一、任务
设计并制作一个管道内钢珠运动测量装置，钢珠运动部分的结构如图 1 所示。装置使用 2 个非接触传感器检测钢珠运动，配合信号处理和显示电路获得钢珠的运动参数。
二、要求
1．基本要求
规定传感器宽度 w≤20mm，传感器 1 和 2 之间的距离 l 任意选择。
（1）按照图 1 所示放置管道，由 A 端放入 2~10 粒钢珠，每粒钢珠放入的时间间隔≤2s，要求装置能够显示放入钢珠的个数。
（2）分别将管道放置为 A 端高于 B 端或 B 端高于 A 端，从高端放入 1 粒钢珠，要求能够显示钢珠的运动方向。
（3）按照图 1 所示放置管道，倾斜角ɑ为 10º~80º之间的某一角度，由 A 端放入 1 粒钢珠，要求装置能够显示倾斜角ɑ的角度值，测量误差的绝对值≤3º。
2．发挥部分
设定传感器 1 和 2 之间的距离 l 为 20mm，传感器 1 和 2 在管道外表面上安放的位置不限。
（1）将 1 粒钢珠放入管道内，堵住两端的管口，摆动管道，摆动周期≤1 s，摆动方式如图 2 所示，要求能够显示管道摆动的周期个数。
（2）按照图 1 所示放置管道，由 A 端一次连续倒入 2~10 粒钢珠，要求装置能够显示倒入钢珠的个数。
（3）按照图 1 所示放置管道，倾斜角ɑ为 10º~80º之间的某一角度，由 A 端放入 1 粒钢珠，要求装置能够显示倾斜角ɑ的角度值，测量误差的绝对值≤3º。
（4）其他。
三、说明
- 管道采用市售非透明 4 分（外径约 20 mm）硬塑料管材，要求内壁光滑，没有加工痕迹，长度为 500 mm。钢珠直径小于管道内径，具体尺寸不限。
- 发挥部分（2），“由 A 端一次连续倒入 2~10 粒钢珠”的推荐方法：将硬纸卷成长槽形状，槽内放入 2~10 粒钢珠，长槽对接 A 端管口，倾斜长槽将全部钢珠一次倒入管道内。
- 所有参数以 2 位十进制整数形式显示；基本部分（2）A 端向 B 端运动方向显示“01”，B 向 A 端运动方向显示“10”。
GPT-4o给出的设计方案：
一、项目概述
设计并制作一个管道内径倾斜运动测量装置，通过两个非接触传感器监测倾斜运动，配合信号处理和显示电路获取倾斜运动的相关参数，实现对钢珠运动的实时监测与显示。
二、硬件选型
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非接触传感器
- 类型：红外接近传感器或激光传感器
- 数量：2个，分别安装在A端和B端（具体位置见图1）
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主控板
- 类型：微控制器（如Arduino或Raspberry Pi）
- 功能：信号处理与数据计算
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显示模块
- 类型：LCD显示屏或OLED显示模块
- 功能：实时显示钢珠通过时间及倾斜角度
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信号处理单元
- 类型：运算放大器及滤波电路
- 功能：处理传感器输出信号，提高信号精度与稳定性
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电源模块
- 类型：稳压电源或锂电池供电
- 功能：提供系统运行所需电源
三、系统设计
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硬件设计
- 传感器安装：两个非接触传感器分别安装在钢管的A端和B端，距离符合设计要求。
- 主控板连接：将传感器信号连接到主控板，通过信号处理单元进行数据处理。
- 显示模块：连接到主控板，用于实时显示钢珠的运动时间和角度。
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软件设计
- 数据采集：编写程序读取传感器数据，处理并计算钢珠倾斜运动的时间和角度。
- 数据显示：通过显示模块实时展示钢珠通过管道的时间和倾斜角度。
- 校准与调整：对传感器的输出进行校准，确保测量精度满足要求。
四、测试与调试
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系统调试
- 传感器调试：确保传感器能准确检测到钢珠的运动，并输出稳定信号。
- 数据处理调试：确认数据处理与显示模块工作正常，确保显示结果准确。
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系统测试
- 模拟实际环境中的钢珠运动，测试系统的稳定性和精度。
- 检查系统对不同角度和时间的测量误差，确保符合设计要求。
结论
该装置通过合理的传感器选型和精密的信号处理，实现了对钢珠在管道内倾斜运动的实时监测，达到了精度高、响应快、易操作的目标。适用于管道内径倾斜运动测量的实际应用。
本题考察的知识点
- 传感器选型与应用：理解并选用合适的非接触传感器来监测钢珠的运动。
- 信号处理：利用信号处理单元过滤和放大传感器信号，提高测量精度。
- 数据计算与显示：使用微控制器读取传感器数据，进行实时的时间和角度计算，并通过显示模块显示结果。
- 系统集成与调试：将各个硬件模块进行合理连接和协调工作，并对系统进行调试，确保测量精度和稳定性。
