熱防護系統(tǒng)的無線溫度監(jiān)測技術發(fā)展

1 引言

具有競爭力的商業(yè)可重復使用運載飛行器(RLV)代替老化的航天飛機是NASA和美國航空、航天工業(yè)的一個主要目標[1]。為了達到這個目標，NASA追求創(chuàng)新技術的發(fā)展，降低成本、增加飛行的安全性和可靠性，需要提高的一個主要方面就是地面操作。如果每架航天飛機按能完成一百次飛行計算，地面操作所占的費用大約占生產(chǎn)周期費用的25%-30%。當前的程序依賴于人力來完成整個外部表面的詳細的檢測，需要人為的識別損傷的位置、尺寸，并作判斷是否應該忽略、修補、替換，其中最耗時、最單調(diào)的工作就是檢測20000多片防熱瓦間的縫隙[2]。檢測者必須檢測每一個瓦縫隙是否存在填料，以及填料的質(zhì)量，對于那些不符合要求的縫隙，或者有跡象表明會有熱氣流進入的地方，就必須拿掉防熱瓦，以便檢查內(nèi)部的損傷。與當前的航天飛機程序相比，將來的RLV地面操作需要更低的維護人員費用，但是卻要更快的返回周期，下一代RLV的飛行周期將是以天為單位，而不是月，因此必須開發(fā)一種全新的健康監(jiān)測技術。

對于熱防護系統(tǒng)(TPS)而言，它的最主要的功能就是保證內(nèi)部結(jié)構(gòu)不超過設計的溫度極限，因此，對于TPS的健康監(jiān)測而言，最主要的參數(shù)就是溫度，而TPS特殊的應用背景，使得對應用于其中的傳感器必須：足夠小、足夠輕、不能反向影響TPS的熱、力性能、必須最小的增加TPS的生產(chǎn)費用、使用壽命必須高于TPS的使用壽命，或者必須容易替換和維護、具有較大的工作溫度范圍、必須是無線通訊。無線通訊是大勢所趨，因為線的存在不僅會增加質(zhì)量，而且難以安放線的位置、難以修理破壞的線。為此出現(xiàn)了一種叫做SensorTag[2]的裝置，它的設計思想是不在飛行器內(nèi)部收集傳感器數(shù)據(jù)，而是依賴于外部入口處或者便攜式的讀數(shù)器收集數(shù)據(jù)。從類型上看共有兩種類型的SensorTag，一種是被動式的，一種是主動式，主動式的利用電池提供能量來完成數(shù)據(jù)采集/傳輸，而被動式不需要內(nèi)部的電池。NASA Ames一直被認為是開發(fā)TPS檢測和健康管理技術的領導核心，被動式的SensorTag方面的研究工作是由NASA Ames和國際斯坦福研究中心聯(lián)合開展的，主動式的研究工作是由NASA Ames和Koreks公司負責[3]。

本文對國外熱防護系統(tǒng)溫度健康監(jiān)測進行了充分的調(diào)研，概述了被動式和主動式的溫度無線傳感技術，介紹了發(fā)展的歷史和現(xiàn)狀，總結(jié)兩種方法優(yōu)缺點，為我國外來的相關方向的研究設計、制造提供了依據(jù)。

2 被動式的SensorTag

2.1 工作原理

圖1給出了SensorTag系統(tǒng)的原理圖，包括外部的微讀數(shù)器和一定數(shù)量的SensorTag微裝置。傳感器之間都是彼此獨立的。每個傳感器都貼在一個射頻調(diào)諧電路上，該電路上包含一個射頻識別微片。這個裝置叫做SensoTag，因為這個微片可以用獨一無二的識別號標記電路,因此也可以叫做“標識傳感器”。

