分離式 Hopkinson 壓力桿（Split Hopkinson Pressure Bar，SHPB）是研究材料在高應變率（10²–10⁴ s⁻¹）下力學行為的標準設備。配合高速攝影，可同時獲得應力波傳遞影像與全場應變分佈，是航太、國防、汽車、生醫等領域材料研究的核心工具。
一、SHPB 原理與高速攝影的角色
SHPB 利用氣炮推動子彈撞擊入射桿，產生應力波（Elastic Wave），應力波通過試片後進入透射桿，由兩組應變規記錄入射波、反射波、透射波，計算試片動態應力-應變曲線。
SHPB 標準配置：
[氣炮] → [子彈] → [入射桿] → [試片] → [透射桿] → [吸收棒]
↑應變規1 ↑應變規2
↑同步觸發高速攝影機 ←──────────────┘
[氣炮] → [子彈] → [入射桿] → [試片] → [透射桿] → [吸收棒]
↑應變規1 ↑應變規2
↑同步觸發高速攝影機 ←──────────────┘
高速攝影在 SHPB 中的主要功能：
- 試片變形觀察： fps 拍攝壓縮 / 拉伸 / 扭轉過程中試片的巨觀形變
- DIC 全場應變：散斑紋路 + DIC 軟體計算試片全場應變分佈（非均勻材料尤重要）
- 剪切帶觀察：金屬高應變率下常出現絕熱剪切帶，需 ≥ 10,000 fps
- 破裂起始位置：複合材料、陶瓷、岩石等脆性材料需捕捉破裂起始點
二、幀率選擇指南
| 測試條件 | 應力波持續時間 | 建議幀率 | 備註 |
|---|---|---|---|
| 金屬壓縮 SHPB (Ø10mm) | μs | fps | 配 DIC 建議 100k fps |
| 聚合物 / 泡棉壓縮 | 500 μs–2 ms | fps | 軟質材料波速慢 |
| 岩石 / 混凝土 | μs | fps（降解析度模式） | 觀察裂紋擴展需高幀率 |
| Taylor 衝擊測試 | 10–50 μs | fps（降解析度模式） | 需超高速相機 |
| 動態巴西碟試片 (岩石) | μs | fps | 拉伸強度測試 |
三、台灣 SHPB 研究機構
以下單位在台灣從事高應變率材料測試，東茂科技提供儀器銷售、租借及到場技術支援：
國立中山大學機械系
爆炸力學與衝擊工程實驗室，長期使用高速攝影進行金屬與複合材料 SHPB 研究
國立台灣大學應力所
動態力學測試與衝擊破壞研究，承接國防相關計畫
中科院材料所 (NCSIST)
防彈材料、裝甲測試，高速攝影用於穿甲行為分析
逢甲大學 / 成功大學
航太材料高應變率測試，配合 DIC 進行全場量測
四、SHPB 高速攝影佈置最佳實踐
- 同步觸發：使用應變規訊號或子彈到達觸發高速攝影機；延遲設定 pre-trigger 20%，確保不漏掉衝擊前狀態
- 照明配置：SHPB 試片小（Ø 10–15 mm），需 LED 同軸照明或高功率 LED 陣列；曝光時間 ≤ 1/(幀率×2)
- DIC 散斑：試片表面噴白底 + 黑色噴點，散斑尺寸 3–5 像素/點，覆蓋率 50%
- 防震：SHPB 撞擊產生震動，相機固定在獨立光學桌或重型三腳架，避免影像模糊
- 解析度與感光度：高幀率下解析度下降，建議選擇 CMOS 感光度高的機型（如 AOS PROMON、DITECT HAS-U1）
五、推薦機型
作者：陳聖鑫 Alex Chen
東茂儀器科技有限公司｜業務窗口
10 年高速攝影機產業經驗，代理 AOS Technologies（瑞士）、SinceVision SSZN（中國）、DITECT（日本）、Mega Speed（加拿大）四大品牌，服務台灣半導體、汽車測試、學術研究客戶。