自动武器膛口信号检测

卫文强，李忠新，仲其伐

（南京理工大学机械工程学院，江苏南京 210094）

0 引言

自动武器弹丸初速测定是枪弹及火药的研制和鉴定中的基本实验项目，也是衡量自动武器弹药弹道的参数之一。本文讨论轻武器膛口出弹信号检测方法，并给出信号调理电路。

1 工作原理

如图1所示为弹丸膛口测量系统装置示意图，最外线圈是直流供电的励磁线圈，内层为感应线圈，从感应线圈出去接信号调理电路。首先介绍工作原理。

图1 膛口测量系统装置

在静态情况下，直流稳压供电给励磁线圈产生一稳定磁场。当弹丸穿过线圈的过程中，弹丸充当了电磁线圈介质而改变了磁场分布，导致磁通发生变化。根据电磁学公式

U为通电线圈感应电动势;Φ为线圈的磁通;t为时间。

线圈两端产生感应电动势即等于时间t内的磁通变化。

2 测试系统原理

弹丸穿过线圈时，感应电动势的强弱与线圈的半径和弹丸的口径有关［1］。试验验证的信号幅值为几个毫伏，经过放大电路放大1 000倍可达到便于示波器或A/D转换能够接受的几伏特，如图2所示为测试系统的系统框图。

图2 测试系统框图

3 前置放大电路设计［2］

由于前置放大电路直接放大来自感应线圈的电动势，而传感器产生的信号非常弱，很容易受到噪声污染，故需采用高精度、高稳定性、高输入阻抗低输出阻抗、高共模抑制比、低噪声和抗干扰能力强的仪表放大器。本设计采用双低功耗双极型运算放大器AD706，该放大器具有工作电压宽（±2～±18 V），输入阻抗高，输入失调电压低，输入失调电压漂移小等特点。如图3所示，设计的AD706组成的放大倍数为100倍的双运放仪器放大器电路。

电路中 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计算，取电阻标准系列值R2=R3=560 Ω，R7=20 kΩ变阻器。根据计算取到R 7=16.5 kΩ时，得到图4所示的输入输出放大对比波形图。图中的波形在频率3 kHz，4 mV的交流输入得到，图4显示输出滞后输入18.939 μs，放大倍数94与预计有偏差，通过调节R7可以得到理想放大倍数A1。

4 信号滤波

膛口信号检测中，由于来自传感器的信号微弱，易受噪声污染。这些噪声包括环境噪声、电路元器件自身噪声、武器本身振动等。若电源来自市电变换，还含有50 Hz的工频噪声。为缩短滤波器的设计周期，本文采用了Multisim10中的Filter Wizard设计一低通滤波器［3］。

图5 参数设置界面

某轻武器弹丸出膛口速度约为300 m/s，图1线圈L为10 cm，则估计的信号频率为3 kHz。考虑速度波动要留有裕量，图5所示为参数设置界面。合理参数设置完成后，自动设计完成图6所示的由OPAMP组成的切比雪夫低通滤波器。由于设定电阻设定2 kΩ，而电容值非系列值，故需做小的改动，使电容值标准化。改动后的电路频率响应曲线如图7所示，满足设计要求。

5 后置放大电路

后置放大电路的目的是进一步为来自线圈的感应电压放大到伏特级，以便于后续处理。由于前置仪表放大了100倍，故后置放大倍数为10倍可以达到伏特电压。采用运算放大器反相输入，经过前后两级放大得到相位相同的输入输出信号。设实际的后置放大倍数为A2，则两级放大倍数为A=A1×A2。

6 电压跟随器

电压跟随器具有高输入阻抗、低输出阻抗的特点，在电路中作为缓冲隔离电路，当在输入和反馈线路上加电阻RP和RF则起到限流保护作用。然而，与无电阻的跟随器相比，因元件多而导致定态误差较大［4］。

7 结语

本文所阐述的膛口信号检测原理方法基于线圈靶原理又不同于线圈靶，该原理已在实践中使用。使用励磁感应线圈，避免了测速时将弹丸磁化过程。设计的放大滤波电路已通过模拟仿真，符合设计需求。

［1］何运峰，王昌明，柳光辽，等.感应式线圈靶半径分布对区截信号的影响［J］.南京理工大学学报，2002，26（5）:473-476.

［2］吴丽华，童子权，张剑.电子测量电路［M］.哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社，2004.6.

［3］熊伟，侯传教，梁青，等.Multisim 7电路设计及仿真应用［M］.北京:清华大学出版社，2005.7.

［4］周严.测控系统电子技术［M］.北京:科学出版社，2007.