1 引言

具有競爭力的商業(yè)可重復(fù)使用運(yùn)載飛行器(RLV)代替老化的航天飛機(jī)是NASA和美國航空、航天工業(yè)的一個(gè)主要目標(biāo)[1]。為了達(dá)到這個(gè)目標(biāo)，NASA追求創(chuàng)新技術(shù)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(gè)主要方面就是地面操作。如果每架航天飛機(jī)按能完成一百次飛行計(jì)算，地面操作所占的費(fèi)用大約占生產(chǎn)周期費(fèi)用的25%-30%。當(dāng)前的程序依賴于人力來完成整個(gè)外部表面的詳細(xì)的檢測，需要人為的識(shí)別損傷的位置、尺寸，并作判斷是否應(yīng)該忽略、修補(bǔ)、替換，其中最耗時(shí)、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(gè)瓦縫隙是否存在填料，以及填料的質(zhì)量，對(duì)于那些不符合要求的縫隙，或者有跡象表明會(huì)有熱氣流進(jìn)入的地方，就必須拿掉防熱瓦，以便檢查內(nèi)部的損傷。與當(dāng)前的航天飛機(jī)程序相比，將來的RLV地面操作需要更低的維護(hù)人員費(fèi)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(shù)。

對(duì)于熱防護(hù)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(shè)計(jì)的溫度極限，因此，對(duì)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(yīng)用背景，使得對(duì)應(yīng)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(fèi)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(hù)、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?yàn)榫€的存在不僅會(huì)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(shè)計(jì)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(dòng)式的，一種是主動(dòng)式，主動(dòng)式的利用電池提供能量來完成數(shù)據(jù)采集/傳輸，而被動(dòng)式不需要內(nèi)部的電池。NASA Ames一直被認(rèn)為是開發(fā)TPS檢測和健康管理技術(shù)的領(lǐng)導(dǎo)核心，被動(dòng)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(dòng)式的研究工作是由NASA Ames和Koreks公司負(fù)責(zé)[3]。

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

2 被動(dòng)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(dú)立的。每個(gè)傳感器都貼在一個(gè)射頻調(diào)諧電路上，該電路上包含一個(gè)射頻識(shí)別微片。這個(gè)裝置叫做SensoTag，因?yàn)檫@個(gè)微片可以用獨(dú)一無二的識(shí)別號(hào)標(biāo)記電路,因此也可以叫做“標(biāo)識(shí)傳感器”。

這個(gè)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(shí)別微片(RFID)根據(jù)存儲(chǔ)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(bào)告給計(jì)算機(jī)。這些傳感器的數(shù)據(jù)可能是傳感器的當(dāng)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(jì)算機(jī)就更新監(jiān)測的數(shù)據(jù)庫，并為未來的檢測和維修標(biāo)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(yīng)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(dá)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(shù)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(gè)鐵氧體磁棒，絕緣的銅絲，兩個(gè)電容器，一個(gè)硅的微片，一個(gè)熱保險(xiǎn)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(xiǎn)絲會(huì)在187℃時(shí)熔斷。為了將這些元件封裝保護(hù)起來，普通商用上可以將他們封裝在玻璃內(nèi)，但是對(duì)于TPS而言顯然是不行的，因此在1999年的試驗(yàn)中利用Kapton聚酰亞胺進(jìn)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(gè)電容器。使用聚合物涂層進(jìn)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(jìn)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(duì)于傳感器的狀態(tài)識(shí)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(gè)概念中，使用了兩個(gè)調(diào)諧電容用來建立共振頻率。如圖5所示，給出了最初設(shè)計(jì)的工作電路圖，最初這些保險(xiǎn)絲都是閉合的，這個(gè)裝置的共振頻率由兩個(gè)并聯(lián)的電容器決定。當(dāng)保險(xiǎn)絲閉合的時(shí)候(圖中兩個(gè)黑色的點(diǎn))，RFID片在某一頻率下達(dá)到最大的響應(yīng)，當(dāng)保險(xiǎn)絲斷開的時(shí)候，電路的共振頻率增加,對(duì)應(yīng)另外一個(gè)頻率的最大響應(yīng)。當(dāng)共振電路的品質(zhì)因子非常高的時(shí)候，通過頻率的分離就可以容易的辨別出傳感器的兩個(gè)不同狀態(tài)。

