分離式Hopkinson(霍普金森)實驗技術(shù)是目前實驗技術(shù)和應(yīng)用情況研究最多的材料動力學(xué)性能實驗。要講霍普金森壓桿實驗，就要先從材料動態(tài)力學(xué)性能實驗開始講起。

　　材料動態(tài)力學(xué)性能實驗

　　在各類工程技術(shù)、和科學(xué)研究等廣泛領(lǐng)域的一系列實際問題中，甚至就在日常生活中，人們都會遇到各種各樣的爆炸/沖擊載荷問題，并且可以觀察到，物體在爆炸/沖擊載荷下的力學(xué)響應(yīng)往往與靜載荷下的有顯著不同。

　　19世紀(jì)開始，人們才逐步認(rèn)識到了材料在動載下的力學(xué)性能與其在靜載下的力學(xué)性能不同。

　　Thomas Young是分析彈性沖擊效應(yīng)的先驅(qū)，他(1807)提出了彈性波的概念，指出桿受軸向沖擊力以及梁受橫向沖擊力時可從能量進(jìn)行分析而得出定量的結(jié)果。J. Hopkinson 1872完成了第一個動態(tài)演示實驗，觀察到鐵絲受沖擊而被拉斷的位置不是沖擊端，而是固定端；并且沖擊拉斷的控制因素是落重的高度，即取決于撞擊速度，而與落重質(zhì)量的大小基本無關(guān)。Pochhammer，1876；Chree，1886；Rayleigh，Lord 1887分別研究了一維桿中的橫向慣性運動。1897年Dunn 設(shè)計了第一臺高應(yīng)變率試驗。1914年B.Hopkinson想出了一個巧妙的方法，用以測定和研究爆炸或彈丸射擊桿端時的壓力～時間關(guān)系。所采用的裝置被稱為Hopkinson壓桿（Pressure Bar），有時縮寫為HPB。

　　二戰(zhàn)之前，很少有人研究動態(tài)壓縮加載問題，只是G..I.Taylor 在三十年代末想出了一個方法來測量材料的動態(tài)壓縮強(qiáng)度。Taylor方法主要是假設(shè)材料是剛性——理想塑性，運用一維波傳播的基本概念，用一個圓柱撞擊剛性靶，然后測出其變形，最后得到材料動態(tài)壓縮屈服應(yīng)力。

　　高應(yīng)變率實驗技術(shù)的發(fā)展史

　　1807 固體中的彈性波與斷裂強(qiáng)度；

　　1800s 關(guān)注剛軌道的動態(tài)斷裂前度；

　　1872 Hopkinson實現(xiàn)金屬絲的動態(tài)加載；

　　1870s-1880s Pochhammer和Chree發(fā)現(xiàn)長桿中彈性波的耗散；

　　1897 Dunn 設(shè)計了第一臺高應(yīng)變率試驗機(jī)；

　　1905 Hopkinson實現(xiàn)金屬試件的動態(tài)加速加載；

　　1914 利用Hopkinson壓桿測定彈丸撞擊和爆炸的脈沖波形；

　　1920s-1930s 致力于高溫下鋼的拉伸和扭轉(zhuǎn)沖擊加載的技術(shù)研究；

　　1940s Carrington and Gayle等發(fā)展Taylor試驗技術(shù)；

　　1940s Fehr 和 Parker等在動態(tài)拉伸試驗中開始使用應(yīng)變片技術(shù)；

　　1948 Davies分析了波在Hopkinson壓桿中的傳播，并發(fā)展了電容方法測量桿中應(yīng)力脈沖；

　　1948- 9 Volterra and Kolsky發(fā)明分離式SHPB

　　1950s Loizou and Sims發(fā)展了凸輪塑性儀；

　　1950s Davies等確定采用表面應(yīng)變片測量應(yīng)力波傳播的合理性。

　　目前，已能對材料進(jìn)行不同應(yīng)變率下的力學(xué)性能實驗研究。常規(guī)的實驗設(shè)備只能實現(xiàn)應(yīng)變率在0.1/s以下；凸輪塑性機(jī)和落錘實驗裝置可以實現(xiàn)應(yīng)變率到500/s；輕氣炮和平面波發(fā)生器可以獲得10000/s 以上的超高應(yīng)變率加載，核爆炸產(chǎn)生的應(yīng)變率比108/s 大；分離式Hopkinson壓桿裝置被認(rèn)為是獲得材料在100/s- 10000/s高應(yīng)變率范圍內(nèi)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的最主要實驗手段。分離式Hopkinson實驗技術(shù)完善了準(zhǔn)靜態(tài)加載與超高應(yīng)變率加載之間的部分空缺應(yīng)變率范圍，這個范圍恰好包括了流動應(yīng)力隨應(yīng)變率變化發(fā)生轉(zhuǎn)折的應(yīng)變率，所以對它的實驗技術(shù)和應(yīng)用情況研究也最多。
      霍普金森壓桿實驗

