CN102741563B - 用于通过使用微波检测活塞缸的活塞位置的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于检测活塞缸的活塞位置的方法，其中，沿活塞的方向发射微波发送信号并且检测从活塞反射的微波，该方法允许以高测量速率和在活塞缸中的最小侵入性干预下的高水平的测量准确度，提出了发送信号包括具有在调制频率下正弦调制的基本频率的调制信号，执行在发送信号和接收信号之间的相位的评价，在基带处执行相位确定和在至少一个边带处执行同时的相位确定，其中在基带处的相位确定用于活塞位置的精细确定并且在该至少一个边带处的相位确定用于活塞位置的粗略确定，并且关于基本频率或者中间频率对于接收信号和评价发送信号执行带通滤波，以及关于调制频率执行带通滤波。

Description

用于通过使用微波检测活塞缸的活塞位置的方法和设备

技术领域

本发明涉及一种用于检测活塞缸的活塞位置的方法，在该方法中，沿活塞的方向发射微波发送信号并且检测从活塞反射的微波。

本发明进一步涉及一种用于测量活塞缸的活塞位置的设备，所述设备包括：微波发送装置和微波接收装置，它们至少部分地布置在活塞缸处，其中微波发送装置沿活塞的方向发射发送信号并且微波接收装置接收并且检测接收信号；和评价装置。

背景技术

DE202005020158U1公开了一种用于测量到所要测量的介质的距离的测量系统，所述测量系统包括用于将电磁波传导到所要测量的介质的、具有第一端和第二端的中空导体、可附接到第一端以将调制的电磁波发射到中空导体中的发送器、可附接到第一端以接收来自中空导体的电磁波的接收器，和被连接到接收器以检测到所要测量的介质的距离的评价单元。在中空导体中设置中断部，该中断部使在中空导体中引导的电磁波的限定部分被反射回接收器，并且将评价单元配置为通过比较从中断部反射的电磁波与从所要测量的介质反射的电磁波而检测到所要测量的介质的距离。

DE102007020046A1公开了一种用于确定距离的方法，其中提供了一种具有反射体的线形结构，所述线形结构具有馈送模块，该馈送模块具有馈送区域，该馈送区域经由具有电介质保持系统的波导而将HF收发器连接到耦合探针，并且该反射体具有基板，该基板具有在其上安装以形成杯形元件的颈圈。测量在由耦合探针限定的馈送点和反射体之间的距离，其中，经由耦合探针，作为具有不同频率的电磁波而将至少两个发送信号耦合、优选地将其辐射和接收。

DE19833220A1公开了一种具有传感器装置和评价电子器件的距离测量设备，其中该传感器装置具有用于将发送信号馈送到线形结构中的至少一个耦合探针。

US4,737,705公开了一种使用同轴共振腔的线性位置传感器。

EP0303595B1公开了一种用于检测活塞和活塞杆的线性位置的设备，其中将微波反射并且产生横模。

在2002年由SchakerVerlag，Aachen出版的题目为“IntegratedMicrowaveSensorsforCavity-LengthMeasurementinMachineEngineering（用于机械工程中的空腔长度测量的集成微波传感器）”的博士论文描述了允许确定柱形空腔的长度的微波传感器。

发明内容

本发明的目的在于提供在开始述及的种类的方法，该方法允许在高测量速率和在活塞缸中的最小侵入性干预（invasiveintervention）下的高水平的测量准确度。

根据本发明，在开始述及的方法中通过以下特征实现了这个目的：发送信号包括调制信号，该调制信号具有在调制频率下正弦调制的基本频率，执行在发送信号和接收信号之间的相位的评价，在基带处执行相位确定和在至少一个边带处执行同时的相位确定，其中在基带处的相位确定被用于活塞位置的精细确定、而在该至少一个边带处的相位确定被用于活塞位置的粗略确定，以及，关于基本频率或者中间频率对于接收信号和评价发送信号执行带通滤波，并且关于调制频率执行带通滤波。

在根据本发明的解决方案中，发送信号由调制信号形成或者包含这种调制信号。正弦调制使发送信号的频谱具有带有基本频率的基带和带有整数倍的调制频率的边带。这使得使用基带和至少一个边带这两者来确定活塞位置成为可能。根据本发明的解决方案允许在基带（在基本频率下）和在一个或者多个边带（在调制频率或者其整数倍下）中的同时的相位确定或者行进时间（runningtime）确定。

由此以不同的方式确定在发送信号和接收信号之间的相位差是可能的。特别地，能够通过在基带中执行评价而实现精细确定并且能够通过在至少一个边带中执行评价而实现粗略确定。

在基带中，基本频率为该确定提供了标度。在边带中，是调制频率提供衡量。相应的频率越小，明确的测量范围越大。因为调制频率小于基本频率，所以在边带中的明确范围大于在基带中的明确范围。

相位确定是在基带处执行的。相应的信息可以用于确定位置；特别地，在基带处的相位确定用于活塞位置的精细确定。

为此目的，提出了将接收信号和评价发送信号关于基本频率或者中间频率（当发送信号包含中间频率时）带通滤波。可以由此将用于基本频率的相应的信号滤波并且确定相位差。

在至少一个边带处执行了同时的相位确定。这得到了另外的信息或者允许绝对地检测活塞位置。

特别地，在该至少一个边带处的相位确定用于活塞位置的粗略确定。经由粗略地确定活塞位置，然后可以经由在基带中确定相位差来执行最终位置确定。距离测量不是在时间上连续地执行的两个步骤中而是通过在该至少一个边带和基带处的同时的相位确定实现的。由此可以实现高度准确的绝对距离测量。

