Рефлектометр во временной области ( TDR ) является электронным прибором, который использует рефлектометрию во временной области для характеристики и обнаружения неисправностей в металлических кабелях (например, витая пара или коаксиальный кабель ). [1] Он также может использоваться для обнаружения разрывов в разъеме, печатной плате или любом другом электрическом пути. Эквивалентным устройством для оптического волокна является оптический рефлектометр во временной области .
Описание
TDR измеряет отражения вдоль проводника. Чтобы измерить эти отражения, TDR будет передавать падающий сигнал на проводник и слушать его отражения . Если проводник имеет равномерный импеданс и надлежащим образом оканчивается , то не будет отражений, а оставшийся падающий сигнал будет поглощен в дальнем конце по окончании. Вместо этого, если есть изменения импеданса, тогда часть сигнала падающего сигнала будет отражена обратно к источнику. TDR в принципе аналогичен радару .
отражение
Как правило, отражения будут иметь ту же форму, что и падающий сигнал, но их знак и величина зависят от изменения уровня импеданса. Если есть увеличение ступени импеданса, то отражение будет иметь тот же знак, что и падающий сигнал; если есть ступенчатое уменьшение импеданса, отражение будет иметь противоположный знак. Величина отражения зависит не только от величины изменения импеданса, но и от потери в проводнике.
Отражения измеряются на выходе / входе в TDR и отображаются или отображаются как функция времени. В качестве альтернативы, дисплей можно считывать как функцию длины кабеля, поскольку скорость распространения сигнала почти постоянна для данной среды передачи.
Из-за его чувствительности к изменениям импеданса TDR может использоваться для проверки характеристик импеданса кабеля, мест сращивания и разъемов, а также связанных потерь и оценки длины кабеля.
Сигнал инцидента
TDR используют разные сигналы падающего сигнала. Некоторые TDR передают импульс вдоль проводника; разрешение таких инструментов часто является шириной импульса. Узкие импульсы могут обеспечить хорошее разрешение, но они имеют высокочастотные компоненты сигнала, которые ослаблены в длинных кабелях. Форма импульса часто представляет собой полусинусоидальную синусоиду. [2] Для более длинных кабелей используется более широкая ширина импульса.
Также используются этапы быстрого нарастания . Вместо того, чтобы искать отражение полного импульса, инструмент связан с нарастающим фронтом, который может быть очень быстрым. [3] Технология TDR 1970-х годов использовала шаги с временем нарастания 25 пс. [4] [5] [6]
Другие TDR передают комплексные сигналы и обнаруживают отражения с помощью методов корреляции. См. Рефлектометрию во временной области спектра с расширенным спектром .
Применение
Рефлектометры во временной области обычно используются для локального тестирования очень длинных кабельных трасс, где нецелесообразно выкапывать или удалять то, что может быть километровым кабелем. Они необходимы для профилактического обслуживания линий электросвязи , поскольку TDR могут обнаруживать сопротивление на соединениях и соединителях по мере их коррозии и увеличивать утечку изоляции, поскольку она ухудшает и поглощает влагу, задолго до того, как либо приведет к катастрофическим сбоям. Используя TDR, можно определить неисправность в пределах сантиметров.
TDR также являются очень полезными инструментами для контрмер мер технического наблюдения , где они помогают определить наличие и расположение ответвлений . Небольшое изменение линейного импеданса, вызванное вводом крана или сращивания, будет отображаться на экране TDR при подключении к телефонной линии.
Оборудование TDR также является важным инструментом анализа отказов современных высокочастотных печатных плат с сигнальными трассами, созданными для эмулирования линий электропередач . Наблюдая за отражениями, можно обнаружить любые распайленные штыри устройства с шаровой сеткой . Короткие замыкающие контакты также могут быть обнаружены аналогичным образом.
Принцип TDR используется в промышленных установках в таких разнообразных ситуациях, как тестирование пакетов интегральных схем для измерения уровня жидкости. В первом используется рефлектометр во временной области, чтобы изолировать неудачные сайты в том же самом. Последнее в основном ограничено технологической отраслью.
Измерение уровня
В устройстве измерения уровня на основе TDR устройство генерирует импульс, который распространяется по тонкому волноводу (называемому зондом) - обычно металлический стержень или стальной кабель. Когда этот импульс попадает на поверхность измеряемой среды, часть импульса отражает задний волновод. Устройство определяет уровень жидкости, измеряя разницу во времени между тем, когда импульс был отправлен, и когда отражение возвращается. Датчики могут выводить анализируемый уровень в виде непрерывного аналогового сигнала или выходных сигналов переключателя. В технологии TDR скорость импульса в первую очередь зависит от диэлектрической проницаемости среды, через которую распространяется импульс, который может сильно варьироваться в зависимости от содержания влаги и температуры среды. Во многих случаях этот эффект может быть исправлен без чрезмерных трудностей. В некоторых случаях, например, в условиях кипения и / или высокой температуры, коррекция может быть затруднена. В частности, определение высоты пены (пены) и уровня сплющенной жидкости в пеной / кипящей среде может быть очень сложным.
