熱防護(hù)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(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。