特别地，调制信号的相位具有以下形式：

其中f₀是基本频率，f_m是调制频率，η是调制指数并且是常数。

相应地，接收信号的相位具有以下形式：

可以测量行进时间差σ。如果σ是已知的，则活塞位置原则上也是已知的。我们有σ=2l/c，其中l是在天线和活塞之间通过传播模式行进的距离，并且因此是活塞位置。c是在活塞前面的缸空间中所述传播模式的相位速度。如能够从以上公式看到地，原则上在基带和至少一个边带处确定西格玛（sigma，σ）是可能的。

特别地，基本频率处于千兆赫范围中并且调制频率处于兆赫范围中。

还可以提出，将发送信号或者评价发送信号与中间频率信号混频。可以由此将用于评价的信号降级转换成中间频率，并且然后优选地将中间频率选择为使得相应的电子元器件在中间频率下是可用的。为发送信号提供中间频率也是可能的。这可以便于评价。

在该情形下，特别地提出，在调制频率下调制中间频率信号。如果将这些调制中间频率信号与具有基本频率的信号混频，则这得到了基于基本频率在调制频率下频率调制的发送信号。

在实施例中，将评价发送信号和评价接收信号在每一种情形下均与中间频率信号混频。这使得在中间频率信号的频率范围内执行相位确定成为可能。这使得例如使用在中间频率的范围内滤波并且以低成本可用的带通滤波器成为可能。

有利的是，为了便于评价，中间频率小于基本频率。

特别地，基本频率处于千兆赫范围内并且中间频率处于兆赫范围内。中间频率是固定的不变的频率。

进一步有利的是，中间频率处于调制频率和基本频率之间。

然后将滤波后的各信号混频，和/或确定在各滤波信号之间的相位差。与行进时间相关的相位差可以继而用于确定活塞位置。

在一个实施例中，将评价发送信号和接收信号混频。这使得在至少一个边带处执行确定成为可能。

特别地，将混频信号关于该至少一个边带的主频率滤波。存在具有分别的主频率的多个边带。主频率是调制频率的整数倍。边带的信号强度与调制指数相关。然后可以将调制指数选择为使得将最大信号强度分配给特定的第n个边带（其中n>1）。通过使用滤波，具有最大信号强度的所述第n个边带可以用于进一步的评价。从基本频率f₀的频率分离是具有调制频率f_m的n·f_m。这允许简单滤波；例如，可以减少滤波器的边沿陡度等。

进而，提出了将信号在滤波之后与另一些信号混频，其中这些另一些信号引起在调制频率下的频率调制。可以由此产生由边带确定的信号。

在实施例中，提出了通过将具有基本频率的信号和中间频率信号混频而产生发送信号。

特别地，以调制频率调制中间频率信号自身。可以由此产生基于基本频率在调制频率下相应地频率调制的发送信号。利用相应的方法，可以简化评价。

特别地，通过将接收信号和具有基本频率的信号混频而产生评价接收信号。这提供了一种产生其频率处于中间频率的范围中的评价接收信号的简单方式。这继而得到了一种简化的带通滤波。

关于在该至少一个边带处的确定，有利的是，将评价接收信号和调制中间频率信号混频并且将得到的信号在滤波之后与引起在调制频率下的调制的信号混频。可以由此实现位置的粗略确定。

有利的是，在至少两个不同的基本频率下发射发送信号并且在每一种情形下在该至少两个不同的基本频率下执行相位确定。对于先前未知介电常数（电容率）的情形，由此如果执行相应的评价，则计算介电常数或者使用介电常数并不参与其中的公式确定活塞位置是可能的。这继而允许监测介电常数的变化。例如，在液压油的情形下，这种变化可能由温度影响和压力影响以及老化和污染过程引起。原则上，不在该至少两个不同的基本频率下频率调制发送信号是可能的。频率调制也是可能的。然后有利的是，为了实现简单的评价，调制频率是相互不同的。例如，提出了在至少三个不同的基本频率下发射发送信号并且在该三个基本频率下执行相位确定（行进时间确定）。由此，在存在先前未知的介电常数和/或未知的缸空间内径时，计算介电常数和/或内径或者根据介电常数和/或内径并不参与其中的公式确定活塞位置是可能的。

可以提出，通过在至少两个不同的基本频率下执行相位确定来检测介电常数。如果在至少两个不同的基本频率下执行这种相位确定，则可以从相应的等式消除空腔长度（由活塞位置确定）并且然后可以由此直接地确定介电常数。例如，将频率选择为使得相位为零（以2π为模）。例如，然后将第二频率选择为使得在所述第二频率下的相位以2π不同。这提供了一种计算介电常数的简单方式。

本发明进一步的目的在于提供一种在开始述及的种类的设备，该设备允许在高测量速率和在活塞缸中的最小侵入性干预下的高水平的测量准确度。

根据本发明，在开始述及的设备中实现了这个目的，其中微波发送装置产生频率调制信号，该频率调制信号具有在调制频率下正弦调制的基本频率，其中设置了在基带处执行在发送信号和接收信号之间的相位的相位确定的第一单元，其中设置了在至少一个边带处执行同时确定的第二单元，其中第一单元包括关于基本频率或者中间频率执行滤波的滤波装置，并且其中第二单元包括关于调制频率执行滤波的滤波装置。

