CCD楊氏模量實(shí)驗(yàn)報告

實(shí)驗(yàn)用CCD測量楊氏彈性模量材料受外力作用時必然發(fā)生形變，其內(nèi)部脅強(qiáng)（單位面積上受力大小）和脅變（即相對形變）的比值稱為彈性模量，這是衡量材料受力后形變大小的參數(shù)之一，是設(shè)計(jì)各種工程結(jié)構(gòu)時選用材料的主要依據(jù)之一。本實(shí)驗(yàn)測量康銅及鋼絲的縱向彈性模量（也稱楊氏模量）。實(shí)驗(yàn)中涉及較多長度量的測量，應(yīng)根據(jù)不同測量對象，選擇不同的測量儀器。如讀數(shù)顯微鏡配以CCD成像系統(tǒng)測量鋼絲微小的伸長量。本實(shí)驗(yàn)采用逐差法處理數(shù)據(jù)二、實(shí)驗(yàn)原理設(shè)一根鋼絲的截面積為A，原長為L，沿其長度方向加一拉力F后，鋼絲的伸長量為AL。根據(jù)胡克定律，材料在彈性限度內(nèi)脅強(qiáng)與脅變成正比：.兀d2式中的比例系數(shù)E稱為該材料的楊氏模量。鋼絲的截面積為A=-4-,d為鋼絲的直徑。廠FL4FL因此E=^TT=/aiAAL兀d2AL式中AL是一個很小的長度變化，可用讀數(shù)顯微鏡配CCD（ChargeCoupleDevice）成象系統(tǒng)直接測量，把原來從顯微鏡中看到的圖象通過CCD呈現(xiàn)監(jiān)視器的屏幕上，便于觀測。CCD是電荷耦合器件的簡稱，是目前較實(shí)用的一種圖象傳感器，它有一維和二維的兩種。一維用于位移、尺寸的檢測，二維用于平面圖形、文字的傳遞?，F(xiàn)在的二維的CCD器件已作為固態(tài)攝象器應(yīng)用于可視電話和無線電傳真領(lǐng)域，在生產(chǎn)過程監(jiān)視器和檢測上的應(yīng)用也日漸廣泛。本實(shí)驗(yàn)采用二維CCD器件作為固態(tài)攝像機(jī)，它將光學(xué)圖象轉(zhuǎn)變?yōu)橐曨l電信號，由視頻電纜接到監(jiān)視器，在電視屏幕上顯示出來，對伸長量AL進(jìn)行直接測量。三、實(shí)驗(yàn)儀器及裝置監(jiān)視器圖1實(shí)驗(yàn)裝置圖用伸長法測楊氏模量裝置如圖1所示，包聒以下幾部分：1、 金屬絲支架S為金屬絲支架，高約1.32m，可置于實(shí)驗(yàn)桌上，支架頂端設(shè)有金屬絲懸掛裝置，金屬絲長度可調(diào)，約95cm，金屬絲下端連接一小圓柱，圓柱中部方形窗中有細(xì)橫線供讀數(shù)用，小圓柱下端附有砝碼托。支架下方還有一鉗形平臺，設(shè)有限制小圓柱轉(zhuǎn)動的裝置(未畫出)，支架底腳螺絲可調(diào)。2、 讀數(shù)顯微鏡讀數(shù)顯微鏡M用來觀測金屬絲下端小圓柱中部方形窗中細(xì)橫線位置及其變化，目鏡前方裝有分劃板，分劃板上有刻度，其刻度范圍0?6mm，分度值0.01mm，每隔1mm刻一數(shù)字。H為讀數(shù)顯微鏡支架。3、 CCD成象、顯示系統(tǒng)CCD黑白攝像機(jī)：靈敏度：最低照W0.2Lux；CCD專用12V直流電源。黑白視頻監(jiān)視器：屏幕尺寸14寸，420線，CCD攝像機(jī)支架H2；實(shí)驗(yàn)內(nèi)容測量鋼絲材料的楊氏模量。1、認(rèn)識和調(diào)節(jié)儀器認(rèn)識儀器。實(shí)驗(yàn)前，應(yīng)該學(xué)習(xí)并掌握儀器的正確使用方法。調(diào)節(jié)儀器。2、32、3、4、（a） 調(diào)節(jié)支架S鉛直（用底腳螺絲調(diào)節(jié)），使金屬絲下端的小圓柱與鉗形的平臺無摩擦地上下自由移動，旋轉(zhuǎn)金屬絲上端夾具，使圓柱兩側(cè)刻槽對準(zhǔn)鉗形平臺兩側(cè)的限制圓柱轉(zhuǎn)動的小螺絲；兩側(cè)同時對稱地將旋轉(zhuǎn)螺絲旋入刻槽中部，力求減小摩擦。