基于光学检测方法的霍普金森压杆技术综述

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摘 要：分离式霍普金森压杆技术是一种被广泛应用于测量材料在高应变率范围内动态力学性能的一种行之有效的实验手段。传统的霍普金森压杆测量方法主要是利用粘贴在入射杆和透射杆上的应变片实现对被测材料动态力学性能测量的目的，但是这种应变片式的霍普金森压杆技术中仍存在一些固有的问题和不足。为了获得更高效、精确的实验数据，基于光学检测方法的霍普金森压杆测量技术应运而生。它具有非接触性、高度可重复性、测量结果更加可靠和准确等优点。文章首先简要回顾了传统分离式霍普金森压杆技术的起源与发展，以及测量装置和测量原理。在此基础上，重点介绍了三种基于光学检测方法的分离式霍普金森技术，并简要说明了各个测量方法的特点。

关键词：光学检测；霍普金森压杆；动态特性；光干涉

中图分类号：TB301 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）09-0004-06

Abstract： The split Hopkinson pressure bar（SHPB） technology is an effective experimental method for measuring the dynamic mechanical properties of materials at high strain rates. The traditional Hopkinson pressure bar measurement method mainly uses strain gauges attached to the incident rod and transmission rod to achieve the purpose of measuring the dynamic mechanical properties of the material under test. However， there are still some inherent problems and shortcomings in this strain gauge Hopkinson pressure bar technology. In order to obtain more efficient and accurate experimental data， Hopkinson pressure bar measurement technology based on optical detection method came into being. It has the advantages of non-contact， high repeatability， more reliable and accurate measurement results. This paper traces the origin and development of the traditional split Hopkinson pressure bar technology， and the measuring device and the measuring principle are briefly reviewed. On this basis， three separate Hopkinson techniques based on optical detection are introduced， and the characteristics of each measurement method are briefly described.

Keywords： optical inspection （OI）； Hopkinson pressure bar （HPB）； dynamic characteristics； optical interference

1 概述

在军事和民用领域中的许多方面，类似于高速碰撞和爆炸等冲击加载形式的力学现象十分常见[1-2]。由于材料在高应变率加载下需要考虑结构惯性效应和材料应变率效应，因此材料在受到冲击荷载作用时所表现出的动态力学性能，与在静荷载作用下所表现出的静态力学性能存在着显著差异[3-4]。对于涉及冲击加载的工程项目来说，了解材料的动态力学性能是整个工程设计的基础，因此研究材料在冲击加载条件下的动态力学响应对于材料的工程设计和应用来说都具有很重要的現实意义。

研究材料动态力学性能的系列实验按应变率大小可分为中应变率实验（10～1021/s）、高应变率实验（102～1041/s）和超高应变率实验（104～1061/s）三种。针对材料不同应变率范围下的动态力学性能，常用的实验方法主要有电子伺服试验机、落锤实验机、分离式霍普金森杆和轻气炮[5-6]等。由于工程材料敏感性变化比较剧烈的范围[7]是102～1041/s，这个应变率范围正是分离式霍普金森杆实验方法所涉及的，加之其测量方法精巧、结构简单、易于操作和易于控制加载波形等[8]优点，分离式霍普金森杆实验技术已经成为研究中高应变率下材料动态力学性能的最主要和最可靠的实验技术。

分离式霍普金森压杆技术起源于1914年B.Hopkinson所设计的一套Hopkinson压杆实验装置[9]。在这套装置中，通过把测量冲量的长杆分为长短不一的两部分，实现了对冲击载荷随时间变化的实际波形的测量。到了1948年，Davies[10]将平行板电容器和圆柱形电容器引入到了Hopkinson压杆实验装置，实现了对压杆的轴向、径向两个方向位移的测量，使得霍普金森压杆技术取得了关键性的进展并得到了更多的关注。1949年，Kolsky[11]在原有装置的基础上通过将飞片加长的方式成功对Hopkinson压杆实验装置进行了分离，形成了分离式霍普金森压杆，也称为Kolsky压杆。这时的分离式霍普金森压杆中所使用的仍然是电容位移传感器。电容位移传感器首先得到的是位移信号，然后通过对位移的微分得到质点的速度信号，进而得到试样的应变信号。到1963年，Lindholm[12]把以往Kolsky压杆中的电容式传感器用粘贴于两杆上的电阻应变片取代，与电容位移传感器相比，电阻位移传感器可以直接测得杆表面的应变信息，至此才形成了现在的分离式霍普金森压杆（Split Hopkinson Pressuer Bar，简称SHPB，又名Kolsky杆）。随着数字化技术、计算机技术和测量仪器的发展，SHPB测量技术也在不断的提高。1976年，Tanaka[13-14]把数字化技术应用到了SHPB中，用于存储和分析应力波。1980年，Signoret[15]将微型计算机又引入到了SHPB装置中。80年代后，半导体应变片、压电晶体片、PVDF、高速摄影技术和光学测量技术相继用于分离式霍普金森压杆实验技术中[16]。目前分离式霍普金森压杆技术被广泛应用于金属[17]、陶瓷[18]、岩石[19]、混凝土[20]、橡胶[21]、生物组织[22]、记忆合金[23]、复合材料[24]、泡沫材料[25]等材料在高应变率下的动态力学性能的研究。