热防护系统的无线温度监测技术发展

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SensorTag

2.1 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。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。

2.3 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(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。

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，射频识别返回通常的ID号，通常为64-256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。

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156kHz，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。使用了耐高温的可擦除只读存储器微芯片存储数据，能够存储所有的相关数据，比如起始时间和采样周期等，这样就可以进行温度历程的重构。能量自给装置能够满足3年或者45次使用周期。手持读数器为大约17cm见方的一个线圈，工作的范围为15cm，数据传输速率约为3kbit/s。在TPS的下面，航天飞机的结构表面大部分为铝片，当然最新的飞行器的设计采用先进的碳基复合材料。RFID通讯试验表明对于任意给定的标准频率，RFID都可以穿过厚达10.2cm厚的TPS材料与手持的读数器实现通讯。原样机的试验表明，该装置能够记录512秒内的两组温度历程数据。

在2002年开发了一种改进的主动式传感器样机，尺寸减少到2.54cm见方，更容易集成到TPS中(图8);利用三只热电偶采集并存储数据。样件可以穿过7-10cm厚的热防护材料进行通讯，试验表明：，传感器可以测量并存储600秒的数据，可以实现温度历程的重构。

4 TPS温度无线传感技术的问题与展望

未来的实际应用中必然是被动式和主动式配合使用，根据不同的需求合理选择。主动式的潜在优点是具有较大的读数范围，能够从一个或者多个传感器查询和存储数据。能够获得整个飞行阶段的历史数据。缺点是质量、体积、电池使用寿命受到当前技术发展的限制。因此能量是主动式重点改进的一个主要方面，将来可以考虑充分利用其他形式的能量(比如温度梯度产生的热流，或者振动能等等)，将这些能量存储起来用以延长这些装置的使用寿命。

被动式tags的潜在优点是具有较长的寿命和较少的尺寸。未来微电机械系统(MEMS)传感器的发展将会大大的增加被动式tags的使用。特别是MEMS装置可以存储飞行任务中的最大温度，并可以通过读数器利用命令进行调用，可以在飞行器的所有位置使用，能够提供TPS性能和粘接情况的定量信息。

传感器的读数速度和无线通讯的距离是一个重要的研究方向。试验表明，对于一百多个RFID，利用一个18cm见方的读数器，需要一分钟才能完成通讯，这就意味着对于RLV而言需要众多的读数器和接收站来读数以万计的终端。密封的金属基热防护系统结构同时也会带来无线信号的屏蔽问题，加大信号传输、通讯的难度。另外，如果未来巨大的入口式扫描检测概念得到实施，必将带来读数范围的问题，尽管可以使用移动的3D扫描头[5]或者是机器人解决这些问题，但是提高通讯的距离无疑会大大提高检测速度。

从元件的发展来看，今后的元件都会向低能耗(小于10微瓦)、高可靠性、耐高温、大的数据存储量方向发展。从研究内容上看，一方面会继续提高传感器的应用范围，另一方面会扩展传感器的监测功能，比如增加应变、加速度、振动[6]热流[7]等其他参数的监测功能，向多功能化方向发展。光纤光栅传感器[8]可以进行多路传输、测量不同的结构参数、抗电磁干扰，若能对其实现无线通讯，必将会带来新的发展契机。

参 考 文 献

[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.