（b） 先調(diào)顯微鏡目鏡用眼睛看到清晰的分劃板象。再將物鏡對準(zhǔn)小圓柱平面中部，調(diào)節(jié)顯微鏡前后距離，然后微調(diào)顯微鏡旁螺絲直到看清小圓柱平面中部上細(xì)橫刻線的象，并消除視差。（判斷無視差的方法是當(dāng)左右或上下稍微改變視線方向時，兩個像之間沒有相對移動，這是讀數(shù)顯微鏡已調(diào)節(jié)好的標(biāo)志。只有無視差的調(diào)焦，才能保證測量精度。（c） 將CCD攝像機(jī)裝上鏡頭，把視頻電纜線的一端接攝像機(jī)的視頻輸出端子（Videoout）,另一端接監(jiān)視器的視頻輸入端（Videoin）.將CCD專用12V直流電源接到攝像機(jī)后面板“Power”孔，并將直流電源和監(jiān)視器分別接220V交流電源。仔細(xì)調(diào)整CCD位置及鏡頭焦距，直到監(jiān)視器屏幕上看到清晰的圖象。觀測伸長變化。為使砝碼托平穩(wěn)可在金屬絲下端先加一塊砝碼，此時監(jiān)視器屏幕上顯示的小圓柱上的細(xì)橫刻線指示的刻度為Y，記錄其數(shù)值，然后在砝碼托盤上逐次加50g砝碼，對應(yīng)的讀數(shù)為七（1=01,2，???10）.再將所加的砝碼逐個減去。記下對應(yīng)的讀數(shù)為Y，（1，2,...10）,并將兩對應(yīng)讀數(shù)Yi i“ Y+Y-與y求平均乎^=—用直尺測量金屬絲長度L；用外徑千分尺測量金屬絲直徑d（測10次），注意記下外徑千分尺的零讀數(shù)。用逐差法對Yi（1,2，...1。）進(jìn)行處理，計(jì)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為砝碼質(zhì)量，由于采用逐差法，此處AM—250g，A—4兀d2，可得:_4AMgLE— 兀d2AL(3)5、將測量結(jié)果與公認(rèn)值進(jìn)行比較。（此鋼絲的楊氏模量公認(rèn)值20.0X101°N/m2）使用注意事項(xiàng)實(shí)驗(yàn)前必須檢查試樣是否處于平直狀態(tài)，如果有折或彎曲，須用木質(zhì)螺絲刀柄的圓凹槽部位沿試樣來回拉動，直至使試樣平直后方進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。使用CCD攝像機(jī)時應(yīng)注意：CCD不可正對太陽光、激光或其它強(qiáng)光源，CCD的12V直流電源不要隨意用其它的電源替代，不要使CCD視頻輸出短路。防止震動、跌落。不要用手觸摸CCD前表面，防止CCD過熱，在測量間隙最好關(guān)閉電源。鏡頭和CCD接口螺絲較細(xì)密，旋轉(zhuǎn)時要輕，鏡頭要防潮、防污染。使用監(jiān)視器時應(yīng)注意：防震并注意勿將水或油濺在屏幕上。注意維護(hù)金屬絲平直狀態(tài)，使用外徑千分尺測量其直徑時勿將它扭折。六、 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)例（僅供參考）鋼絲出廠標(biāo)稱直徑〈稱=0.20mm表1鋼絲直徑測量112345678910平均d/mm0.1950.2000.2040.1980.1980.2020.1980.1980.2040.1980.1995實(shí)測L=0.918m。表2受力后鋼絲伸長量測量、、、長度位置砝碼m/g-Y/mmiY、/mmi"Y/mmi逐差法計(jì)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將數(shù)據(jù)代入（3）式得（上海地區(qū)重力加速度g=9.794m/s2）—19.9x1010N/m2「4AMgL 4x0.250x—19.9x1010N/m2E— = 兀d2AL 3.142x(0.19