　　Kolsky證實了試樣的應(yīng)力和應(yīng)變與壓桿位移之間的關(guān)系。利用超動態(tài)應(yīng)變放大器+數(shù)字示波器，記錄存儲入射桿和透射桿的應(yīng)變-時間波形。

　　該技術(shù)的理論基礎(chǔ)是一維應(yīng)力波理論，通過測定壓桿上的應(yīng)變來推導(dǎo)試樣材料的應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系。SHPB技術(shù)之所以能受到人們的重視，主要原因是該測試技術(shù)的優(yōu)點十分突出，主要表現(xiàn)在：

　　測量方法巧妙，成功的避開了要在試樣同一位置上同時測量隨時間變化的應(yīng)力和應(yīng)變的難題；

　　SHPB試驗所涉及的應(yīng)變率范圍包括了流動應(yīng)力隨應(yīng)變率變化發(fā)生轉(zhuǎn)折的應(yīng)變率（100～10000/s）；

　　入射波形易于控制，改變彈丸(撞擊桿)的撞擊速度及形狀，即可調(diào)節(jié)入射脈沖波形，從而也調(diào)節(jié)了作用于試樣上的波形。

　　霍普金森壓桿實驗的應(yīng)用

　　霍普金森壓桿實驗主要用于研究材料在沖擊荷載下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系和破壞機(jī)理，包括：

　　巖石、混凝土、陶瓷材料試驗;

　　塑料、復(fù)合材料、泡沫材料、減震材料等材料試驗;

　　高聚物、固體推動劑材料試驗等。

　　1 動態(tài)荷載下應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

　　靜態(tài)荷載下，材料應(yīng)力σ=應(yīng)變ε·楊氏模量E。

　　而在動態(tài)荷載下，材料力學(xué)性能會與加載率（應(yīng)變率）顯著相關(guān)。高幅值短持續(xù)時間脈沖荷載所引起的材料力學(xué)性質(zhì)的應(yīng)變率效應(yīng)，對于抗動載的結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析是非常重要的。這些動載來自常規(guī)兵器爆炸、偶然爆炸和高速撞擊等許多軍民事。

　　當(dāng)驅(qū)動撞擊桿撞擊入射桿時，通過采集入射桿和透射桿的應(yīng)變脈沖-時間波形，就可得到作用于試件的沖擊荷載。而改變撞擊速度就可以改變作用于試件的沖擊荷載和試件的應(yīng)變率。通過多次測試，就能得到試樣在不同應(yīng)變率下表現(xiàn)出的不一樣的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。下圖是鋁在一個測試結(jié)果，在較高的應(yīng)變率下，試件發(fā)生了較大的變形。

　　2 應(yīng)力波傳播特性和能量耗散分析

　　對不同的試樣進(jìn)行試驗，得到其波阻抗特性并進(jìn)行能量耗散分析。在一定波阻抗匹配系數(shù)范圍內(nèi)，演示波阻抗匹配效果的改善，有利于提高能量利用率，降低巖石大塊率，改善破巖效果。

　　3 試樣破壞機(jī)理研究

　　試樣在不同沖擊速度下呈現(xiàn)不同的應(yīng)變時程曲線，且破壞形態(tài)也不一樣。以復(fù)合巖體為例，隨著沖擊速度的增大，巖體破壞逐漸加劇，碎塊數(shù)量增多、體積減小。

　　霍普金森壓桿實驗數(shù)據(jù)采集

　　霍普金森壓桿試驗，需要非常快速（數(shù)MHz）的采集應(yīng)變數(shù)據(jù)。

　　數(shù)字示波器是我們實驗室常用的設(shè)備，采樣頻率很高，但是應(yīng)變片在經(jīng)過橋路轉(zhuǎn)換后的輸出電壓非常小，在mV級別甚至μV級別。而超動態(tài)應(yīng)變放大器可以將橋路的輸出電壓進(jìn)行無失真的放大到1-10V，放大后示波器可以很輕易的采集，而且信噪比高。

　　在擁有數(shù)字示波器的前提下，我們只需要再配備2個或多個超動態(tài)應(yīng)變放大器，即可以較低的成本高規(guī)格的滿足試驗要求。