熱防護系統(tǒng)的無線溫度監(jiān)測技術(shù)發(fā)展

　　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(shè)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(dāng)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(yīng)，當(dāng)保險絲斷開的時候，電路的共振頻率增加,對應(yīng)另外一個頻率的最大響應(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(guān)。當(dāng)開關(guān)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(dāng)開關(guān)打開（溫度高，絲斷）的時候，射頻識別返回一個反位的ID號。克服了一個讀數(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(shè)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(shè)計的射頻識別技術(shù)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(shù)

　　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(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(biāo)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(guān)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(dāng)然最新的飛行器的設(shè)計采用先進的碳基復(fù)合材料。RFID通訊試驗表明對于任意給定的標(biāo)準(zhǔn)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(shù)的問題與展望

　　未來的實際應(yīng)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(dāng)前技術(shù)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。