熱防護系統的無(wú)線(xiàn)溫度監測技術(shù)發(fā)展

　　第二代的SensorTag是2000年生產(chǎn)出來(lái)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(lái)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，如果需要的話(huà)也可以在130℃的爐子內進(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(lái)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化的方法。

　　在第一個(gè)概念中，使用了兩個(gè)調諧電容用來(lái)建立共振頻率。如圖5所示，給出了最初設計的工作電路圖，最初這些保險絲都是閉合的，這個(gè)裝置的共振頻率由兩個(gè)并聯(lián)的電容器決定。當保險絲閉合的時(shí)候（圖中兩個(gè)黑色的點(diǎn)），RFID片在某一頻率下達到最大的響應，當保險絲斷開(kāi)的時(shí)候，電路的共振頻率增加,對應另外一個(gè)頻率的最大響應。當共振電路的品質(zhì)因子非常高的時(shí)候，通過(guò)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行，但它的缺點(diǎn)是（1）需要兩個(gè)頻率的讀數器，（2）如果讀數器與SensorTag距離太近，那么讀數器的讀數將是模棱兩可的。第二個(gè)概念不會(huì )有這樣的缺點(diǎn)，因為這個(gè)裝置包括一個(gè)轉換開(kāi)關(guān)。當開(kāi)關(guān)閉合（保險絲連接）時(shí)，射頻識別返回通常的ID號，通常為64－256位之間，當開(kāi)關(guān)打開(kāi)（溫度高，絲斷）的時(shí)候，射頻識別返回一個(gè)反位的ID號?？朔艘粋€(gè)讀數器需要在兩個(gè)不同頻率下操作的缺點(diǎn)，同時(shí)也消除了讀數范圍小，或者是共振器的品質(zhì)因數小時(shí)，移頻設計帶來(lái)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，在NASA Ames研究中心進(jìn)行過(guò)高溫的電弧噴射試驗。試驗發(fā)現：如果不超過(guò)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(guò)極限，電路的頻率是156kHz，設計的射頻識別技術(shù)工作在125kHz；溫度超過(guò)了200℃，SensorTag失效，用手動(dòng)讀數器檢測時(shí)，所有存活下來(lái)的SensorTag都能正確的給出結果。第二代的熱性能試驗結果表明：在285℃下保持15分鐘，性能正常，無(wú)任何問(wèn)題；在315℃下保持15分鐘，環(huán)氧樹(shù)脂變暗，熔絲熔斷成了球；進(jìn)一步400℃下的試驗表明，將來(lái)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器微片(如MCRF202)在高溫下的數據存儲能力有待于進(jìn)一步提高。

　　3 主動(dòng)的無(wú)線(xiàn)傳感技術(shù)

　　主動(dòng)的無(wú)線(xiàn)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據采集和/或傳輸。傳感器能夠在飛行中測量并記錄TPS參數的歷程。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(lái)的RLV小于350℃），內部用線(xiàn)連接瓦內的各種傳感器——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(wú)線(xiàn)讀數器將數據采集的規范下載到這個(gè)裝置，這個(gè)裝置按照指令接收和存儲數據，過(guò)一段時(shí)間以后，使用者將帶有時(shí)間標識的數據上傳。整個(gè)裝置作為一個(gè)獨立完整的儀器可以在一次或者多次飛行中使用，這依賴(lài)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(gè)主動(dòng)式SensorTag的原樣機（圖7）。大小為5cm見(jiàn)方的尺寸。這個(gè)裝置的主要零件包括：電池、溫度信號調節系統、穩定的內存、時(shí)鐘、RFID收發(fā)器、微控制器、能量自給裝置、讀數器以及軟件。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(mǎn)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據，能夠存儲所有的相關(guān)數據，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。能量自給裝置能夠滿(mǎn)足3年或者45次使用周期。手持讀數器為大約17cm見(jiàn)方的一個(gè)線(xiàn)圈，工作的范圍為15cm，數據傳輸速率約為3kbit/s。在TPS的下面，航天飛機的結構表面大部分為鋁片，當然最新的飛行器的設計采用先進(jìn)的碳基復合材料。RFID通訊試驗表明對于任意給定的標準頻率，RFID都可以穿過(guò)厚達10.2cm厚的TPS材料與手持的讀數器實(shí)現通訊。原樣機的試驗表明，該裝置能夠記錄512秒內的兩組溫度歷程數據。

　　在2002年開(kāi)發(fā)了一種改進(jìn)的主動(dòng)式傳感器樣機，尺寸減少到2.54cm見(jiàn)方，更容易集成到TPS中(圖8)；利用三只熱電偶采集并存儲數據。樣件可以穿過(guò)7－10cm厚的熱防護材料進(jìn)行通訊，試驗表明：，傳感器可以測量并存儲600秒的數據，可以實(shí)現溫度歷程的重構。

　　4 TPS溫度無(wú)線(xiàn)傳感技術(shù)的問(wèn)題與展望

　　未來(lái)的實(shí)際應用中必然是被動(dòng)式和主動(dòng)式配合使用，根據不同的需求合理選擇。主動(dòng)式的潛在優(yōu)點(diǎn)是具有較大的讀數范圍，能夠從一個(gè)或者多個(gè)傳感器查詢(xún)和存儲數據。能夠獲得整個(gè)飛行階段的歷史數據。缺點(diǎn)是質(zhì)量、體積、電池使用壽命受到當前技術(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(lái)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），將這些能量存儲起來(lái)用以延長(cháng)這些裝置的使用壽命。