所述设备具有已经结合根据本发明的方法解释的优点。

因为检测测量数值（精细确定测量数值和粗略确定测量数值）的两种方式是同时可用的，利用同时地执行的相位确定获得了高水平的动态性。这些测量数值的永久可用性允许高度可靠的真实绝对测量；可以排除由间隔跟踪产生的误差。

设置了在基带处执行在发送信号和接收信号之间的相位的相位确定的第一单元，并且设置了在至少一个边带处执行相位确定的第二单元。通过相应的信号混频，可以在第一单元处在基带中执行相位确定并且可以在第二单元处在至少一个边带中执行相位确定。

第一单元包括关于基本频率或者中间频率执行滤波并且特别是带通滤波的滤波装置。可以由此在基带中执行相位确定。

由于相同的原因，提出了第二单元包括关于调制频率执行滤波的滤波装置。可以由此在边带中执行相位确定。带通滤波得到了通过相应的与引起在调制频率下的调制的信号混频而可以用于确定相位的信号。

在实施例中，第一单元包括将滤波发送信号和接收信号混频的混频器和/或包括用于相位确定的相位检测器。这提供了一种随着在发送信号和接收信号之间的行进时间确定相位差的简单方式，并且这继而允许检测活塞位置。

有利的是，第二单元包括第一混频器，在第一混频器处将接收信号或者评价接收信号和发送信号或者评价发送信号混频。可以由此产生具有边带频率成分的信号。

进一步有利的是，第二单元包括第二混频器，该第二混频器将第一混频器的信号在滤波之后与引起频率调制的信号混频。这允许确定相位。

由于相同的原因，有利的是，第二单元包括检测混频信号和引起调制的信号的相位差的相位检测器。

在实施例中，设置了混频装置，该混频装置将具有是在基本频率（f₀）和中间频率（f_i）之间的差的输出频率下的信号与在调制频率（f_m）下调制的中间频率信号混频，其中得到的混频信号是发送信号，并且该混频装置将接收信号与具有输出频率（f₀-f_i）的信号混频。这允许以固定的中间频率的水平执行相位确定。可以使用在中间频率下操作的并且更加成本有效的或者更快的电子元器件。可以由未耦合到其它振荡器（为了调制目的）的振荡器产生具有该输出频率的信号。结果，输出频率以及因此还有基本频率可以被容易地改变从而适合于所要测量的特定活塞缸。

在实施例中，设置了混频装置，该混频装置将具有基本频率的信号与在调制频率下调制的中间频率信号混频，其中得到的混频信号是发送信号，并且该混频装置将接收信号与具有基本频率的信号混频。这个实施例已经发射了包含中间频率的发送信号。

在实施例中，提出了微波发送装置发送具有至少第一基本频率和第二基本频率的发送信号，其中第一基本频率与第二基本频率不同。这允许与活塞位置无关地确定和监测介电常数。相反，即使在缸空间内的介质的介电常数是先前未知的，确定活塞位置也是可能的。原则上，例如由于温度影响和压力影响以及介质的老化过程或者由于污染，介电常数可能随着时间而改变。在根据本发明的设备中，这可以被检测和补偿。

例如，微波发送装置发送具有第一基本频率、第二基本频率和第三基本频率的发送信号，其中该三个基本频率是相互不同的。由此即使在缸空间内的介质的介电常数和/或缸的内径是先前未知的，也可以确定活塞位置。

在上述实施例中，原则上微波发送装置的发送信号不被频率调制或者被频率调制都是可能的。

活塞缸特别地是液压缸或者气压缸。

在实施例中，天线（作为微波发送装置的一部分）布置在缸空间的第一区域中，该第一区域具有比活塞在其内移动的第二区域更小的直径。这提供了一种防止活塞朝着天线撞击的简单方式。进而，可以将由布置在缸空间中的天线产生的、对空腔模式的影响保持为低的（影响）。

天线面向活塞的一侧然后优选地相对于在第一区域和第二区域之间的过渡部回退。这防止了活塞朝着天线撞击。天线被在缸空间内的介质包围。实现到缸空间中的经过优化的辐射。

有利的是，天线被以如下方式布置在缸空间中，使得它与天线的容纳空间一起地是关于特别地50Ω的波阻抗的同轴电缆的延续部（continuation）。这减轻了在天线底座（footpoint）处的反射。

在根据本发明的设备上能够执行或者执行了根据本发明的方法。

附图说明

优选实施例的以下说明用于与附图相结合地更加详细地解释本发明。在图中：

图1图示活塞缸的示意性视图，该活塞缸包括用于测量活塞缸的活塞位置的设备；

图2图示包括天线的活塞缸的修改例的局部视图；

图3图示具有行进时间差σ的发送信号T和接收信号R的频率的时间进程（图3（a））和频谱（图3（b））的示意性表示；

图4图示根据本发明的设备的第一示例性实施例的示意性表示；

图5图示第二示例性实施例的示意性表示；

图6图示第三示例性实施例的示意性表示；并且

图7图示第四示例性实施例的示意性表示。

具体实施方式

在图1中示意性地示出的并且在其中以10指示的活塞缸的示例性实施例包括具有第一端面14和相对的第二端面16的缸12。在第一端面14、第二端面16和缸12的壁18之间形成缸空间20。

以线性往复运动可移位的活塞22位于缸空间20内。

在如所图示的示例性实施例中，活塞杆24布置于活塞22上。缸空间20被划分成第一子空间26和第二子空间28。第一子空间26具有中空柱形形状，并且第二子空间28因为活塞杆24通过第二子空间28而具有环状柱形形状。

