【摘要】 本文探讨了基于加速度计的赫伯特硬度试验方法，实现便携式摆角检测。通过实验对比自由衰减曲线和相位差，证明其精度与传统激光位移传感器相当，适用于复杂产品力学性能测试。

在产品质量管理和可靠性评估中，力学性能测试至关重要。拉伸试验虽常用，但属于破坏性方法。相比之下，硬度测试如压痕法（维氏硬度）和回弹法（肖尔硬度）更受欢迎，但它们要求试样表面光滑平整。对于钻头或刀口等复杂形状产品，这些方法难以应用，此时赫伯特摆硬度试验成为理想选择。赫伯特硬度试验利用摆锤原理，但传统设备便携性低，因为摆角检测装置庞大沉重。

最近，R.Suzuki等人对赫伯特硬度计进行了创新改进。他们通过在赫伯特摆上安装紧凑型无线加速度计（AccStick6, SysCom），实现了高精度摆角检测。这一设计显著提升了便携性，同时避免了传统激光位移传感器的笨重问题。加速度计技术已在机器人姿态控制中广泛应用，通过加速度曲线计算梯度角，精度可靠。此外，添加无线通信模块支持远程数据传输，扩展了测试场景。

 

赫伯特硬度计设计与原型

为了验证这一方案，我们开发了原型设备。图1展示了装有小型无线加速度计的赫伯特钟摆实物照片。该摆锤由不锈钢框架构成，关键组件包括：两个固定黄铜砝码、左右及中心黄铜平衡砝码、SK3高碳钢压头架、硬质合金柱状压头（直径2mm，长度4mm）以及铝制反射镜。加速度计安装在摆锤中心，采样频率范围为0.1~1600Hz，确保数据采集灵活性。

图1 装有小型无线加速度计的赫伯特钟摆的照片

 

测试系统示意图如图2所示，整个装置安装在试验台上。核心组件包括电磁阀（用于摆锤固定/释放）和两个激光位移传感器（IL-100, KEYENCE）。数据通过功率放大器（IL-1000和IL-1050, KEYENCE）和模数转换器（GL220, GRAPHTEC）传输至个人计算机，实现同步记录。这一设计兼顾了传统精度和新型便携优势。

图2 提出的赫伯特硬度测试系统示意图

 

实验结果与精度分析

在赫伯特硬度测试中，我们使用加速度计获取了自由衰减曲线。结果如图3所示，曲线平滑稳定，表明加速度计能可靠捕捉摆角动态。作为对比，两种激光位移传感器获取的曲线也被绘制。分析显示，加速度计曲线与激光曲线之间存在相位差，这一差异随时间增大。具体而言，100秒后时差约增加1秒，源于加速度计中加速度传感器集成电路的RTC（实时时钟）精度限制。

图4详细展示了正负峰值相位差，加速度计测量结果与激光位移传感器数据一致，但整体硬度值略低。这归因于RTC精度问题，但在修正后，赫伯特硬度值高度吻合，误差可忽略。这一发现证明：加速度计在摆角检测中精度与传统方法相当，同时大幅减小了设备尺寸、重量和成本。

图3 加速度计和两个激光位移传感器测量的摆角正负峰值之间的相位差

 

结论与应用前景

优化后的赫伯特硬度计通过加速度计实现高精度摆角检测，无需牺牲硬度测试准确性。该方法解决了传统设备便携性瓶颈，适用于复杂形状产品如钻头或刀具。未来，结合无线数据传输，可扩展到工业远程监控。总之，这一创新为力学性能测试提供了高效、经济的解决方案，符合现代数字化趋势。

 

参考文献：1.Suzuki, R.;  Kaburagi, T.;  Maruhashi, H.;  Ishikawa, Y.;  Murakami, K.;  Mitsugi, H.;  Nakamura, M.; Matsubara, M., Herbert Hardness Test Using Accelerometer for Swing Angle Detection. Exp. Tech. 2021, 45 (5), 695-699.

 

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