Рефлектометр временной области ( TDR ) — это электронный прибор, используемый для определения характеристик электрических линий путем наблюдения отраженных импульсов . Его можно использовать для характеристики и локализации неисправностей в металлических кабелях (например, витая пара или коаксиальный кабель ), [1] а также для локализации разрывов в разъеме, печатной плате или любом другом электрическом пути.
TDR измеряет отражения вдоль проводника. Чтобы измерить эти отражения, TDR передает падающий сигнал на проводник и прослушивает его отражения . Если проводник имеет однородное сопротивление и правильно нагружен , то отражений не будет, а оставшийся падающий сигнал будет поглощен на дальнем конце нагружением. Вместо этого, если есть изменения импеданса, то часть падающего сигнала будет отражаться обратно к источнику. TDR по принципу действия похож на радар .
Импеданс разрыва можно определить по амплитуде отраженного сигнала. Расстояние до отражающего импеданса также можно определить по времени, которое требуется импульсу для возврата. Ограничением этого метода является минимальное время нарастания системы . Общее время нарастания состоит из объединенного времени нарастания возбуждающего импульса и времени нарастания осциллографа или сэмплера, который контролирует отражения.
Анализ TDR начинается с распространения шага или импульса энергии в систему и последующего наблюдения энергии, отраженной системой. Анализируя величину, длительность и форму отраженной волны, можно определить характер изменения импеданса в системе передачи.
Если на выходе рефлектометра поместить чистую резистивную нагрузку и подать ступенчатый сигнал , на дисплее будет наблюдаться ступенчатый сигнал, а его высота будет функцией сопротивления. Величина ступеньки, создаваемой резистивной нагрузкой, может быть выражена как доля входного сигнала, как указано ниже:
где - характеристическое сопротивление линии передачи .
В общем случае отражения будут иметь ту же форму, что и падающий сигнал, но их знак и величина зависят от изменения уровня импеданса. Если есть ступенчатое увеличение импеданса, то отражение будет иметь тот же знак, что и падающий сигнал; если есть ступенчатое уменьшение импеданса, то отражение будет иметь противоположный знак. Величина отражения зависит не только от величины изменения импеданса, но и от потерь в проводнике.
Отражения измеряются на выходе/входе TDR и отображаются или строятся как функция времени. В качестве альтернативы, отображение может быть прочитано как функция длины кабеля , поскольку скорость распространения сигнала практически постоянна для данной среды передачи.
Благодаря своей чувствительности к изменениям импеданса, TDR может использоваться для проверки характеристик импеданса кабеля, расположения сращиваний и разъемов , а также связанных с ними потерь, а также для оценки длины кабеля.
TDR используют различные падающие сигналы. Некоторые TDR передают импульс по проводнику; разрешение таких приборов часто равно ширине импульса. Узкие импульсы могут обеспечивать хорошее разрешение, но они имеют высокочастотные компоненты сигнала, которые ослабляются в длинных кабелях. Форма импульса часто представляет собой полупериодную синусоиду. [2] Для более длинных кабелей используются более широкие ширины импульса.
Также используются быстрые шаги времени нарастания . Вместо того, чтобы искать отражение полного импульса, прибор занимается нарастающим фронтом, который может быть очень быстрым. [3] Технология TDR 1970-х годов использовала шаги со временем нарастания 25 пс. [4] [5] [6]
Другие TDR передают сложные сигналы и обнаруживают отражения с помощью корреляционных методов. См. рефлектометрию с расширенным спектром и во временной области .
Эквивалентным устройством для оптоволокна является оптический рефлектометр временного диапазона .
Трансмиссиометрия во временной области ( TDT ) — это аналогичная техника, которая измеряет переданный (а не отраженный) импульс. Вместе они обеспечивают мощное средство анализа электрических или оптических сред передачи, таких как коаксиальный кабель и оптическое волокно .
Существуют вариации TDR. Например, рефлектометрия с расширенным спектром во временной области (SSTDR) используется для обнаружения прерывистых неисправностей в сложных и высокошумных системах, таких как проводка самолета. [7] Когерентная оптическая рефлектометрия во временной области (COTDR) — это еще один вариант, используемый в оптических системах, в котором отраженный сигнал смешивается с локальным генератором, а затем фильтруется для снижения шума. [8]
Эти трассы были получены с помощью рефлектометра временной области, изготовленного из обычного лабораторного оборудования, подключенного к примерно 100 футам (30 м) коаксиального кабеля с характеристическим сопротивлением 50 Ом. Скорость распространения этого кабеля составляет примерно 66% от скорости света в вакууме.
