CCD杨氏模量实验报告

实验用CCD测量杨氏弹性模量材料受外力作用时必然发生形变，其内部胁强（单位面积上受力大小）和胁变（即相对形变）的比值称为弹性模量，这是衡量材料受力后形变大小的参数之一，是设计各种工程结构时选用材料的主要依据之一。本实验测量康铜及钢丝的纵向弹性模量（也称杨氏模量）。实验中涉及较多长度量的测量，应根据不同测量对象，选择不同的测量仪器。如读数显微镜配以CCD成像系统测量钢丝微小的伸长量。本实验采用逐差法处理数据二、实验原理设一根钢丝的截面积为A，原长为L，沿其长度方向加一拉力F后，钢丝的伸长量为AL。根据胡克定律，材料在弹性限度内胁强与胁变成正比：.兀d2式中的比例系数E称为该材料的杨氏模量。钢丝的截面积为A=-4-,d为钢丝的直径。厂FL4FL因此E=^TT=/aiAAL兀d2AL式中AL是一个很小的长度变化，可用读数显微镜配CCD（ChargeCoupleDevice）成象系统直接测量，把原来从显微镜中看到的图象通过CCD呈现监视器的屏幕上，便于观测。CCD是电荷耦合器件的简称，是目前较实用的一种图象传感器，它有一维和二维的两种。一维用于位移、尺寸的检测，二维用于平面图形、文字的传递。现在的二维的CCD器件已作为固态摄象器应用于可视电话和无线电传真领域，在生产过程监视器和检测上的应用也日渐广泛。本实验采用二维CCD器件作为固态摄像机，它将光学图象转变为视频电信号，由视频电缆接到监视器，在电视屏幕上显示出来，对伸长量AL进行直接测量。三、实验仪器及装置监视器图1实验装置图用伸长法测杨氏模量装置如图1所示，包聒以下几部分：1、 金属丝支架S为金属丝支架，高约1.32m，可置于实验桌上，支架顶端设有金属丝悬挂装置，金属丝长度可调，约95cm，金属丝下端连接一小圆柱，圆柱中部方形窗中有细横线供读数用，小圆柱下端附有砝码托。支架下方还有一钳形平台，设有限制小圆柱转动的装置(未画出)，支架底脚螺丝可调。2、 读数显微镜读数显微镜M用来观测金属丝下端小圆柱中部方形窗中细横线位置及其变化，目镜前方装有分划板，分划板上有刻度，其刻度范围0〜6mm，分度值0.01mm，每隔1mm刻一数字。H为读数显微镜支架。3、 CCD成象、显示系统CCD黑白摄像机：灵敏度：最低照W0.2Lux；CCD专用12V直流电源。黑白视频监视器：屏幕尺寸14寸，420线，CCD摄像机支架H2；实验内容测量钢丝材料的杨氏模量。1、认识和调节仪器认识仪器。实验前，应该学习并掌握仪器的正确使用方法。调节仪器。2、32、3、4、（a） 调节支架S铅直（用底脚螺丝调节），使金属丝下端的小圆柱与钳形的平台无摩擦地上下自由移动，旋转金属丝上端夹具，使圆柱两侧刻槽对准钳形平台两侧的限制圆柱转动的小螺丝；两侧同时对称地将旋转螺丝旋入刻槽中部，力求减小摩擦。（b） 先调显微镜目镜用眼睛看到清晰的分划板象。再将物镜对准小圆柱平面中部，调节显微镜前后距离，然后微调显微镜旁螺丝直到看清小圆柱平面中部上细横刻线的象，并消除视差。（判断无视差的方法是当左右或上下稍微改变视线方向时，两个像之间没有相对移动，这是读数显微镜已调节好的标志。只有无视差的调焦，才能保证测量精度。（c） 将CCD摄像机装上镜头，把视频电缆线的一端接摄像机的视频输出端子（Videoout）,另一端接监视器的视频输入端（Videoin）.将CCD专用12V直流电源接到摄像机后面板“Power”孔，并将直流电源和监视器分别接220V交流电源。仔细调整CCD位置及镜头焦距，直到监视器屏幕上看到清晰的图象。观测伸长变化。为使砝码托平稳可在金属丝下端先加一块砝码，此时监视器屏幕上显示的小圆柱上的细横刻线指示的刻度为Y，记录其数值，然后在砝码托盘上逐次加50g砝码，对应的读数为七（1=01,2，・・・10）.再将所加的砝码逐个减去。记下对应的读数为Y，（1，2,...10）,并将两对应读数Yi i“ Y+Y-与y求平均乎^=—用直尺测量金属丝长度L；用外径千分尺测量金属丝直径d（测10次），注意记下外径千分尺的零读数。用逐差法对Yi（1,2，...1。）进行处理，计算&_及E的值(乎-Y)+(Y- Y_ )+(Y_ -Y)+(Y_ - Y_ )+ (Y_ -Y_ )AL— 6 1 7 2 8 3 9 4 10 55由公式（2）及F=Mg（AM为砝码质量，由于采用逐差法，此处AM—250g，A—4兀d2，可得:_4AMgLE— 兀d2AL(3)5、将测量结果与公认值进行比较。（此钢丝的杨氏模量公认值20.0X101°N/m2）使用注意事项实验前必须检查试样是否处于平直状态，如果有折或弯曲，须用木质螺丝刀柄的圆凹槽部位沿试样来回拉动，直至使试样平直后方进行实验。使用CCD摄像机时应注意：CCD不可正对太阳光、激光或其它强光源，CCD的12V直流电源不要随意用其它的电源替代，不要使CCD视频输出短路。防止震动、跌落。不要用手触摸CCD前表面，防止CCD过热，在测量间隙最好关闭电源。镜头和CCD接口螺丝较细密，旋转时要轻，镜头要防潮、防污染。使用监视器时应注意：防震并注意勿将水或油溅在屏幕上。注意维护金属丝平直状态，使用外径千分尺测量其直径时勿将它扭折。六、 实验数据例（仅供参考）钢丝出厂标称直径〈称=0.20mm表1钢丝直径测量112345678910平均d/mm0.1950.2000.2040.1980.1980.2020.1980.1980.2040.1980.1995实测L=0.918m。表2受力后钢丝伸长量测量、、、长度位置砝码m/g-Y/mmiY、/mmi"Y/mmi逐差法计算*50.04.0423.9884.015Y=0.344mm-1Y=0.354mm-2Y=0.365mm-3Y=0.365mm-4Y=0.378mm-5A=0.3612mm100.04.1064.0584.082150.04.1724.1164.144200.04.2484.1904.219250.04.3124.2604.286300.04.3864.3324.359350.04.4664.4064.436400.04.5344.4844.509450.04.6024.5664.584500.04.6804.6484.664将数据代入（3）式得（上海地区重力加速度g=9.794m/s2）—19.9x1010N/m2「4AMgL 4x0.250x—19.9x1010N/m2E— = 兀d2AL 3.142x(0.19