自動(dòng)武器膛口信號(hào)檢測(cè)

衛(wèi)文強(qiáng)，李忠新，仲其伐

（南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇南京 210094）

0 引言

自動(dòng)武器彈丸初速測(cè)定是槍彈及火藥的研制和鑒定中的基本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，也是衡量自動(dòng)武器彈藥彈道的參數(shù)之一。本文討論輕武器膛口出彈信號(hào)檢測(cè)方法，并給出信號(hào)調(diào)理電路。

1 工作原理

如圖1所示為彈丸膛口測(cè)量系統(tǒng)裝置示意圖，最外線圈是直流供電的勵(lì)磁線圈，內(nèi)層為感應(yīng)線圈，從感應(yīng)線圈出去接信號(hào)調(diào)理電路。首先介紹工作原理。

圖1 膛口測(cè)量系統(tǒng)裝置

在靜態(tài)情況下，直流穩(wěn)壓供電給勵(lì)磁線圈產(chǎn)生一穩(wěn)定磁場(chǎng)。當(dāng)彈丸穿過(guò)線圈的過(guò)程中，彈丸充當(dāng)了電磁線圈介質(zhì)而改變了磁場(chǎng)分布，導(dǎo)致磁通發(fā)生變化。根據(jù)電磁學(xué)公式

U為通電線圈感應(yīng)電動(dòng)勢(shì);Φ為線圈的磁通;t為時(shí)間。

線圈兩端產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)即等于時(shí)間t內(nèi)的磁通變化。

2 測(cè)試系統(tǒng)原理

彈丸穿過(guò)線圈時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的強(qiáng)弱與線圈的半徑和彈丸的口徑有關(guān)［1］。試驗(yàn)驗(yàn)證的信號(hào)幅值為幾個(gè)毫伏，經(jīng)過(guò)放大電路放大1 000倍可達(dá)到便于示波器或A/D轉(zhuǎn)換能夠接受的幾伏特，如圖2所示為測(cè)試系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖。

圖2 測(cè)試系統(tǒng)框圖

3 前置放大電路設(shè)計(jì)［2］

由于前置放大電路直接放大來(lái)自感應(yīng)線圈的電動(dòng)勢(shì)，而傳感器產(chǎn)生的信號(hào)非常弱，很容易受到噪聲污染，故需采用高精度、高穩(wěn)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(qiáng)的儀表放大器。本設(shè)計(jì)采用雙低功耗雙極型運(yùn)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(diào)電壓低，輸入失調(diào)電壓漂移小等特點(diǎn)。如圖3所示，設(shè)計(jì)的AD706組成的放大倍數(shù)為100倍的雙運(yùn)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(jì)算，取電阻標(biāo)準(zhǔn)系列值R2=R3=560 Ω，R7=20 kΩ變阻器。根據(jù)計(jì)算取到R 7=16.5 kΩ時(shí)，得到圖4所示的輸入輸出放大對(duì)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(shù)94與預(yù)計(jì)有偏差，通過(guò)調(diào)節(jié)R7可以得到理想放大倍數(shù)A1。

4 信號(hào)濾波

膛口信號(hào)檢測(cè)中，由于來(lái)自傳感器的信號(hào)微弱，易受噪聲污染。這些噪聲包括環(huán)境噪聲、電路元器件自身噪聲、武器本身振動(dòng)等。若電源來(lái)自市電變換，還含有50 Hz的工頻噪聲。為縮短濾波器的設(shè)計(jì)周期，本文采用了Multisim10中的Filter Wizard設(shè)計(jì)一低通濾波器［3］。

圖5 參數(shù)設(shè)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(jì)的信號(hào)頻率為3 kHz?？紤]速度波動(dòng)要留有裕量，圖5所示為參數(shù)設(shè)置界面。合理參數(shù)設(shè)置完成后，自動(dòng)設(shè)計(jì)完成圖6所示的由OPAMP組成的切比雪夫低通濾波器。由于設(shè)定電阻設(shè)定2 kΩ，而電容值非系列值，故需做小的改動(dòng)，使電容值標(biāo)準(zhǔn)化。改動(dòng)后的電路頻率響應(yīng)曲線如圖7所示，滿足設(shè)計(jì)要求。

5 后置放大電路

后置放大電路的目的是進(jìn)一步為來(lái)自線圈的感應(yīng)電壓放大到伏特級(jí)，以便于后續(xù)處理。由于前置儀表放大了100倍，故后置放大倍數(shù)為10倍可以達(dá)到伏特電壓。采用運(yùn)算放大器反相輸入，經(jīng)過(guò)前后兩級(jí)放大得到相位相同的輸入輸出信號(hào)。設(shè)實(shí)際的后置放大倍數(shù)為A2，則兩級(jí)放大倍數(shù)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(diǎn)，在電路中作為緩沖隔離電路，當(dāng)在輸入和反饋線路上加電阻RP和RF則起到限流保護(hù)作用。然而，與無(wú)電阻的跟隨器相比，因元件多而導(dǎo)致定態(tài)誤差較大［4］。

7 結(jié)語(yǔ)

本文所闡述的膛口信號(hào)檢測(cè)原理方法基于線圈靶原理又不同于線圈靶，該原理已在實(shí)踐中使用。使用勵(lì)磁感應(yīng)線圈，避免了測(cè)速時(shí)將彈丸磁化過(guò)程。設(shè)計(jì)的放大濾波電路已通過(guò)模擬仿真，符合設(shè)計(jì)需求。

［1］何運(yùn)峰，王昌明，柳光遼，等.感應(yīng)式線圈靶半徑分布對(duì)區(qū)截信號(hào)的影響［J］.南京理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，26（5）:473-476.

［2］吳麗華，童子權(quán)，張劍.電子測(cè)量電路［M］.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2004.6.

［3］熊偉，侯傳教，梁青，等.Multisim 7電路設(shè)計(jì)及仿真應(yīng)用［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2005.7.

［4］周嚴(yán).測(cè)控系統(tǒng)電子技術(shù)［M］.北京:科學(xué)出版社，2007.