1.1 课题背景及意义
信息化代表先进生产力的发展方向，“物联网”、“云计算”、“大数据”以及“互联网+”等都在信息化时代应运而生。信息时代中离不开信息的拾取、分析与处理。温度信息是人类社会生活中一个极其重要的信息参数，热力学温度作为国际单位制中七大基本物理量之一，在物理、化学、飞行力学、材料热力学及空气动力学等学科领域广泛使用[1]。在高端科研领域及人们日常生活中，温度指标参数的检测普遍存在，大至航天航空飞行器上的温度精密检测仪，小至家庭生活中普遍使用的体温计，都是为了得到相关的温度指标参数以供人们参考和利用。温度传感器为一种高效、实时的温度检测器件。温度传感器通常可分为接触式和非接触式两种[2]。接触式通过直接与被测物体相接触的方式来进行温度测量，由于被测物体与传感器之间进行热传递时会有一部分的热损耗，特别是被测物体热容量较小时，其测量精度较低[3]。非接触式则主要是利用被测物体由热辐射发出红外线的特性来进行温度测量，具有反应迅速、测量领域广等优点。温度传感器普遍基于温度变化引起内部物理参数(如电阻值、介电常数、热电动势等)的改变而进行温度测量的原理，主要有热电偶式、电阻式、辐射型、PN 结型及石英谐振型等类型[4]。在一般的工作环境下，传统接触式传感器已能达到要求，但对一些测量环境复杂，如超高温、超低温、强振动、强电磁场等复杂环境，传统接触式温度传感器无法达到要求。如：检测电机转子的温度和飞行器涡轮的温度等。本项目应用于检测高温发动机的温度参数，对于高温测量传统接触式温度传感器已不再适用，考虑传感器的使用环境、效率及寿命等因素采用无线无源的高温陶瓷温度传感器，为此基于用 PDC 高温陶瓷基制作的谐振腔型 Si-B-C-N 温度传感器，来设计一套基于 Si-B-C-N 温度传感器的射频测温装置。
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1.2 国内外研究现状
通常来讲传感器主要由敏感元件、转换元件以及测量电路组成[5]。敏感元件可以根据被测量所发生的变化，转换成与被测量成确定关系的某种物理量进行输出。转换元件则将由敏感元件输出的与被测量具有确定关系的物理量进行转换，转换成适合于传输、测量与处理的电信号。最后测量电路将转换元件输出的电信号进行进一步放大、滤波去噪和规范线性化等转换和处理，用来获得良好的品质特性，以便后续模块进行显示、记录以及分析与处理等工作。针对本项目中所使用的 PDC 高温陶瓷基制作的谐振腔型 Si-B-C-N 温度传感器，其Si-B-C-N 陶瓷材料的研究可以追溯到1989 年 M.L.Cohen等人提出的有关高硬度β－C3N4材料的预测[6]。自 20 世纪 90 年代用有机先驱体法制备 Si-B-C-N 陶瓷材料以来，Si-B-C-N陶瓷材料逐渐发展成为一种具有优良高温稳定性和高温力学性能的新型陶瓷材料[7]。现今随着技术的不断发展，已有多种 Si-B-C-N 陶瓷先驱体的制备方法[8]，其主要通过以下方法引入硼元素：采用环硼氮烷引入硼元素；采用硼氢化反应引入硼元素；采用BCl 3 引入硼元素等[9]。近年来的研究发现，Si-B-C-N 陶瓷可以在不含氮气的环境中在近1700℃时开始结晶，2000℃的高温时仍保持稳定。Riedel 等制备出一种新型聚硼硅氮烷前驱体，在氩气环境中可在 2200℃的条件下保持稳定[10]，在 1700℃空气中的抗氧化性能优于 Si C 和 Si3C4 材料，高温抗蠕变性能随着时间的延长逐渐增强。参数关系方面，厦门大学研究人员利用矢量网络分析仪等设备对 Si-B-C-N 高温陶瓷传感器谐振腔的介电常数特性、谐振频率和环境温度参数进行了探索，为此项目的开展奠定了夯实的基础。
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第 2 章 信号检测系统介绍及方案设计
基于 Lab VIEW 的无线扫频信号 Si-B-C-N 温度传感器信号检测系统，其被测对象为PDC 陶瓷基材料制成的 Si-B-C-N 温度传感器。为更精确地检测出谐振频率、实时温度等参量，需对 Si-B-C-N 温度传感器基本工作原理进行较为全面的分析，从而依据科学的传感器测量方法，结合信号检测系统需求分析，明确有效的测量指标参数后，进行基于 Lab VIEW 的无线扫频信号 Si-B-C-N 温度传感器信号检测系统的设计。
2.1 Si-B-C-N 温度传感器
Si-B-C-N 温度传感器由 PDC 陶瓷基材料制成，用有机先驱体法制备的 Si-B-C-N 陶瓷，因其内部存在较多的 Si-C、Si-N、C-N 等共价键使其化学结构更加稳定，赋予了Si-B-C-N 陶瓷良好的高温性能，如热稳定性、高温抗蠕变性及抗氧化性等，在高温领域有着非常广阔的应用前景[16]。Si-B-C-N 温度传感器是一种基于微波谐振腔原理由 PDC 高温陶瓷基制作而成的无线无源传感器。如图 2-1 所示，该传感器内部为 Si-B-C-N 陶瓷填充材料，传感器外部为一层金属银镀膜，在传感器表面有一矩形槽天线。槽天线用于射频激励信号的接收，以及传感器被激励过后的回波信号的发送。
