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