Используется в якорных кабелях в плотинах
Группа безопасности безопасности Dam Group CEA Technologies, Inc. (CEATI), консорциум организаций электроэнергетики, применила рефлектометрию во временной области спектра с расширенным спектром для выявления потенциальных неисправностей в бетонных якорных кабелях. Ключевым преимуществом рефлектометрии во временной области над другими методами тестирования является неразрушающий метод этих тестов. [8]
Используется в земле и сельскохозяйственных науках
Основная статья: Измерение влажности с использованием рефлектометрии во временной области
TDR используется для определения содержания влаги в почве и пористых средах. За последние два десятилетия были достигнуты значительные успехи в измерении влажности в почве, зерне, пищевом продукте и осадках. Ключом к успеху TDR является его способность точно определять диэлектрическую проницаемость материала из распространения волны из-за сильной взаимосвязи между диэлектрической проницаемостью материала и его содержанием воды, что продемонстрировано в новаторских работах Хекстры и Делани (1974) и Topp et al. (1980). Последние обзоры и справочные работы по этому вопросу включают: Topp and Reynolds (1998), Noborio (2001), Pettinellia et al. (2002), Topp and Ferre (2002) и Robinson et al. (2003). Метод TDR является методом линии передачи и определяет кажущуюся диэлектрическую проницаемость (Ka) от времени прохождения электромагнитной волны, которая распространяется вдоль линии передачи, обычно два или более параллельных металлических стержня, встроенных в почву или осадок. Обычно зонды имеют длину от 10 до 30 см и соединены с TDR через коаксиальный кабель.
В геотехническом использовании
Рефлексометрия во временной области также использовалась для мониторинга движения склонов в различных геотехнических условиях, включая разрезы дорог, рельсы и карьеры (Dowding & O'Connor, 1984, 2000a, 2000b, Kane & Beck, 1999). В приложениях мониторинга стабильности, использующих TDR, коаксиальный кабель устанавливается в вертикальной скважине, проходящей через зону беспокойства. Электрический импеданс в любой точке вдоль коаксиального кабеля изменяется с деформацией изолятора между проводниками. Хрупкий раствор окружает кабель, чтобы перевести движение земли в резкую деформацию кабеля, которая проявляется как обнаруживаемый пик в отражательной способности. До недавнего времени этот метод был относительно нечувствителен к движениям малого наклона и не мог быть автоматизирован, поскольку он полагался на человеческое обнаружение изменений в спектре отражения с течением времени. Фаррингтон и Сарганд (2004) разработали простую технологию обработки сигналов с использованием числовых производных для извлечения надежных указаний движения склона из данных TDR намного раньше, чем при обычной интерпретации.
Другим применением TDR в геотехнической технике является определение содержания влаги в почве. Это можно сделать, разместив TDR в разных слоях почвы и измеря время начала осаждения и время, когда TDR указывает на увеличение влажности почвы. Глубина TDR (d) является известным фактором, а другая - временем, когда капля воды достигает этой глубины (t); поэтому можно определить скорость проникновения воды (v). Это хороший метод оценки эффективности лучших методов управления (БМП) в деле сокращения ливневых вод поверхностный сток .
В анализе полупроводниковых приборов
Отражательная рефлектометрия во временной области используется в анализе отказа полупроводников как неразрушающий метод определения местоположения дефектов в пакетах полупроводниковых приборов. TDR обеспечивает электрическую подпись отдельных проводящих трасс в пакете устройства и полезна для определения местоположения раскрытий и шорт.
В обслуживании авиационной электропроводки
Рефлексометрия во временной области, в частности, рефлектометрия во временной области спектра с расширенным спектром используется для авиационной проводки как для профилактического обслуживания, так и для обнаружения неисправностей. [9] Рефлектометрия во временной области спектра спредов имеет то преимущество, что она точно определяет местонахождение неисправности в течение тысяч миль авиационной проводки. Кроме того, эта технология заслуживает внимания для авиационного мониторинга в реальном времени, поскольку рефлектометрия с расширенным спектром может использоваться на живых проводах.
Было показано, что этот метод полезен для обнаружения прерывистых электрических неисправностей. [10]
Многокомпонентная рефлектометрия во временной области (MCTDR) также была идентифицирована как перспективный метод для встроенных средств диагностики и устранения неполадок EWIS. Основываясь на вводе сигнала с множеством несущих (в отношении электромагнитной совместимости и безвредных для проводов), эта интеллектуальная технология предоставляет информацию для обнаружения, локализации и характеристики электрических дефектов (или механических дефектов, имеющих электрические последствия) в системах электропроводки. Жесткая неисправность (короткая, разомкнутая цепь) или прерывистые дефекты могут быть обнаружены очень быстро, повышая надежность проводящих систем и улучшая их обслуживание. [11]