這個系統(tǒng)的操作可以這樣描述：首先射頻(RF)收發(fā)器[4](或者稱為讀數(shù)器)激發(fā)埋在內(nèi)部的微傳感器。輻射在微傳感器上的能量經(jīng)整流后產(chǎn)生直流電(DC)以供完成微傳感器操作。接下來，SensorTag上的射頻識別微片(RFID)根據(jù)存儲在記憶中的ID碼和傳感器狀態(tài)調(diào)整后經(jīng)微傳感器的天線反向散射回去。最后，接收器解調(diào)接受到的反向散射，將ID和傳感器的狀態(tài)報告給計算機。這些傳感器的數(shù)據(jù)可能是傳感器的當前狀態(tài)(比如：現(xiàn)在你還能夠防水嗎?)，也可能是前一傳感器記錄的狀態(tài)(比如：這次飛行的最大溫度是?)，或者是飛行數(shù)據(jù)的具體曲線圖。如果存在問題，那么計算機就更新監(jiān)測的數(shù)據(jù)庫，并為未來的檢測和維修標記此特別位置。

微傳感器的工作電壓來自于讀數(shù)器與SensorTag間的互感作用，如圖2所示，互感應系數(shù)為M21。讀數(shù)器中的線圈通過電感作用使得電路中的電流達到最大值，這樣使得SensorTag中的線圈產(chǎn)生最大磁場。相反，在SensorTag電路中，自感線圈與電壓并聯(lián)。這樣可以得到最大的射頻電壓，并經(jīng)過整流后供RFID片使用。

2.2 SensorTag技術發(fā)展

第一代的SensorTag[2]是1999年生產(chǎn)出來的，如圖3所示。主要組成零件都是商用成品包括：一個鐵氧體磁棒，絕緣的銅絲，兩個電容器，一個硅的微片，一個熱保險絲。他們被安裝在一塊電路板底片上。這些元件都能經(jīng)受200℃的溫度，除了熱保險絲會在187℃時熔斷。為了將這些元件封裝保護起來，普通商用上可以將他們封裝在玻璃內(nèi)，但是對于TPS而言顯然是不行的，因此在1999年的試驗中利用Kapton聚酰亞胺進行了封裝。

第二代的SensorTag是2000年生產(chǎn)出來的，如圖4所示。第二代在尺寸、質(zhì)量和溫度方面的性能都有所提高。橫向尺寸由原來的0.38cm減小到0.12cm。主要部件比以前的少了一個電容器。使用聚合物涂層進行封裝。方法是：將裝置插到聚合物溶液內(nèi)，如果需要的話也可以在130℃的爐子內(nèi)進行一些處理，硬化后的陶瓷更硬更輕，而且防水、低電磁損耗、防油、防鹽。

2.3 性能分析

兩代SensorTag最大的不同就是：第二代SensorTag中使用MCRF202芯片代替了原來的MCRF200。對于傳感器的狀態(tài)識別第一代使用頻移方法，第二代使用比特流轉(zhuǎn)化的方法。

在第一個概念中，使用了兩個調(diào)諧電容用來建立共振頻率。如圖5所示，給出了最初設計的工作電路圖，最初這些保險絲都是閉合的，這個裝置的共振頻率由兩個并聯(lián)的電容器決定。當保險絲閉合的時候(圖中兩個黑色的點)，RFID片在某一頻率下達到最大的響應，當保險絲斷開的時候，電路的共振頻率增加,對應另外一個頻率的最大響應。當共振電路的品質(zhì)因子非常高的時候，通過頻率的分離就可以容易的辨別出傳感器的兩個不同狀態(tài)。

盡管這種方法可以運行，但它的缺點是(1)需要兩個頻率的讀數(shù)器，(2)如果讀數(shù)器與SensorTag距離太近，那么讀數(shù)器的讀數(shù)將是模棱兩可的。第二個概念不會有這樣的缺點，因為這個裝置包括一個轉(zhuǎn)換開關。當開關閉合(保險絲連接)時，射頻識別返回通常的ID號，通常為64-256位之間，當開關打開(溫度高，絲斷)的時候，射頻識別返回一個反位的ID號?？朔艘粋€讀數(shù)器需要在兩個不同頻率下操作的缺點，同時也消除了讀數(shù)范圍小，或者是共振器的品質(zhì)因數(shù)小時，移頻設計帶來的不確定性。