可以将介质布置在第一子空间26和第二子空间28中。对于液压缸，该介质是液压油。对于气压缸，该介质是空气。

相应地，用于介质的第一进口/出口组合30a和第二进口/出口组合30b布置于缸12上从而与分别的子空间26、28相关联。进口和出口的组合在每一种情形下均与第一子空间26和第二子空间28相关联。

天线32坐置于第一端面14处（图2）。所述天线朝向活塞22定向。从天线32沿活塞22的方向发射微波辐射并且从活塞22反射，并且可以由天线32接收和传送反射的辐射。

活塞缸10具有与之相关联的、用于测量活塞22的位置的设备34。设备34在一个或者多个端子36处提供输出信号，所述信号是活塞22的位置和特别是活塞到第一端面14的距离l的特征。

设备34可以与活塞缸10分离，或者活塞缸10可以是所述设备34的一部分。

替代地或者另外地，原则上第二子空间28具有与之相关联的天线也是可能的，所述天线沿活塞22面向第二端面16一侧的方向发射微波辐射。

如在图1中描绘地，具有活塞杆销眼（rodeye）的活塞缸或者标准缸具有例如中空柱形第一子空间26和环状柱形第二子空间28。恒速率缸具有两个环状柱形子空间。

在活塞缸的一个实施例中，缸12具有由第一端面14界定的区域，该区域用作天线32的容纳空间38。所述容纳空间38形成相应的子空间（在根据图2的实例中的第一子空间26）的第一区域40。第一区域40随后是活塞22在其内移动的第二区域42。第二区域42的直径大于第一区域40的直径。在第二区域42和第一区域40之间的过渡部44形成用于活塞运动的缸空间20的端面。

天线32面对活塞22的前侧46相对于所述过渡部44稍微地回退。在所述前侧46和过渡部44之间的相应的距离d（垂直于活塞22的运动方向）的幅度的量级例如具有1mm的量级。原则上，所述距离d与在基本频率下的波长相比非常小。

天线32被固定到活塞缸10的相应的第一端面14。例如，它是经由相应的保持器通过螺丝拧紧而固定的。天线32具有与之相关联的定向耦合器48（图1）。所述定向耦合器48布置在天线32后面并且例如由铣削部形成。

天线32经由同轴电缆装置50而连接到其余的设备34（其中对于发送分支和接收分支各一根同轴电缆）。优选地提出，将天线32配置为使得它与容纳空间38一起构成同轴电缆（具有50Ω阻抗）的延续部（关于波阻抗）。由此可能减少在天线底座处的反射。

在根据本发明的解决方案中，发送信号s_T由具有基本频率f₀和调制频率f_m的频率调制信号形成或者（至少）包含这种信号：

其中相位

这里，是常数。η是调制指数，其中

这里，Δf是在调制时的总频率偏差。

对于这个信号的频率进程在图（3a）中示意性地示出。

背反射信号（接收信号）具有以下形式

其中相位

相应的频率进程也在图3（a）中示意性地示出。

发送信号和接收信号具有相同的频谱。存在具有频率f₀的基带并且存在具有频率±n·f_m的边带，其中n是自然数。

信号s_T（并且相应地s_R）可以根据Bessel（贝塞耳）函数展开。从而例如这然后给出：

如果将发送信号和接收信号混频，则这然后给出：

其中α是接收侧调制指数：

α=2ηsin(πf_mσ)（8）。

公式（7）示出，原则上通过所描述的信号混频和关于基本频率f₀的滤波，可以确定行进时间差σ和因此活塞位置l。利用在子空间26中的相位速度c，我们有σ=2l/c。

如果将上述混频信号s_M与引起频率调制的信号s_mod混频，则这然后给出具有以下形式的信号s_G

$s_G\left(t\right)=s_{\mathrm{mod}}\left(t\right)\⊗s_M\left(t\right)$

$=A_T\·A_R{A}_{\mathrm{mod}}\sin \left(2\mathrm{\π}{f}_0\mathrm{\σ}\right)J_1\left(\mathrm{\α}\right)\cos \left(\mathrm{\π}{f}_m\mathrm{\σ}\right)+...---\left(9\right).$

可以看到，如果在主边带频率f_m下执行频率滤波，则还可以经由边带确定行进时间差和因此的活塞位置。原则上，还可以对于具有调制频率的倍数的更高边带执行这种方法，其中信号强度在具有主频率f_m的第一边带处是最大的。

在图4中示意性地示出的并且在其中以52指示的、根据本发明的设备的第一实施例包括振荡器54，振荡器54产生具有基础频率f₀的微波辐射。提供在频率f_m下的频率调制的另一振荡器56耦合到所述振荡器54。振荡器56经由功率分配器58耦合到振荡器54。功率分配器58包括第一分支60和第二分支62。振荡器56经由第一分支60耦合到振荡器54以产生信号s_T。

振荡器54随后是类似地包括第一分支66和第二分支68的功率分配器64。第一分支66耦合到天线32。发送信号经由第一分支66发送到活塞缸10并且从那里由天线32发射到第一子空间26中。

第二分支68用于提供评价发送信号，评价发送信号用于评价并且具有与所发射的发送信号准确地相同的特征、包括准确地相同的相位。

设备52具有用于在发送信号和接收信号之间的相位的相位确定的第一单元70。

第一单元70包括具有第一滤波器74和第二滤波器76的滤波装置72。第一滤波器耦合到输入端子并且因此直接地耦合到天线32。来自活塞缸10的接收信号直接地到达第一滤波器74。第二滤波器76经由第二分支68耦合到微波发送装置78，所述微波发送装置包括振荡器54和56。

