提高測量精度。

圖4 沖量式測量模型

實驗平臺由氣動回路、測量擋板、壓電石英力傳感器、電荷放大器、數(shù)據(jù)采集卡和PC上位機等組成。氣動回路由減壓閥、兩位三通電磁換向閥和氣缸等組成。氣動回路壓力通過減壓閥調節(jié)(氣壓設定為0.4 MPa)，氣缸垂直安放在測量擋板和力傳感器的下方，通過兩位三通電磁換向閥來控制氣缸伸縮，以實現(xiàn)壓電石英力傳感器的加載和卸載。送料支架中的顆粒作自由落體運動，顆粒落在測量擋板上時，壓電石英力傳感器受到沖擊而產生電荷信號，該信號經由電荷轉換單元轉換為電壓信號。數(shù)據(jù)采集卡將采集到的電壓信號傳輸?shù)絧c端，由圖像處理軟件對其進行處理和分析。

4 實驗結果分析

4.1 測量分辨力分析

采用若干不同半徑的球形顆粒作連續(xù)測量實驗，通過顆粒的最小質量差來判斷分辨力。使用百靈電子精密天平(LAC214)對顆粒進行稱重，每次取半徑相同的100顆球形顆粒進行稱重，取其平均值作為顆粒質量。測量實驗結果如表2所示，測試信號實驗結果如圖5所示。最小檢測質量為1.424 mg，電壓為1.551 mV，計算得出測量分辨力為10-3mg。

4.2 靈敏度分析

為了驗證預加載偏置電流補償方法的有效性，對力傳感器的兩種狀態(tài)進行實驗(見圖6)。不對壓電石英力傳感器施加預加載靜載荷，使其與測量擋板自然接觸，將顆粒放入料倉中進行測量，測量結果如圖6a所示；通過氣缸對壓電石英力傳感器與測量擋板施加20 N的靜載荷，將顆粒放入料倉中進行測量，測量結果如圖6b所示。

表2 測量實驗結果

圖5 測試信號實驗結果

由實驗結果可知，當不對壓電石英力傳感器施加預加載靜載荷時，測量系統(tǒng)的最小檢測量為200 g，電壓為1.43 mV；當對壓電石英力傳感器施加預加載靜載荷時，測量系統(tǒng)的最小檢測量為1.424 mg，電壓為1.55 mV。因此，預加載偏置電流補償方法能夠有效地降低系統(tǒng)閾值和提高靈敏度。

4.3 穩(wěn)定性分析

穩(wěn)定性公式如式(8)所示：

(8)

式中：S2—— 樣本數(shù)據(jù)方差；

n—— 樣本數(shù)量；

由此得出，S2=0.000 09 < 10-4，說明樣本數(shù)據(jù)較為穩(wěn)定，測量系統(tǒng)的穩(wěn)定性較好。

圖6 壓電石英力傳感器靈敏度的對比

4.4 線性分析

對實驗數(shù)據(jù)作線性擬合分析，擬合曲線如圖7所示，R2=0.999 33。可以看出，實驗數(shù)據(jù)的線性度高，可靠性較好。

圖7 擬合曲線

5 結 語

本次研究以壓電石英力傳感器為測力元件，利用沖擊式測量技術進行測量，通過對力傳感器預加載補償偏置電流來降低電荷，放大電路閾值，提高測量精度。在高靈敏度狀態(tài)下，測量系統(tǒng)的最小分辨力為10-3mg，最小測量值為1.5 mg，有效地提高了測量靈敏度與分辨力，具有結構簡單、成本低、穩(wěn)定性好、線性度高、使用方便等優(yōu)點 。