早期的SensorTag樣件曾在國際斯坦福研究中心進行了加熱試驗，在NASA Ames研究中心進行過高溫的電弧噴射試驗。試驗發(fā)現(xiàn)：如果不超過保險絲的溫度極限，電路的頻率是103kHz，如果保險絲的溫度超過極限，電路的頻率是156kHz，設計的射頻識別技術工作在125kHz;溫度超過了200℃，SensorTag失效，用手動讀數(shù)器檢測時，所有存活下來的SensorTag都能正確的給出結(jié)果。第二代的熱性能試驗結(jié)果表明：在285℃下保持15分鐘，性能正常，無任何問題;在315℃下保持15分鐘，環(huán)氧樹脂變暗，熔絲熔斷成了球;進一步400℃下的試驗表明，將來有能力制造短時承受400℃的SensorTag，甚至能夠承受450℃的再入溫度。但是電可擦除只讀存儲器微片(如MCRF202)在高溫下的數(shù)據(jù)存儲能力有待于進一步提高。

3 主動的無線傳感技術

主動的無線傳感器與被動式的最大不同就是它利用電池提供能量幫助完成數(shù)據(jù)采集和/或傳輸。傳感器能夠在飛行中測量并記錄TPS參數(shù)的歷程。含有RFID的電路放置在TPS防熱瓦的冷面中心(理論上，航天飛機此處極限溫度小于125℃，未來的RLV小于350℃)，內(nèi)部用線連接瓦內(nèi)的各種傳感器——比如瓦間縫隙的溫度傳感器。在下次任務前，使用者利用外部的無線讀數(shù)器將數(shù)據(jù)采集的規(guī)范下載到這個裝置，這個裝置按照指令接收和存儲數(shù)據(jù)，過一段時間以后，使用者將帶有時間標識的數(shù)據(jù)上傳。整個裝置作為一個獨立完整的儀器可以在一次或者多次飛行中使用，這依賴于電池的使用壽命。

在2000年，為了驗證概念的可行性，制造出了一個主動式SensorTag的原樣機(圖7)。大小為5cm見方的尺寸。這個裝置的主要零件包括：電池、溫度信號調(diào)節(jié)系統(tǒng)、穩(wěn)定的內(nèi)存、時鐘、RFID收發(fā)器、微控制器、能量自給裝置、讀數(shù)器以及軟件。裝置中所用的電池為特殊的耐高溫鋰電池，具有很大的電量，并且滿足尺寸要求。使用了耐高溫的可擦除只讀存儲器微芯片存儲數(shù)據(jù)，能夠存儲所有的相關數(shù)據(jù)，比如起始時間和采樣周期等，這樣就可以進行溫度歷程的重構(gòu)。能量自給裝置能夠滿足3年或者45次使用周期。手持讀數(shù)器為大約17cm見方的一個線圈，工作的范圍為15cm，數(shù)據(jù)傳輸速率約為3kbit/s。在TPS的下面，航天飛機的結(jié)構(gòu)表面大部分為鋁片，當然最新的飛行器的設計采用先進的碳基復合材料。RFID通訊試驗表明對于任意給定的標準頻率，RFID都可以穿過厚達10.2cm厚的TPS材料與手持的讀數(shù)器實現(xiàn)通訊。原樣機的試驗表明，該裝置能夠記錄512秒內(nèi)的兩組溫度歷程數(shù)據(jù)。

在2002年開發(fā)了一種改進的主動式傳感器樣機，尺寸減少到2.54cm見方，更容易集成到TPS中(圖8);利用三只熱電偶采集并存儲數(shù)據(jù)。樣件可以穿過7-10cm厚的熱防護材料進行通訊，試驗表明：，傳感器可以測量并存儲600秒的數(shù)據(jù)，可以實現(xiàn)溫度歷程的重構(gòu)。