滤波装置72的滤波器74、76例如由SAW滤波器形成。这些滤波器具有陡峭滤波器特性、具有较低的成本和小的尺寸。

第一滤波器74和第二滤波器76每一个均是被设计用于具有频率f₀的基带并且使这个频率和该频率附近的窄频率范围通过的带通滤波器。

第一滤波器74和第二滤波器76关于具有基本频率f₀的基带执行滤波。

在输出侧上，第一滤波器74和第二滤波器76耦合到混频器80。混频器80将源自滤波器74和76的频率滤波信号混频。由此产生不具有任何处于边带的分量的、根据公式（7）的信号。由此在具有频率f₀的基带处直接地检测和确定在发送信号和接收信号之间的相位差或者行进时间差。

所述行进时间差可以继而用于确定活塞位置。

获得（参考公式（7））了是直流电压信号并且在位置l=0（在此处活塞22邻靠过渡部44）和在缸中的波长的一半之间的范围中或者该范围的周期的重复中明确的信号。

设备52进一步包括用于在一个或者多个边带处在发送信号和接收信号之间的相位的相位确定的第二单元82。第二单元82和第一单元70是微波接收装置84的一部分。

第二单元82具有第一混频器86。该第一混频器86包括适于在接收信号s_R中耦合的第一输入。它进一步包括耦合到功率分配器64的第二分支68的第二输入。在第一混频器86处，根据公式（7）执行混频，而产生信号s_M。

混频器随后是包括对于一个或者多个边带是选择性的带通滤波器的滤波装置88。在优选的示例性实施例中，滤波装置88对于频率f_m是选择性的，即它以窄的带宽使第一边带的这个主频率（参考公式（7））通过。替代地或者另外地，原则上使更高的边带通过也是可能的；然而，因为信号强度在更高的边带处减小，所以第一边带是优选的。

第二单元82进一步包括在滤波装置88随后的第二混频器90。将通过滤波装置88滤波的信号馈送到所述第二混频器90。进而，第二混频器90经由功率分配器58的第二分支耦合到振荡器56。将源自第一混频器86并且被滤波装置88滤波的信号和引起发送信号的调制的信号在第二混频器90中混频。

这然后给出在零和c/f_m之间的测量范围中明确的直流电压信号（参考公式（9）），其中c是在第一子空间26中的相位速度。

这个明确范围大于第一单元70的明确范围；在那里，明确范围由c/f₀确定。

因此，第二单元82可以用于粗略测量以发现位置并且第一单元70可以用于该位置的精细测量。

可以从公式（9）看到，对于σ的特定数值，在所述公式中包含的系数sine（2πf₀σ）可以变成零。当幅度为零时，相位测量不再是可能的。

这可以由配置成正交混频器的第二混频器90纠正。在与引起调制的信号混频之后，这然后给出，

s_GI(t)=A_I·sin(2πf₀σ)J₁(α)cos(πf_mσ)

和（10）

s_GQ(t)=A_Q·cos(2πf₀σ)J₁(α)cos(πf_mσ)

如果因为因子sin(2πf₀σ)，信号s_GI为零或者是非常小的，则可以评价信号s_GQ，在此情形下它是最大的。如果因为因子cos(2πf₀σ)，信号s_GQ为零或者是非常小的，则可以评价信号s_GI，在此情形下它是最大的。

然后上述缺点不再存在。

作为波导的第一子空间26具有特定截止频率λ_c。真空波长是λ₀=c₀/f₀，其中c₀作为在真空中的相位速度。

为了实现尽可能高的测量准确度，调制频率应该是尽可能高的。然而，为了执行明确的测量，行进时间σ应该不超过调制频率的周期持续时间T_m。

这对于最大调制频率给出以下条件：

$f_m\≤\frac{c_0}{l_{\max }\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_R{\mathrm{\μ}}_R}}\frac{1}{\sqrt{1-{({\mathrm{\λ}}_0/{\mathrm{\λ}}_c)}^2}}---\left(11\right).$

这里，l_max是最大活塞冲程，ε_R是在第一子空间26内的介质的介电常数并且μ_R是相应的磁导率。

例如，如果我们假设介电常数ε_R=2.2（这是对于液压油的典型数值）、μ_R=1、最大活塞冲程为2m和真空与截止波长比率为0.82的波长，则发现用于调制频率f_m的上限是大致170MHz。

在图5中示意性地示出的并且在其中以92指示的、根据本发明的设备的第二实施例包括微波发送装置94，微波发送装置94包括第一振荡器54和第二振荡器56。设置了相应的功率分配器58和64。该构造基本与参考设备52描述的构造相同，因此，使用了相同的附图标记。

提供了第三振荡器96，第三振荡器96提供频率稳定的中间频率信号。该中间频率低于第一振荡器54的频率。

第三振荡器96随后是具有第一分支100和第二分支102的功率分配器98。

该设备包括大体上以104指示的混频装置，该混频装置包括第一混频器106和第二混频器108。第一混频器106经由第二分支102耦合到振荡器96。进而，将接收信号馈送到混频器106的输入。将接收信号和中间频率信号在混频器106中混频。接收信号由此被降级混合（缩混）成中间频率。