Эти трассы были получены коммерческим TDR с использованием ступенчатой формы сигнала с временем нарастания 25 пс, головкой выборки с временем нарастания 35 пс и 18-дюймовым (0,46 м) кабелем SMA. [9] Дальний конец кабеля SMA был оставлен открытым или подключен к различным адаптерам. Импульсу требуется около 3 нс, чтобы пройти по кабелю, отразиться и достичь головки выборки. Второе отражение (примерно через 6 нс) можно увидеть на некоторых трассах; это связано с тем, что отражение видит небольшое несоответствие на головке выборки и заставляет другую «падающую» волну проходить по кабелю.
Если дальний конец кабеля закорочен, то есть нагружен сопротивлением ноль Ом, и когда нарастающий фронт импульса запускается по кабелю, напряжение в точке запуска мгновенно «поднимается» до заданного значения, и импульс начинает распространяться по кабелю к короткому замыканию. Когда импульс сталкивается с коротким замыканием, на дальнем конце энергия не поглощается. Вместо этого инвертированный импульс отражается обратно от короткого замыкания к концу запуска. Только когда это отражение наконец достигает точки запуска, напряжение в этой точке резко падает до нуля, сигнализируя о наличии короткого замыкания на конце кабеля. То есть, TDR не имеет никаких указаний на наличие короткого замыкания на конце кабеля, пока его излученный импульс не сможет пройти по кабелю, и эхо не сможет вернуться. Только после этой задержки в оба конца короткое замыкание может быть обнаружено TDR. Зная скорость распространения сигнала в конкретном тестируемом кабеле, можно измерить расстояние до короткого замыкания.
Похожий эффект возникает, если дальний конец кабеля представляет собой разомкнутую цепь (завершенную в бесконечное сопротивление). В этом случае, однако, отражение от дальнего конца поляризовано идентично исходному импульсу и добавляется к нему, а не нейтрализует его. Таким образом, после задержки на круговую передачу напряжение на TDR резко подскакивает до удвоенного значения первоначально приложенного напряжения.
Идеальное завершение на дальнем конце кабеля полностью поглотило бы приложенный импульс, не вызывая никакого отражения, что делает определение фактической длины кабеля невозможным. На практике почти всегда наблюдается небольшое отражение.
Величина отражения называется коэффициентом отражения или ρ . Коэффициент изменяется от 1 (разомкнутая цепь) до −1 (короткое замыкание). Значение, равное нулю, означает, что отражения нет. Коэффициент отражения рассчитывается следующим образом: где Z o определяется как характеристическое сопротивление среды передачи, а Z t — сопротивление окончания на дальнем конце линии передачи .
Любой разрыв можно рассматривать как терминальное сопротивление и подставлять как Z t . Это включает резкие изменения характеристического сопротивления. Например, ширина дорожки на печатной плате, удвоенная в ее средней части, будет представлять собой разрыв. Часть энергии будет отражаться обратно к источнику возбуждения; оставшаяся энергия будет передаваться. Это также известно как рассеивающий переход.
Рефлектометры временной области обычно используются для тестирования на месте очень длинных кабельных трасс, где непрактично выкапывать или удалять то, что может быть многокилометровым кабелем. Они незаменимы для профилактического обслуживания телекоммуникационных линий , поскольку TDR могут обнаруживать сопротивление на соединениях и разъемах по мере их коррозии , а также увеличивающуюся утечку изоляции по мере ее деградации и поглощения влаги задолго до того, как это приведет к катастрофическим отказам. Используя TDR, можно определить неисправность с точностью до сантиметров.
TDR также являются очень полезными инструментами для технических контрмер наблюдения , где они помогают определить наличие и местоположение ответвлений проводов . Небольшое изменение импеданса линии, вызванное введением ответвления или сращивания, будет отображаться на экране TDR при подключении к телефонной линии.
Оборудование TDR также является важным инструментом в анализе отказов современных высокочастотных печатных плат с сигнальными трассами, созданными для имитации линий передачи . Наблюдение за отражениями может обнаружить любые нераспаянные штырьки устройства с шариковой решеткой . Короткозамкнутые штырьки также могут быть обнаружены аналогичным образом.
Принцип TDR используется в промышленных условиях, в таких разнообразных ситуациях, как тестирование корпусов интегральных схем для измерения уровня жидкости. В первом случае рефлектометр временной области используется для изоляции неисправных участков в том же самом. Последний в основном ограничен перерабатывающей промышленностью.
В устройстве измерения уровня на основе TDR устройство генерирует импульс, который распространяется по тонкому волноводу (называемому зондом) — обычно металлическому стержню или стальному кабелю. Когда этот импульс попадает на поверхность измеряемой среды, часть импульса отражается обратно по волноводу. Устройство определяет уровень жидкости, измеряя разницу во времени между моментом отправки импульса и моментом возвращения отражения. Датчики могут выводить анализируемый уровень в виде непрерывного аналогового сигнала или переключать выходные сигналы. В технологии TDR на скорость импульса в первую очередь влияет диэлектрическая проницаемость среды, через которую распространяется импульс, которая может сильно различаться в зависимости от содержания влаги и температуры среды. Во многих случаях этот эффект можно скорректировать без излишних трудностей. В некоторых случаях, например, в кипящих и/или высокотемпературных средах, коррекция может быть затруднена. В частности, определение высоты пены (пены) и уровня рухнувшей жидкости в пенистой/кипящей среде может быть очень сложным.
