自動武器膛口信號檢測

衛文強，李忠新，仲其伐

（南京理工大學機械工程學院，江蘇南京 210094）

0 引言

自動武器彈丸初速測定是槍彈及火藥的研制和鑒定中的基本實驗項目，也是衡量自動武器彈藥彈道的參數之一。本文討論輕武器膛口出彈信號檢測方法，并給出信號調理電路。

1 工作原理

如圖1所示為彈丸膛口測量系統裝置示意圖，最外線圈是直流供電的勵磁線圈，內層為感應線圈，從感應線圈出去接信號調理電路。首先介紹工作原理。

圖1 膛口測量系統裝置

在靜態情況下，直流穩壓供電給勵磁線圈產生一穩定磁場。當彈丸穿過線圈的過程中，彈丸充當了電磁線圈介質而改變了磁場分布，導致磁通發生變化。根據電磁學公式

U為通電線圈感應電動勢;Φ為線圈的磁通;t為時間。

線圈兩端產生感應電動勢即等于時間t內的磁通變化。

2 測試系統原理

彈丸穿過線圈時，感應電動勢的強弱與線圈的半徑和彈丸的口徑有關［1］。試驗驗證的信號幅值為幾個毫伏，經過放大電路放大1 000倍可達到便于示波器或A/D轉換能夠接受的幾伏特，如圖2所示為測試系統的系統框圖。

圖2 測試系統框圖

3 前置放大電路設計［2］

由于前置放大電路直接放大來自感應線圈的電動勢，而傳感器產生的信號非常弱，很容易受到噪聲污染，故需采用高精度、高穩定性、高輸入阻抗低輸出阻抗、高共模抑制比、低噪聲和抗干擾能力強的儀表放大器。本設計采用雙低功耗雙極型運算放大器AD706，該放大器具有工作電壓寬（±2～±18 V），輸入阻抗高，輸入失調電壓低，輸入失調電壓漂移小等特點。如圖3所示，設計的AD706組成的放大倍數為100倍的雙運放儀器放大器電路。

電路中 R 1=R 4=49.9 kΩ;R 2=R 3=49.9/（0.9G－1）;R 7=99.8 kΩ/（0.06G），G 取100計算，取電阻標準系列值R2=R3=560 Ω，R7=20 kΩ變阻器。根據計算取到R 7=16.5 kΩ時，得到圖4所示的輸入輸出放大對比波形圖。圖中的波形在頻率3 kHz，4 mV的交流輸入得到，圖4顯示輸出滯后輸入18.939 μs，放大倍數94與預計有偏差，通過調節R7可以得到理想放大倍數A1。

4 信號濾波

膛口信號檢測中，由于來自傳感器的信號微弱，易受噪聲污染。這些噪聲包括環境噪聲、電路元器件自身噪聲、武器本身振動等。若電源來自市電變換，還含有50 Hz的工頻噪聲。為縮短濾波器的設計周期，本文采用了Multisim10中的Filter Wizard設計一低通濾波器［3］。

圖5 參數設置界面

某輕武器彈丸出膛口速度約為300 m/s，圖1線圈L為10 cm，則估計的信號頻率為3 kHz。考慮速度波動要留有裕量，圖5所示為參數設置界面。合理參數設置完成后，自動設計完成圖6所示的由OPAMP組成的切比雪夫低通濾波器。由于設定電阻設定2 kΩ，而電容值非系列值，故需做小的改動，使電容值標準化。改動后的電路頻率響應曲線如圖7所示，滿足設計要求。

5 后置放大電路

后置放大電路的目的是進一步為來自線圈的感應電壓放大到伏特級，以便于后續處理。由于前置儀表放大了100倍，故后置放大倍數為10倍可以達到伏特電壓。采用運算放大器反相輸入，經過前后兩級放大得到相位相同的輸入輸出信號。設實際的后置放大倍數為A2，則兩級放大倍數為A=A1×A2。

6 電壓跟隨器

電壓跟隨器具有高輸入阻抗、低輸出阻抗的特點，在電路中作為緩沖隔離電路，當在輸入和反饋線路上加電阻RP和RF則起到限流保護作用。然而，與無電阻的跟隨器相比，因元件多而導致定態誤差較大［4］。

7 結語

本文所闡述的膛口信號檢測原理方法基于線圈靶原理又不同于線圈靶，該原理已在實踐中使用。使用勵磁感應線圈，避免了測速時將彈丸磁化過程。設計的放大濾波電路已通過模擬仿真，符合設計需求。

［1］何運峰，王昌明，柳光遼，等.感應式線圈靶半徑分布對區截信號的影響［J］.南京理工大學學報，2002，26（5）:473-476.

［2］吳麗華，童子權，張劍.電子測量電路［M］.哈爾濱:哈爾濱工業大學出版社，2004.6.

［3］熊偉，侯傳教，梁青，等.Multisim 7電路設計及仿真應用［M］.北京:清華大學出版社，2005.7.

［4］周嚴.測控系統電子技術［M］.北京:科學出版社，2007.