第二混频器108的一个输入经由第二分支68耦合到第一振荡器54。这向第二混频器108提供了与发送信号对应的评价发送信号。第二混频器108的另一输入经由功率分配器98的第一分支100耦合到振荡器96。

将评价发送信号和中间频率信号在第二混频器108中混频，由此产生被降级转换成中间频率的评价发送信号。

混频装置104以及其混频器106和108的输出耦合到第一单元和第二单元。这些单元基本具有与以上与结合设备52描述的第一单元70和第二单元82相同的配置。大体上使用了相同附图标记。

第一单元70包括是用于中间频率的带通滤波器的滤波器110、112。

相位检测器114然后检测转换成中间频率的相应的信号之间的相位差。由此检测的相位差可以继而用于精细测量以确定活塞位置。

在其它方面，设备92如参考设备52描述的那样工作。

因为可以采用适当的电子元器件，具有800MHz的中间频率的典型数值的向中间频率的降级转换可以简化评价。

设备52根据零差原理操作。

设备92根据外差原理操作。

在图6中示出的并且在其中以116指示的、根据本发明的设备的另一示例性实施例包括第一振荡器118。第一振荡器118提供是基本频率f₀减去中间频率f_i的固定频率。所述第一振荡器118随后是具有第一分支122和第二分支124的功率分配器120。

此外，设置了产生具有中间频率f_i的中间频率信号的第二振荡器126。在调制频率f_m下对中间频率信号进行频率调制的第三振荡器128耦合到所述第二振荡器。经由功率分配器130进行耦合。将在调制频率下经频率调制的中间频率信号经由功率分配器132馈送到混频器134。在所述混频器134的另一输入处存在第一振荡器118的信号。所述混频器134产生具有基本频率f₀的发送信号，该发送信号被发射到活塞缸10的缸空间20中。

另一混频器136布置在设备116的接收线路中，混频器136在其输入侧处接收接收信号并且在其另一输入处接收第一振荡器118的信号。所述混频器136因此将接收信号和具有频率f₀-f_i的信号混频。

设置了在基带处确定在发送信号和接收信号之间的相位差的第一单元138。此外，在边带处存在确定发送信号和接收信号之间的相位差的第二单元140。

第一单元138接收评价接收信号作为输入信号，所述信号由混频器136提供。第一单元138进一步经由功率分配器132在其输入侧处接收频率调制的中间频率信号。

在第一单元138处，然后在每一种情形下对于评价接收信号并且对于如上所述由功率分配器132提供的信号执行关于中间频率的带通滤波。

在输入侧处，将第二单元140耦合到提供评价接收信号的混频器136。它的输入侧进一步耦合到功率分配器132。将所述信号混频并且关于调制频率f_m带通滤波，随后与引起在频率f_m下的调制的信号混频。

第一振荡器118未被调制并且因此容易地可调整。它可以仅通过调节其频率而容易地适合于要测量的具有给定缸几何形状的活塞缸。

设备116也根据外差原理操作。混频器134和136经由第一振荡器118接收具有固定频率f₀-f_i的信号。将调制的中间频率信号耦合到产生发送信号的混频器134中。

在其它方面，设备116如上所述地工作。

检测到的相位信息然后可以被用于确定活塞22在活塞缸10中的位置l。可能出现的任何线性误差均可以利用线性化方法补偿。为此目的，例如使用查找表。

特别地当根据外差原理操作时，相位检测器用于检测用于粗略确定和精细确定的相位。特别地，提出了将所述相位检测器的输出电压馈送到同时的A/D转换器从而即使在活塞22正被移动时也一致地检测全部的信息。

在图7中示意性地示出的并且在其中以142指示的、根据本发明的设备的另一示例性实施例包括将微波辐射耦合到活塞缸10中的微波发送装置144。微波发送装置144包括第一振荡器146和第二振荡器148。第一振荡器146提供具有基本频率f₀ ¹的信号。第二振荡器148提供具有基本频率f₀ ²的信号。频率f₀ ¹与f₀ ²相互不同。

第一振荡器146和第二振荡器148被相互并联地布置。具有频率f₀ ¹和f₀ ²的信号被同时地发射并且在这些信号特别地在隔离放大器151a中放大的情况下被同时地施加到缸空间20。

在实施例中，提出了如上所述的另外的频率调制。在此情形下，振荡器146和148然后被在每一种情形下提供具有基本频率f₀ ¹和f₀ ²的频率调制的发送信号的相应的单元替代。原则上，然后有利的是该两个单元的调制频率也是不同的，从而可以分离这些信号。

设备142包括微波接收装置150。微波接收装置150包括提供中间频率信号的第三振荡器152。此外，设置了在其输入侧处接收接收信号并且在其另一输入处接收中间频率信号的第一混频器154。在第一混频器154处，接收信号被降级转换成中间频率，并且这些信号在隔离放大器151b中被放大。此外，存在第二混频器156。所述第二混频器156接收从发送信号转移的并且在相应的特征方面与发送信号相同的评价发送信号。第二混频器156进一步接收中间频率信号。它由此产生被降级转换成中间频率的评价发送信号。这些信号在隔离放大器151c中被放大。

设备142进一步包括检测在发送信号和接收信号之间的相位并且配置基本相同的第一单元158和第二单元160。第一单元被分配给频率f₀ ¹，并且第二单元被分配给频率f₀ ²。

第一单元158包括具有第一滤波器162和第二滤波器164的滤波装置。将已经由第一混频器154产生的评价接收信号馈送到第一滤波器162的输入。将已经在第二混频器156处产生的评价发送信号馈送到第二滤波器164的输入。