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2.2 信号检测系统需求分析
根据谐振腔型 Si-B-C-N 温度传感器的工作原理，结合其技术指标参数，采用传输/反射法对传感器进行恒幅全波段扫频方式进行扫频，分析全波段扫频信号各频率点对应回波信号的大小来确定传感器的谐振频率。为实现以上目标和进一步完善 Si-B-C-N 温度传感器信号检测系统的功能，本信号检测系统的需求分析主要可概括为以下五点：（一）、恒幅全波段扫频信号源。软件编程实现对 11.0~11.6GHz 扫频信号幅值、扫频点数、扫频步进等参数的控制。（二）、信号传输通道转换。建立 11.0~11.6GHz 扫频信号至 Si-B-C-N 温度传感器的传输通道和传感器回波信号接收通道。（三）、传感器回波信号的接收。软件控制矢量信号分析仪实现对传感器回波信号的高效接收。（四）、传感器实时温度热电偶测量。用热电偶测量出传感器所处环境的实时温度。（五）、信号分析与处理。软件实现对接收到的回波信号进行分析处理，求取谐振频率点及拟合谐振频率与实时温度的关系。
第 3 章 信号检测系统硬件模块设计........14
3.1 扫频信号发生模块......... 14
3.2 传输通道转换模块......... 16
3.3 回波信号接收模块......... 18
3.4 实时温度采集模块......... 19
3.5 本章小结..........21
第 4 章 信号检测系统软件设计及编程....22
4.1 扫频信号发生软件设计及编程.....22
4.2 回波信号接收软件设计及编程......24
4.3 实时温度采集软件设计及编程......26
4.4 信号分析与处理软件设计及编程.........27
4.5 信号检测系统界面软件设计及编程.....35
4.6 本章小结..........38
第 5 章 信号检测系统测试结果与分析....39
5.1 扫频信号源测试及结果分析.........40
5.2 回波信号接收与处理测试及结果分析.........42
5.3 实时温度采集测试及结果分析.....44
5.4 谐振频率—实时温度拟合测试及结果分析.........46
5.5 Si-B-C-N 温度传感器测试及结果分析......... 49
5.6 本章小结..........51
第 5 章 信号检测系统测试结果与分析
本文前面章节先对 Si-B-C-N 温度传感器的工作原理及测量方法进行了阐述，对基于Lab VIEW 的无线扫频信号 Si-B-C-N 温度传感器信号检测系统进行了总体方案设计。接着对信号检测系统中扫频信号发生模块、传输通道转换模块、回波信号接收模块、实时温度采集模块、信号分析与处理以及信号检测系统界面设计分别进行了详细介绍。本章节主要对搭建好的基于 Lab VIEW 的无线扫频信号 Si-B-C-N 温度传感器信号检测系统进行测试，并对测试得到的实验数据进行简要分析与归纳总结。该信号检测系统以计算机（PC）为核心，通过 Lab VIEW 软件编程控制 NI PXIe-5644R矢量信号发生器、NI PXIe-5665 矢量信号分析仪、NI PXIe-6363 数据采集卡等硬件进行传感器谐振频率和实时温度的测量及拟合关系的求取.
5.1 扫频信号源测试及结果分析
基频信号是进行 2 倍频处理的前提也是系统进行回波信号接收与处理的基础，扫频信号发生模块是否能够产生系统所需要的恒幅扫频信号至关重要。在此对由 NIPXIe-5644R 型号矢量信号发生器及 HMC573LC3B 倍频器搭建的扫频信号发生模块进行基频信号的性能测试。下面分别对基频信号中的单点频率的幅值、相噪以及杂散水平进行测试，在此选用 5.65GHz 频点进行测试，测试结果如图 5-2 所示。在扫频信号发生模块程序设计前面板设置单点输出频率为 5.65GHz，输出功率水平为 6d Bm。进行相位噪声测量时图（a）中选择频宽为 20k Hz，分辨率带宽为 100Hz，其
相位噪声水平约为-94.4d Bc/Hz，输出信号在射频传输线传输过程中会发生衰减，最终接收到的信号功率为 4.4d Bm，发生了 1.6d B 信号功率的损耗。在进行杂散测量时图（b）中选择频宽为 600MHz，分辨率带宽为 100Hz，其杂散抑制水平为-76.6d Bc。在进行频率发送的过程中，由于仪器自身性能的限制，其输出频率与期望频率会存在一定的误差，为此需对信号源的锁频精度进行测量。通过对信号源输出频点频率的反复测量，确定其锁频精度为 1k Hz。
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总结
基