Группа интересов по безопасности плотин CEA Technologies, Inc. (CEATI), консорциум электроэнергетических организаций, применила рефлектометрию временной области с расширенным спектром для выявления потенциальных неисправностей в якорных тросах бетонных плотин. Ключевым преимуществом рефлектометрии временной области по сравнению с другими методами тестирования является неразрушающий метод этих испытаний. [10]
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, продуктах питания и отложениях. Ключом к успеху TDR является его способность точно определять диэлектрическую проницаемость (диэлектрическую постоянную) материала по распространению волн из-за сильной связи между диэлектрической проницаемостью материала и его содержанием воды, как показано в пионерских работах Hoekstra и Delaney (1974) и Topp и др. (1980). Недавние обзоры и справочные работы по этой теме включают Topp и Reynolds (1998), Noborio (2001), Pettinellia и др. (2002), Topp и Ferre (2002) и Robinson и др. (2003). Метод TDR представляет собой метод линии передачи и определяет кажущуюся диэлектрическую проницаемость (Ka) по времени пробега электромагнитной волны, которая распространяется вдоль линии передачи, обычно двух или более параллельных металлических стержней, встроенных в почву или осадок. Длина зондов обычно составляет от 10 до 30 см, и они подключаются к TDR через коаксиальный кабель.
Рефлектометрия во временной области также использовалась для мониторинга движения склона в различных геотехнических условиях, включая выемки шоссе, железнодорожные полотна и открытые карьеры (Dowding & O'Connor, 1984, 2000a, 2000b; Kane & Beck, 1999). В приложениях для мониторинга стабильности TDR коаксиальный кабель устанавливается в вертикальной скважине, проходящей через интересующую область. Электрический импеданс в любой точке вдоль коаксиального кабеля изменяется с деформацией изолятора между проводниками. Хрупкий раствор окружает кабель, чтобы преобразовать движение земли в резкую деформацию кабеля, которая отображается как обнаруживаемый пик на трассе отражения. До недавнего времени этот метод был относительно нечувствителен к небольшим движениям склона и не мог быть автоматизирован, поскольку он полагался на обнаружение человеком изменений в трассе отражения с течением времени. Фаррингтон и Сарганд (2004) разработали простую методику обработки сигналов с использованием числовых производных для извлечения надежных признаков движения уклона из данных TDR гораздо раньше, чем при традиционной интерпретации.
Другое применение TDR в геотехнической инженерии — определение содержания влаги в почве. Это можно сделать, поместив TDR в различные слои почвы и измерив время начала осадков и время, в течение которого TDR указывает на увеличение содержания влаги в почве. Глубина TDR (d) является известным фактором, а другой — это время, необходимое капле воды для достижения этой глубины ( t ); поэтому можно определить скорость инфильтрации воды ( v ). Это хороший метод оценки эффективности наилучших методов управления (BMP) в снижении поверхностного стока ливневых вод .
Рефлектометрия во временной области используется в анализе отказов полупроводников как неразрушающий метод определения дефектов в корпусах полупроводниковых приборов. TDR обеспечивает электрическую сигнатуру отдельных проводящих дорожек в корпусе прибора и полезна для определения местоположения разрывов и коротких замыканий.
Рефлектометрия с временной областью, в частности, рефлектометрия с расширенным спектром во временной области, используется в авиационной проводке как для профилактического обслуживания, так и для определения места неисправности. [11] Рефлектометрия с расширенным спектром во временной области имеет преимущество точного определения места неисправности в пределах тысяч миль авиационной проводки. Кроме того, эту технологию стоит рассмотреть для мониторинга авиации в реальном времени, поскольку рефлектометрию с расширенным спектром можно использовать на проводах под напряжением.
Этот метод оказался полезным для обнаружения прерывистых электрических неисправностей. [12]
Многоканальная рефлектометрия во временной области (MCTDR) также была определена как перспективный метод для встроенных инструментов диагностики или устранения неисправностей EWIS. Основанная на введении многоканального сигнала (соблюдающего ЭМС и безвредного для проводов), эта интеллектуальная технология предоставляет информацию для обнаружения, локализации и характеристики электрических дефектов (или механических дефектов, имеющих электрические последствия) в системах электропроводки. Жесткие неисправности (короткое замыкание, обрыв цепи) или прерывистые дефекты могут быть обнаружены очень быстро, что повышает надежность систем электропроводки и улучшает их обслуживание. [13]
В этой статье использованы материалы из федерального стандарта 1037C, являющиеся общественным достоянием . Администрация общих служб . Архивировано из оригинала 22.01.2022.
