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1、 热防护系统的无线温度监测技术发展Development of Wireless Temperature Sensors Technology for Thermal Protection Systems摘 要：阐述了温度无线传感技术在热防护系统健康监测中应用的现状和特点；比较分析了被动式和主动式无线传感装置的原理和特点，指出了各自的优点和不足。总结了今后的发展方向。关键词：无线；SensorTag；热防护系统（TPS）；主动式；被动式；Abstract: Current status and characteristic of application of wireless temperat
2、ure sensors in thermal protection system health monitoring; the principal of operation and features of passive and active wireless sensor tags were compared and analyzed; the advantages and disadvantages were pointed out respectively. The developing trends were summed up.Key words: wireless; SensorT
3、ag; thermal protection system (TPS); active; passive;1 引言具有竞争力的商业可重复使用运载飞行器(RLV)代替老化的航天飞机是NASA和美国航空、航天工业的一个主要目标 1。为了达到这个目标，NASA追求创新技术的发展，降低成本、增加飞行的安全性和可靠性，需要提高的一个主要方面就是地面操作。如果每架航天飞机按能完成一百次飞行计算，地面操作所占的费用大约占生产周期费用的25%30%。当前的程序依赖于人力来完成整个外部表面的详细的检测，需要人为的识别损伤的位置、尺寸，并作判断是否应该忽略、修补、替换，其中最耗时、最单调的工作就是检测20000多
4、片防热瓦间的缝隙 2。检测者必须检测每一个瓦缝隙是否存在填料，以及填料的质量，对于那些不符合要求的缝隙，或者有迹象表明会有热气流进入的地方，就必须拿掉防热瓦，以便检查内部的损伤。与当前的航天飞机程序相比，将来的RLV地面操作需要更低的维护人员费用，但是却要更快的返回周期，下一代RLV的飞行周期将是以天为单位，而不是月，因此必须开发一种全新的健康监测技术。对于热防护系统(TPS)而言，它的最主要的功能就是保证内部结构不超过设计的温度极限，因此，对于TPS的健康监测而言，最主要的参数就是温度，而TPS特殊的应用背景，使得对应用于其中的传感器必须：足够小、足够轻、不能反向影响TPS的热、力性能、必须
5、最小的增加TPS的生产费用、使用寿命必须高于TPS的使用寿命，或者必须容易替换和维护、具有较大的工作温度范围、必须是无线通讯。无线通讯是大势所趋，因为线的存在不仅会增加质量，而且难以安放线的位置、难以修理破坏的线。为此出现了一种叫做SensorTag 2的装置，它的设计思想是不在飞行器内部收集传感器数据，而是依赖于外部入口处或者便携式的读数器收集数据。从类型上看共有两种类型的SensorTag，一种是被动式的，一种是主动式，主动式的利用电池提供能量来完成数据采集/传输，而被动式不需要内部的电池。NASA Ames一直被认为是开发TPS检测和健康管理技术的领导核心，被动式的SensorTag方面
6、的研究工作是由NASA Ames和国际斯坦福研究中心联合开展的，主动式的研究工作是由NASA Ames和Koreks公司负责 3。本文对国外热防护系统温度健康监测进行了充分的调研，概述了被动式和主动式的温度无线传感技术，介绍了发展的历史和现状，总结两种方法优缺点，为我国外来的相关方向的研究设计、制造提供了依据。2 被动式的SensorTag2.1 工作原理图1给出了SensorTag系统的原理图，包括外部的微读数器和一定数量的SensorTag微装置。传感器之间都是彼此独立的。每个传感器都贴在一个射频调谐电路上，该电路上包含一个射频识别微片。这个装置叫做SensoTag，因为这个微片可以用独一
7、无二的识别号标记电路,因此也可以叫做“标识传感器”。这个系统的操作可以这样描述：首先射频（RF）收发器 4（或者称为读数器）激发埋在内部 2 航 空 学 报 第 卷的微传感器。辐射在微传感器上的能量经整流后产生直流电(DC)以供完成微传感器操作。接下来，SensorTag上的射频识别微片(RFID)根据存储在记忆中的ID码和传感器状态调整后经微传感器的天线反向散射回去。最后，接收器解调接受到的反向散射，将ID和传感器的状态报告给计算机。这些传感器的数据可能是传感器的当前状态（比如：现在你还能够防水吗？），也可能是前一传感器记录的状态（比如：这次飞行的最大温度是?），或者是飞行数据的具体曲线图。
8、如果存在问题，那么计算机就更新监测的数据库，并为未来的检测和维修标记此特别位置。微传感器的工作电压来自于读数器与SensorTag间的互感作用，如图2所示，互感应系数为M21。读数器中的线圈通过电感作用使得电路中的电流达到最大值，这样使得SensorTag中的线圈产生最大磁场。相反，在SensorTag电路中，自感线圈与电压并联。这样可以得到最大的射频电压，并经过整流后供RFID片使用。2.2 SensorTag技术发展第一代的SensorTag 2是1999年生产出来的，如图3所示。主要组成零件都是商用成品包括：一个铁氧体磁棒，绝缘的铜丝，两个电容器，一个硅的微片，一个热保险丝。他们被安装在
