分離式Hopkinson(霍普金森)實(shí)驗(yàn)技術(shù)是目前實(shí)驗(yàn)技術(shù)和應(yīng)用情況研究較多的材料動(dòng)力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)界“扛把子”。而要講霍普金森壓桿實(shí)驗(yàn)，就要先從材料動(dòng)態(tài)力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)開始講起。

在各類工程技術(shù)、軍事技術(shù)和科學(xué)研究等廣泛領(lǐng)域的一系列實(shí)際問題中，甚至就在日常生活中，人們都會(huì)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。

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(shí)可從能量進(jìn)行分析而得出定量的結(jié)果。J. Hopkinson 1872完成了動(dòng)態(tài)演示實(shí)驗(yàn)，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(yùn)動(dòng)。1897年Dunn 設(shè)計(jì)了高應(yīng)變率試驗(yàn)。1914年B.Hopkinson想出了一個(gè)巧妙的方法，用以測(cè)定和研究爆炸或射擊桿端時(shí)的壓力～時(shí)間關(guān)系。所采用的裝置被稱為Hopkinson壓桿（Pressure Bar），有時(shí)縮寫為HPB。

二戰(zhàn)之前，很少有人研究動(dòng)態(tài)壓縮加載問題，只是G..I.Taylor 在三十年代末想出了一個(gè)方法來測(cè)量材料的動(dòng)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(yùn)用一維波傳播的基本概念，用一個(gè)圓柱撞擊剛性靶，然后測(cè)出其變形，ZH得到材料動(dòng)態(tài)壓縮屈服應(yīng)力。

Kolsky證實(shí)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(dòng)態(tài)應(yīng)變放大器+數(shù)字示波器，記錄存儲(chǔ)入射桿和透射桿的應(yīng)變-時(shí)間波形。

霍普金森壓桿實(shí)驗(yàn)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(yàn);

• 塑料、復(fù)合材料、泡沫材料、減震材料等材料試驗(yàn);

• 高聚物、、固體推動(dòng)劑材料試驗(yàn)等。

靜態(tài)荷載下，材料應(yīng)力σ=應(yīng)變?chǔ)拧钍夏Ａ縀。

而在動(dòng)態(tài)荷載下，材料力學(xué)性能會(huì)與加載率（應(yīng)變率）顯著相關(guān)。高幅值短持續(xù)時(shí)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(duì)于抗動(dòng)載的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析是非常重要的。這些動(dòng)載來自常規(guī)武器爆炸、偶然爆炸和高速撞擊等許多軍事和民事事件。

當(dāng)驅(qū)動(dòng)撞擊桿撞擊入射桿時(shí)，通過采集入射桿和透射桿的應(yīng)變脈沖-時(shí)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(cè)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(gè)測(cè)試結(jié)果，在較高的應(yīng)變率下，試件發(fā)生了較大的變形。

對(duì)不同的試樣進(jìn)行試驗(yàn)，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。

試樣在不同沖擊速度下呈現(xiàn)不同的應(yīng)變時(shí)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。

霍普金森壓桿試驗(yàn)，需要非?？焖伲〝?shù)MHz）的采集應(yīng)變數(shù)據(jù)。

數(shù)字示波器是我們實(shí)驗(yàn)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(jí)別甚至μV級(jí)別。而超動(dòng)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(gè)或多個(gè)DC-97A超動(dòng)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(yàn)要求，DC-97A的頻響范圍高達(dá)500kHz，我們可以用示波器以2MHz~10MHz的采樣頻率來采集。

除了應(yīng)用于霍普金森壓桿試驗(yàn)，超動(dòng)態(tài)應(yīng)變放大器還用于其他沖擊試驗(yàn)中應(yīng)變、荷載力、壓力及自由場(chǎng)沖擊波壓力測(cè)試等，比如落錘沖擊試驗(yàn)、兵器爆炸試驗(yàn)、建筑爆破拆除試驗(yàn)，高速風(fēng)洞等。

【1】 胡文軍.材料動(dòng)態(tài)力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)研究技術(shù)進(jìn)展[J].ZG材料科技與設(shè)備,2011,3:5-14.

【2】 鈕強(qiáng)，熊代余.巖石波阻抗匹配的試驗(yàn)研究[J].有色金屬，1988,40（4）：13-17.

【3】 楊仁樹，李煒煜，方士正，朱曄，李永亮.巖狀復(fù)合巖體沖擊動(dòng)力學(xué)特性試驗(yàn)研究.巖土力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，1000-6915（2019）09-1747-11