Hopkinson 壓力桿（SHPB）高速攝影實驗指南：台灣大學材料動態力學測試

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。

高速攝影在 SHPB 中的主要功能：

• 試片變形觀察：高幀率拍攝壓縮 / 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

SHPB 實驗的幀率需求取決於應力波持續時間，而應力波持續時間又由子彈長度與桿材波速決定。實務上先估算單次加載事件的時間窗，再回推「事件期間至少要拍到 10–20 幀」所需的幀率。以下是我們多年協助台灣各實驗室建置的經驗值：

提醒一點：幀率不是越高越好。高速攝影機提升幀率通常要犧牲解析度，而 DIC 計算的應變精度直接受解析度影響。如果研究重點是全場應變分佈而非破裂瞬間，寧可選 10,000–20,000 fps 但保住較大像素面積，DIC 結果會乾淨許多。

三、東茂推薦機型

依照試驗類型與預算，我們通常建議以下三款：

DITECT HAS-EX：全解析度可達 40,000 fps，是三款中速度規格最高的機型，適合 Taylor 衝擊測試與高應變率金屬試驗這類事件時間極短（數十 μs）的場合。日本 DITECT 的觸發電路反應快，搭配 SHPB 應變規訊號觸發相當穩定。

DITECT HAS-D71：8,000 fps @ VGA，機身輕便、架設快，是落錘試驗與 SHPB 基礎配置的常用選擇。預算有限、或者實驗室同時要支援多種動態試驗的單位，這台的泛用性最好。

AOS L-PRI：全解析度 3,530 fps，最大特點是感光靈敏度高——這在 SHPB 實驗特別重要，因為極短曝光時間（常低於 10 μs）下進光量非常有限，靈敏度不足的相機只能靠加大光圈或堆燈補救，前者犧牲景深、後者可能把試片烤熱。需要 DIC 全場應變（大視野散斑）的應用，L-PRI 通常是首選。

如果您的研究是 SHPB + DIC 組合，AOS L-PRI 的高靈敏度加上乾淨的影像品質，讓散斑對比度好維持，是目前台灣 SHPB + DIC 研究最常見的搭配。

四、觸發同步與設定建議

SHPB 實驗的成敗有一半取決於觸發同步。標準做法是取入射桿上應變規的電壓突變訊號，經 BNC 接頭送入高速攝影機的外部觸發（External Trigger）輸入端。應力波在入射桿內傳遞需要時間（鋼桿約 5,000 m/s），這段延遲剛好可以作為觸發緩衝。

強烈建議啟用 pre-trigger（預觸發）功能：設定約 1,000–5,000 幀的 pre-record，讓相機在收到觸發訊號前就持續循環錄影。這樣即使觸發時間點抓得不完美，應力波到達試片前的畫面也一定在記憶體裡，不會漏掉起始幀。

最常遇到的問題是觸發延遲（trigger latency）導致錯過前幾幀——訊號從應變規、放大器、到相機觸發電路，每一段都有微小延遲，疊加起來在 μs 等級的事件中就足以吃掉關鍵畫面。解決方法很直接：把觸發點提前（例如改用應變規 1 而非應變規 2 的訊號），同時把 pre-record 幀數多設一倍當保險。

五、台灣 SHPB 研究機構

台灣的 SHPB 研究能量集中在幾個實驗室，各有專精方向：

• 成功大學航太系：動態力學與複合材料衝擊行為研究
• 台灣大學機械系：金屬、鋁合金高應變率行為
• 中正大學機械系：SHPB + DIC 組合應用，岩石破裂研究
• 國防與航太研究機構：航太材料與防護結構相關研究（此類單位通常保密程度較高，相關案例不便公開揭露）

如果您正在建置或升級 SHPB 高速攝影系統，歡迎與我們聊聊——我們協助台灣多個實驗室建置 SHPB 影像系統的經驗，多半可以直接參考套用。

常見問題 FAQ

SHPB 高速攝影需要多少 fps？

取決於應力波持續時間。金屬壓縮試驗（100–200 μs）建議 10,000–100,000 fps；聚合物、泡棉等軟質材料事件較長，1,000–5,000 fps 即可；Taylor 衝擊測試事件僅 10–50 μs，需要 100,000 fps 以上的超高速相機。原則是加載事件期間至少要拍到 10–20 幀。

如何把高速攝影機的觸發訊號與 SHPB 同步？

取入射桿應變規的電壓突變訊號，經 BNC 接頭接到相機的外部觸發輸入。務必啟用 pre-trigger 功能（建議 1,000–5,000 幀 pre-record），讓相機在觸發前持續循環錄影，避免觸發延遲吃掉應力波到達試片前的關鍵畫面。

AOS L-PRI 和 DITECT HAS-EX 哪個更適合 SHPB + DIC 研究？

DIC 應用優先選 AOS L-PRI：感光靈敏度高，在極短曝光下仍能維持散斑對比度，全解析度 3,530 fps 保住 DIC 需要的像素數。HAS-EX 全解析度 40,000 fps，適合 Taylor 衝擊等事件極短、以速度為優先的試驗。兩者定位不同，依研究重點選擇。

SHPB 實驗中 DIC 的散斑怎麼製作？

常見做法是先在試片表面噴一層消光白漆當底，再用黑漆噴出隨機散斑；散斑尺寸建議對應影像上 3–5 個像素，太細會欠取樣、太粗降低空間解析度。務必使用消光漆避免反光，並確認漆層在高應變率下不會先於基材剝落。

東茂有提供 SHPB 現場借測或到府 demo 服務嗎？

有。我們提供高速攝影機到府 demo 與短期借測服務，可以直接帶機器到您的 SHPB 實驗室，用您的試片與觸發條件實拍驗證，確認幀率、解析度、靈敏度都符合需求後再決定採購。歡迎來電或來信預約。電話 04-8857599，Email service@hsc.tw。