9、一块电路板底片上。这些元件都能经受200的温度，除了热保险丝会在187时熔断。为了将这些元件封装保护起来，普通商用上可以将他们封装在玻璃内，但是对于TPS而言显然是不行的，因此在1999年的试验中利用Kapton聚酰亚胺进行了封装。第二代的SensorTag是2000年生产出来的，如图4所示。第二代在尺寸、质量和温度方面的性能都有所提高。横向尺寸由原来的0.38cm减小到0.12cm。主要部件比以前的少了一个电容器。使用聚合物涂层进行封装。方法是：将装置插到聚合物溶液内，如果需要的话也可以在130的炉子内进行一些处理，硬化后的陶瓷更硬更轻，而且防水、低电磁损耗、防油、防盐。手持读数器无线通讯天
10、线天线 直流电源调制器 记忆 ID#逻辑区 传感器计算机 收发器埋入内部的微传感器图 1 SensorTag的工作原理示意图Fig. 1 Principle of Operation of SensorTag图 3 1999年第一代SensorTagFig. 3 First Generation SensorTag Manufactured in 1999 图 4 2000年第二代SensorTagFig. 4 Second Generation SensorTag Manufactured in 2000 铁氧体棒 RFID微片 背衬(宽-0.38cm)调谐电容 保险丝电容 热保险丝铁氧体棒
11、 电容 RFID微片 微保险丝装置铝背衬0.12cm0.18cm1.9cm 第 期 文 章 题 目 3图 2 SensorTag的供电电压等效电路Fig. 2 Equivalent Circuit of SensorTag2.3 性能分析两代SensorTag最大的不同就是：第二代SensorTag中使用MCRF202芯片代替了原来的MCRF200。对于传感器的状态识别第一代使用频移方法，第二代使用比特流转化的方法。在第一个概念中，使用了两个调谐电容用来建立共振频率。如图5所示，给出了最初设计的工作电路图，最初这些保险丝都是闭合的，这个装置的共振频率由两个并联的电容器决定。当保险丝闭合的时候（
12、图中两个黑色的点），RFID片在某一频率下达到最大的响应，当保险丝断开的时候，电路的共振频率增加,对应另外一个频率的最大响应。当共振电路的品质因子非常高的时候，通过频率的分离就可以容易的辨别出传感器的两个不同状态。图 5 1999年SensorTag的电路图Fig. 5 The Circuit of SensorTag manufactured in 1999尽管这种方法可以运行，但它的缺点是（1）需要两个频率的读数器，（2）如果读数器与SensorTag距离太近，那么读数器的读数将是模棱两可的。第二个概念不会有这样的缺点，因为这个装置包括一个转换开关。当开关闭合（保险丝连接）时，射频识别返回
13、通常的ID号，通常为64256位之间，当开关打开（温度高，丝断）的时候，射频识别返回一个反位的ID号。克服了一个读数器需要在两个不同频率下操作的缺点，同时也消除了读数范围小，或者是共振器的品质因数小时，移频设计带来的不确定性。图 6 2000年SensorTag的电路图Fig. 6 The Circuit of SensorTag manufactured in 2000早期的SensorTag样件曾在国际斯坦福研究中心进行了加热试验，在NASA Ames研究中心进行过高温的电弧喷射试验。试验发现：如果不超过保险丝的温度极限，电路的频率是103kHz，如果保险丝的温度超过极限，电路的频率是15
14、6kHz，设计的射频识别技术工作在125kHz；温度超过了200，SensorTag失效，用手动读数器检测时，所有存活下来的SensorTag都能正确的给出结果。第二代的热性能试验结果表明：在285下保持15分钟，性能正常，无任何问题；在315下保持15分钟，环氧树脂变暗，熔丝熔断成了球；进一步400下的试验表明，将来有能力制造短时承受400的SensorTag，甚至能够承受450的再入温度。但是电可擦除只读存储器微片(如MCRF202)在高温下的数据存储能力有待于进一步提高。3 主动的无线传感技术主动的无线传感器与被动式的最大不同就是它利用电池提供能量帮助完成数据采集和/或传输。传感器能够在
15、飞行中测量并记录TPS参数的历程。含有RFID的电路放置在TPS防热瓦的冷面中心（理论上，航天飞机此处极限温度小于125，未来的RLV小于350），内部用线连接瓦内的各种传感器比如瓦间缝隙的温度传感器。在下次任务前，使用者利用外部的无线读数器将数据采集的规范下载到这个装置，这个装置按照指令接收和存储数据，过一段时间以后，使用者将带有时间标识的数据上传。整个装置作为一个独立完整的仪器可以在一次或者多次飞行中使用，这依赖于电池的使用寿命。在2000年，为了验证概念的可行性，制造出了一个主动式SensorTag的原样机（图7）。大小为5cm见方的尺寸。这个装置的主要零件包括：电池、温度信号调节系统、稳定的内存、时钟、RFID收发器、微控制器、能量自给装置、读数器V2读数器 SensorTagTM125 kHzM21L1I1L2C2RFIDchipC1震荡器数据检测电路外部开关 4 航 空 学 报 第 卷以及软件。装置中所用的电池为特殊的耐高温锂电池，具有很大的电量，并且满足尺寸要求。使用了