第一滤波器162和第二滤波器164每一个均是使在中间频率附近的范围中的频率通过的带通滤波器。

第一滤波器162和第二滤波器164随后是相位检测器166。该相位检测器166对于频率f₀ ¹检测在评价发送信号和评价接收信号之间和因此在发送信号和接收信号之间的相位。

将相位检测器166的信号提供给评价装置168。

第二单元160具有如上所述的相同的配置，并且第二单元160对于频率f₀ ²执行相应的测量。

评价装置168与评价测量数据的计算单元170相关联。

对于并非同时地而是在时间上交替地将具有两个基本频率的信号馈送到活塞缸中也是可能的。为此目的，可以利用开关以交替地方式切换振荡器146和148的信号。

在圆形导体（柱形空腔）中，由于信号行进时间而引起的相移是：

这里，λ₀=c₀/f₀是在空气中的波长，ε_R是介电常数，μ_R是磁导率并且λ_c是相应的中空柱形空腔的截止波长。

截止波长λ_c是频率相关的并且与缸空间20的半径r_i相关。介电常数ε_R在有关频率范围中只是稍微地频率相关的。

如果在同一活塞位置处确定对于至少两个不同频率的相位或者行进时间σ，则可以在并不知道介电常数的情况下，由此确定活塞位置l（柱形空腔的长度）。相应地，当r_i已知时，可以计算介电常数。参考公式（12）；可以为了ε_R求解这个等式。如果这对于（至少）两个基本频率完成，则这给出ε_R不再参与其中并且允许计算活塞位置的等式。如果活塞位置是已知的并且半径是已知的，则可以根据（12）计算介电常数。

这使得当介电常数并非准确地已知时确定该介电常数成为可能。特别地，例如在液压油中监测介电常数随着时间的变化也是可能的。这种随着时间的变化可能例如由于老化过程、污染、温度影响、压力影响等而发生。

然后独立于活塞位置的测量并且甚至在操作中确定介电常数是可能的。

在用于确定介电常数的实施例中，对于不同的频率，预先确定了限定的相位。例如，将第一频率f₀选择为使得相位为零（以2π为模）并且将第二频率f₀选择为使得相位也为零（以2π为模）但是具有不同的因子。例如，用于第一频率f₀的相位是n×2π并且用于第二频率f₀的相位是（n+1）×2π。然后可以容易地根据等式（12）确定ε_R。

如果活塞位置l是已知的，则计算缸空间20的内径r_i也是可能的。

如与设备52、92和116相结合地述及地，还可以当使用频率调制的发送信号时实现这个解决方案。

如果对于具有不同频率的发送信号使用相同的幅度，则使用比率构成（ratioformation）实现与幅度无关的比率也是可能的（参考等式（7）、（9）和（10））。

10活塞缸

12缸

14第一端面

16第二端面

18壁

20缸空间

22活塞

24活塞杆

26第一子空间

28第二子空间

30a第一进口/出口组合

30b第二进口/出口组合

32天线

34设备

36端子

38容纳空间

40第一区域

42第二区域

44过渡部

46前侧

48定向耦合器

50同轴电缆装置

52设备（第一示例性实施例）

54振荡器

56振荡器

58功率分配器

60第一分支

62第二分支

64功率分配器

66第一分支

68第二分支

70第一单元

72滤波装置

74第一滤波器

76第二滤波器

78微波发送装置

80混频器

82第二单元

84微波接收装置

86第一混频器

88滤波装置

90第二混频器

92设备（第二示例性实施例）

94微波发送装置

96第三振荡器

98功率分配器

100第一分支

102第二分支

104混频装置

106一混频器

108第二混频器

110滤波器

112滤波器

114相位检测器

116设备（第三示例性实施例）

118第一振荡器

120功率分配器

122第一分支

124第二分支

126第二振荡器

128第三振荡器

130功率分配器

132功率分配器

134混频器

136混频器

138第一单元

140第二单元

142设备（第四示例性实施例）

144微波发送装置

146第一振荡器

148第二振荡器

150微波接收装置

151a，放大器

152第三振荡器

154第一混频器

156第二混频器

158第一单元

160第二单元

162第一滤波器

164第二滤波器

166相位检测器

168评价装置

170计算单元

Claims (34)

1.一种用于检测活塞缸的活塞位置的方法，在所述方法中，沿所述活塞的方向发射微波发送信号并且检测从所述活塞反射的微波，

其特征在于，

所述发送信号包括调制信号，所述调制信号具有在调制频率下正弦调制的基本频率，

执行发送信号和接收信号之间的相位的评价，

在基带处执行相位确定和在至少一个边带处执行同时的相位确定，其中在所述基带处的相位确定用于活塞位置的精细确定并且在所述至少一个边带处的相位确定用于活塞位置的粗略确定，

关于基本频率或者中间频率对于接收信号和评价发送信号执行带通滤波，以及

关于调制频率执行带通滤波，

其中，所述调制信号的相位具有以下形式：

其中f₀是所述基本频率，f_m是所述调制频率，η是调制指数并且是常数。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，执行在发送信号和接收信号之间的行进时间的评价。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述接收信号的相位具有以下形式：

其中σ是行进时间差。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述基本频率处于千兆赫范围内并且所述调制频率处于兆赫范围内。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，把发送信号或者评价发送信号与中间频率信号混频。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，以所述调制频率调制所述中间频率信号。