4 TPS溫度無線傳感技術的問題與展望

未來的實際應用中必然是被動式和主動式配合使用，根據(jù)不同的需求合理選擇。主動式的潛在優(yōu)點是具有較大的讀數(shù)范圍，能夠從一個或者多個傳感器查詢和存儲數(shù)據(jù)。能夠獲得整個飛行階段的歷史數(shù)據(jù)。缺點是質(zhì)量、體積、電池使用壽命受到當前技術發(fā)展的限制。因此能量是主動式重點改進的一個主要方面，將來可以考慮充分利用其他形式的能量(比如溫度梯度產(chǎn)生的熱流，或者振動能等等)，將這些能量存儲起來用以延長這些裝置的使用壽命。

被動式tags的潛在優(yōu)點是具有較長的壽命和較少的尺寸。未來微電機械系統(tǒng)(MEMS)傳感器的發(fā)展將會大大的增加被動式tags的使用。特別是MEMS裝置可以存儲飛行任務中的最大溫度，并可以通過讀數(shù)器利用命令進行調(diào)用，可以在飛行器的所有位置使用，能夠提供TPS性能和粘接情況的定量信息。

傳感器的讀數(shù)速度和無線通訊的距離是一個重要的研究方向。試驗表明，對于一百多個RFID，利用一個18cm見方的讀數(shù)器，需要一分鐘才能完成通訊，這就意味著對于RLV而言需要眾多的讀數(shù)器和接收站來讀數(shù)以萬計的終端。密封的金屬基熱防護系統(tǒng)結(jié)構(gòu)同時也會帶來無線信號的屏蔽問題，加大信號傳輸、通訊的難度。另外，如果未來巨大的入口式掃描檢測概念得到實施，必將帶來讀數(shù)范圍的問題，盡管可以使用移動的3D掃描頭[5]或者是機器人解決這些問題，但是提高通訊的距離無疑會大大提高檢測速度。

從元件的發(fā)展來看，今后的元件都會向低能耗(小于10微瓦)、高可靠性、耐高溫、大的數(shù)據(jù)存儲量方向發(fā)展。從研究內(nèi)容上看，一方面會繼續(xù)提高傳感器的應用范圍，另一方面會擴展傳感器的監(jiān)測功能，比如增加應變、加速度、振動[6]熱流[7]等其他參數(shù)的監(jiān)測功能，向多功能化方向發(fā)展。光纖光柵傳感器[8]可以進行多路傳輸、測量不同的結(jié)構(gòu)參數(shù)、抗電磁干擾，若能對其實現(xiàn)無線通訊，必將會帶來新的發(fā)展契機。

參 考 文 獻

[1] Blosser M L. Advanced metallic thermal protection system development[R]. AIAA 2002-0504, 2002.

[2] Frank S. Milos, David G. Watters, Joan B. Pallix. Wireless subsurface microsensors for health monitoring of thermal protection systems on hypersonic vehicles[J]. Proc. of SPIE Vol. 4335. 2001.

[3] Frank S. Milos, K. S. G. Karunaratne Active wireless temperature sensors for aerospace thermal protection systems[J]. Proc. of SPIE Vol. 5047. 2003.

[4] D. G. Watters, P. Jayaweera, A. J. Bahr, Design and performance of wireless sensors for structural health monitoring[J]. Structural Engineering and Mechanics, v 17, n 3-4, March/April, 2004, p 393-408

[5] Joseph P. Lavelle, Stefan R. Schuet, Daniel J. Schuet. High-speed 3D scanner with real-time 3D processing[J]. Proc. of SPIE Vol. 5393. 2004

[6] R. Graue A. Reutlinger, J. Werner. TPS Health Monitoring on X-38[J]. SPIE Vol. 3668. 1999

[7] Ed Martinez, Ethiraj Venkatapathy, Tomo Oishi. Current developments in future planetary probe sensors for TPS[R]. European Space Agency, ESA SP, n 544, p 249-252. 2004

[8] W. H. Prosser, M. C. Wu, S. G. Allison. Structural health monitoring sensor development at NASA Langley Research Center [A]. NACA Technical Reports [R]. Hampton: NASA Langley Research Center, 2003. 1-6.