盡管這種方法可以運(yùn)行，但它的缺點(diǎn)是(1)需要兩個(gè)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(gè)概念不會(huì)有這樣的缺點(diǎn)，因?yàn)檫@個(gè)裝置包括一個(gè)轉(zhuǎn)換開關(guān)。當(dāng)開關(guān)閉合(保險(xiǎn)絲連接)時(shí)，射頻識(shí)別返回通常的ID號(hào)，通常為64-256位之間，當(dāng)開關(guān)打開(溫度高，絲斷)的時(shí)候，射頻識(shí)別返回一個(gè)反位的ID號(hào)?？朔艘粋€(gè)讀數(shù)器需要在兩個(gè)不同頻率下操作的缺點(diǎn)，同時(shí)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(shí)，移頻設(shè)計(jì)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(jìn)行了加熱試驗(yàn)，在NASA Ames研究中心進(jìn)行過高溫的電弧噴射試驗(yàn)。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：如果不超過保險(xiǎn)絲的溫度極限，電路的頻率是103kHz，如果保險(xiǎn)絲的溫度超過極限，電路的頻率是156kHz，設(shè)計(jì)的射頻識(shí)別技術(shù)工作在125kHz;溫度超過了200℃，SensorTag失效，用手動(dòng)讀數(shù)器檢測時(shí)，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(yàn)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(jìn)一步400℃下的試驗(yàn)表明，將來有能力制造短時(shí)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(chǔ)器微片(如MCRF202)在高溫下的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力有待于進(jìn)一步提高。

3 主動(dòng)的無線傳感技術(shù)

主動(dòng)的無線傳感器與被動(dòng)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(jī)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(wù)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(gè)裝置，這個(gè)裝置按照指令接收和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，過一段時(shí)間以后，使用者將帶有時(shí)間標(biāo)識(shí)的數(shù)據(jù)上傳。整個(gè)裝置作為一個(gè)獨(dú)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(yàn)證概念的可行性，制造出了一個(gè)主動(dòng)式SensorTag的原樣機(jī)(圖7)。大小為5cm見方的尺寸。這個(gè)裝置的主要零件包括：電池、溫度信號(hào)調(diào)節(jié)系統(tǒng)、穩(wěn)定的內(nèi)存、時(shí)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(chǔ)器微芯片存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，能夠存儲(chǔ)所有的相關(guān)數(shù)據(jù)，比如起始時(shí)間和采樣周期等，這樣就可以進(jìn)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(gè)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(jī)的結(jié)構(gòu)表面大部分為鋁片，當(dāng)然最新的飛行器的設(shè)計(jì)采用先進(jìn)的碳基復(fù)合材料。RFID通訊試驗(yàn)表明對(duì)于任意給定的標(biāo)準(zhǔn)頻率，RFID都可以穿過厚達(dá)10.2cm厚的TPS材料與手持的讀數(shù)器實(shí)現(xiàn)通訊。原樣機(jī)的試驗(yàn)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(jìn)的主動(dòng)式傳感器樣機(jī)，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(chǔ)數(shù)據(jù)。樣件可以穿過7-10cm厚的熱防護(hù)材料進(jìn)行通訊，試驗(yàn)表明：，傳感器可以測量并存儲(chǔ)600秒的數(shù)據(jù)，可以實(shí)現(xiàn)溫度歷程的重構(gòu)。

4 TPS溫度無線傳感技術(shù)的問題與展望

未來的實(shí)際應(yīng)用中必然是被動(dòng)式和主動(dòng)式配合使用，根據(jù)不同的需求合理選擇。主動(dòng)式的潛在優(yōu)點(diǎn)是具有較大的讀數(shù)范圍，能夠從一個(gè)或者多個(gè)傳感器查詢和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。能夠獲得整個(gè)飛行階段的歷史數(shù)據(jù)。缺點(diǎn)是質(zhì)量、體積、電池使用壽命受到當(dāng)前技術(shù)發(fā)展的限制。因此能量是主動(dòng)式重點(diǎn)改進(jìn)的一個(gè)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(dòng)能等等)，將這些能量存儲(chǔ)起來用以延長這些裝置的使用壽命。

被動(dòng)式tags的潛在優(yōu)點(diǎn)是具有較長的壽命和較少的尺寸。未來微電機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)傳感器的發(fā)展將會(huì)大大的增加被動(dòng)式tags的使用。特別是MEMS裝置可以存儲(chǔ)飛行任務(wù)中的最大溫度，并可以通過讀數(shù)器利用命令進(jìn)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(gè)重要的研究方向。試驗(yàn)表明，對(duì)于一百多個(gè)RFID，利用一個(gè)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(duì)于RLV而言需要眾多的讀數(shù)器和接收站來讀數(shù)以萬計(jì)的終端。密封的金屬基熱防護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)同時(shí)也會(huì)帶來無線信號(hào)的屏蔽問題，加大信號(hào)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(shí)施，必將帶來讀數(shù)范圍的問題，盡管可以使用移動(dòng)的3D掃描頭[5]或者是機(jī)器人解決這些問題，但是提高通訊的距離無疑會(huì)大大提高檢測速度。

從元件的發(fā)展來看，今后的元件都會(huì)向低能耗(小于10微瓦)、高可靠性、耐高溫、大的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量方向發(fā)展。從研究內(nèi)容上看，一方面會(huì)繼續(xù)提高傳感器的應(yīng)用范圍，另一方面會(huì)擴(kuò)展傳感器的監(jiān)測功能，比如增加應(yīng)變、加速度、振動(dòng)[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(jìn)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(duì)其實(shí)現(xiàn)無線通訊，必將會(huì)帶來新的發(fā)展契機(jī)。

參 考 文 獻(xiàn)

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