7.根据权利要求1所述的方法，其中，在每一种情形下均把评价发送信号和评价接收信号与中间频率信号混频，所述评价接收信号是通过把接收信号和具有基本频率的信号混频而产生的。

8.根据权利要求5到7中任何一项所述的方法，其中，中间频率小于所述基本频率。

9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述基本频率处于千兆赫范围内并且所述中间频率处于兆赫范围内。

10.根据权利要求8所述的方法，其中，所述中间频率处于所述调制频率和所述基本频率之间。

11.根据权利要求1所述的方法，其中，把已经关于所述基本频率或者所述中间频率经历带通滤波的各滤波信号混频和/或确定在所述各滤波信号之间的相位差。

12.根据权利要求1所述的方法，其中，把评价发送信号和接收信号混频以产生混频信号。

13.根据权利要求12所述的方法，其中，把所述混频信号关于所述至少一个边带的主频率滤波。

14.根据权利要求13所述的方法，其中，在滤波之后把所述混频信号与另一些信号混频，其中所述另一些信号引起在所述调制频率(f_m)下的频率调制。

15.根据权利要求1所述的方法，其中，通过把具有所述基本频率的信号与中间频率信号混频而生成发送信号。

16.根据权利要求15所述的方法，其中，以所述调制频率调制所述中间频率信号自身。

17.根据权利要求1所述的方法，其中，通过把接收信号与具有所述基本频率的信号混频而生成评价接收信号。

18.根据权利要求17所述的方法，其中，把评价接收信号和调制后的中间频率信号混频，并且把得到的信号在滤波之后与在所述调制频率下引起调制后的信号混频。

19.根据权利要求1所述的方法，其中，以至少两个不同的基本频率发射发送信号，并且在每一种情形下均在该至少两个不同的基本频率下执行相位确定。

20.根据权利要求19所述的方法，其中，通过在所述至少两个不同的基本频率下执行相位确定来检测介电常数。

21.一种用于测量活塞缸(10)的活塞(22)位置的设备，包括：

微波发送装置(78；94)和微波接收装置(84)，所述微波发送装置(78；94)和微波接收装置(84)至少部分地布置在所述活塞缸(10)处，其中所述微波发送装置(78；94)沿所述活塞(22)的方向发射发送信号并且所述微波接收装置(84)接收并且检测接收信号；以及

评价装置，

所述设备的特征在于，

所述微波发送装置(78；94)生成频率调制信号，所述频率调制信号具有在调制频率(f_m)下正弦调制的基本频率(f₀)，并且

所述设备还包括在基带处执行发送信号和接收信号之间的相位的相位确定的第一单元(70；138)，和在至少一个边带处执行同时的相位确定的第二单元(82；140)，其中，所述第一单元(70；138)包括关于所述基本频率(f₀)或者中间频率执行滤波的滤波装置(72)，并且所述第二单元(82)包括关于所述调制频率(f_m)执行滤波的滤波装置(88)，

其中，所述频率调制信号的相位具有以下形式：

其中f₀是所述基本频率，f_m是所述调制频率，η是调制指数并且是常数。

22.根据权利要求21所述的设备，其中，所述第一单元(70)包括把滤波的发送信号和接收信号混频的混频器和/或包括用于相位确定的相位检测器(114)。

23.根据权利要求21或者22所述的设备，其中，所述第二单元(82)包括第一混频器(86)，在所述第一混频器(86)处把接收信号或者评价接收信号与发送信号或者评价发送信号混频。

24.根据权利要求23所述的设备，其中，所述第二单元(82)包括第二混频器(90)，所述第二混频器(90)把所述第一混频器(86)的信号在滤波之后与引起频率调制的信号混频。

25.根据权利要求23所述的设备，其中，所述第二单元(82)包括检测在混频信号和引起调制的信号之间的相位差的相位检测器。

26.根据权利要求21所述的设备，还包括混频装置(104)，所述混频装置(104)把接收信号和评价发送信号与中间频率信号混频。

27.根据权利要求21所述的设备，还包括混频装置(134，136)，所述混频装置(134，136)把所述基本频率(f₀)和中间频率(f_i)之间的差的输出频率下的信号与在所述调制频率(f_m)下调制的中间频率信号混频，其中得到的混频信号是发送信号，并且所述混频装置(134，136)把接收信号与具有所述输出频率(f₀-f_i)的信号混频。

28.根据权利要求21所述的设备，其中，微波发送装置(144)发送具有第一基本频率(f₀ ¹)和第二基本频率(f₀ ²)的发送信号，所述第一基本频率(f₀ ¹)与所述第二基本频率(f₀ ²)不同。

29.根据权利要求21所述的设备，其中，所述活塞缸(10)是液压缸或者气压缸。

30.根据权利要求21所述的设备，其中，天线(32)布置在缸空间(20)的第一区域(40)中，所述第一区域具有比所述活塞(22)在其内移动的第二区域(42)更小的直径。

31.根据权利要求30所述的设备，其中，所述天线(32)面向所述活塞(22)的一侧(46)相对于在所述第一区域(40)和所述第二区域(42)之间的过渡部(44)回退。

32.根据权利要求21所述的设备，其中，天线(32)以如下方式布置在缸空间(20)中：使得所述天线(32)与用于所述天线(32)的容纳空间(38)一起地是同轴电缆(50)的延续部。

33.根据权利要求21所述的设备，其中，天线(32)布置在所述活塞缸(10)的环状柱形子空间(28)或者中空柱形子空间(26)中。

34.根据权利要求21所述的设备，其中，执行根据权利要求1所述的方法。