Рефлектометр во временной области

Рефлектометр во временной области для кабеля обнаружения повреждений

Рефлектометр во временной области ( TDR ) — это электронный прибор, используемый для определения характеристик электрических линий путем наблюдения отраженных импульсов .

Его можно использовать для определения характеристик и обнаружения неисправностей в металлических кабелях (например, витой паре или коаксиальном кабеле ), и для обнаружения разрывов в разъеме, печатной плате или любом другом электрическом пути.

Описание

TDR измеряет отражения вдоль проводника. Чтобы измерить эти отражения, TDR передает падающий сигнал на проводник и отслеживает его отражения . Если проводник имеет равномерный импеданс и правильно подключен , то отражений не будет, а оставшийся падающий сигнал будет поглощаться на дальнем конце оконечным устройством. Вместо этого, если есть изменения импеданса, часть падающего сигнала будет отражена обратно к источнику. Принцип действия TDR аналогичен радару .

Сигнал (или энергия), передаваемый и отраженный от разрыва

Импеданс отраженного разрыва можно определить по амплитуде сигнала. Расстояние , до отражающего импеданса также можно определить по времени которое требуется импульсу для возвращения. Ограничением этого метода является минимальное время нарастания системы . Общее время нарастания состоит из совокупного времени нарастания возбуждающего импульса и времени нарастания осциллографа или пробоотборника, который контролирует отражения.

Метод

Анализ TDR начинается с распространения шага или импульса энергии в систему и последующего наблюдения энергии, отраженной системой. Анализируя величину, длительность и форму отраженного сигнала, можно определить характер изменения импеданса в системе передачи.

чисто резистивную нагрузку Если на выход рефлектометра подать и подать ступенчатый сигнал , то на дисплее будет наблюдаться ступенчатый сигнал, а его высота будет функцией сопротивления. Величина скачка, создаваемого резистивной нагрузкой, может быть выражена как доля входного сигнала по формуле:

$$\rho ={\frac {R_{L}-Z_{0}}{R_{L}+Z_{0}}}$$

где $Z_{0}$ – характеристическое сопротивление линии передачи .

Отражение

Как правило, отражения будут иметь ту же форму, что и падающий сигнал, но их знак и величина зависят от изменения уровня импеданса. Если происходит ступенчатое увеличение импеданса, то отражение будет иметь тот же знак, что и падающий сигнал; если происходит ступенчатое уменьшение импеданса, 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 рефлектометра и отображаются или строятся в зависимости от времени. Альтернативно, показания дисплея можно считать функцией длины кабеля , поскольку скорость распространения сигнала практически постоянна для данной среды передачи.

Из-за своей чувствительности к изменениям импеданса рефлектометр может использоваться для проверки характеристик импеданса кабеля, расположения мест сращивания и разъема и связанных с ними потерь, а также оценки длины кабеля.

Сигнал инцидента

TDR используют разные сигналы инцидентов. Некоторые TDR передают импульс по проводнику; разрешение таких приборов часто равно ширине импульса. Узкие импульсы могут обеспечить хорошее разрешение, но они содержат высокочастотные составляющие сигнала, которые ослабляются в длинных кабелях. Форма импульса часто представляет собой полупериодную синусоиду. Для более длинных кабелей используются более широкие импульсы.

быстрые шаги по времени нарастания Также используются . Вместо того, чтобы искать отражение всего импульса, прибор анализирует нарастающий фронт, который может быть очень быстрым. В технологии TDR 1970-х годов использовались ступени со временем нарастания 25 пс.

Другие TDR передают сложные сигналы и обнаруживают отражения с помощью методов корреляции. См. Рефлектометрию во временной области с расширенным спектром .

Вариации и расширения

Эквивалентным устройством для оптического волокна является оптический рефлектометр во временной области .

Трансмиссометрия во временной области ( TDT ) — это аналогичный метод, который измеряет переданный (а не отраженный) импульс. Вместе они обеспечивают мощные средства анализа электрических или оптических сред передачи, таких как коаксиальный кабель и оптическое волокно .

Существуют варианты TDR. Например, рефлектометрия во временной области с расширенным спектром (SSTDR) используется для обнаружения периодических неисправностей в сложных и высокошумных системах, таких как проводка самолета. Когерентная оптическая рефлектометрия во временной области (COTDR) - это еще один вариант, используемый в оптических системах, в которых возвращаемый сигнал смешивается с гетеродином, а затем фильтруется для уменьшения шума.

Примеры трассировок

Эти следы были получены с помощью рефлектометра во временной области, изготовленного из обычного лабораторного оборудования, подключенного к коаксиальному кабелю длиной примерно 100 футов (30 м) с характеристическим сопротивлением 50 Ом. Скорость распространения этого кабеля составляет примерно 66% скорости света в вакууме.

• 
  Простой TDR, сделанный из лабораторного оборудования
• 
  Простой TDR, сделанный из лабораторного оборудования
• 
  TDR-трасса линии передачи с открытым терминатором
• 
  TDR-трасса линии передачи с оконечником короткого замыкания
• 
  TDR-трасса линии передачи с оконечной нагрузкой конденсатора 1 нФ
• 
  TDR-трасса линии передачи с почти идеальным завершением
• 
  TDR-рефлектограмма линии передачи, подключенной к высокоомному входу осциллографа. Синяя кривая — это импульс, видимый на дальнем конце. Он смещен так, что видна базовая линия каждого канала.
• 
  TDR-трасса линии передачи, оконченной на входе с высоким импедансом осциллографа, управляемом ступенчатым входом от согласованного источника. Синяя кривая — это сигнал, видимый на дальнем конце.

Эти кривые были получены с помощью коммерческого рефлектометра с использованием ступенчатого сигнала с временем нарастания 25 пс, головки для отбора проб с временем нарастания 35 пс и кабеля SMA длиной 18 дюймов (0,46 м). Дальний конец кабеля SMA был оставлен открытым или подключен к другим адаптерам. Импульсу требуется около 3 нс, чтобы пройти по кабелю, отразиться и достичь головки для отбора проб. На некоторых трассах можно увидеть второе отражение (около 6 нс); это происходит из-за того, что отражение видит небольшое несоответствие в головке для отбора проб и заставляет еще одну «падающую» волну распространяться по кабелю.

• 
  TDR шага в отсоединенный штекер SMA (неточное размыкание)
  по горизонтали: 1 нс/дел
  по вертикали: 0,5 ρ/дел.
• 
  TDR шага в отключенный разъем APC-7 мм
• 
  TDR шага в точность APC-7 мм открыта
• 
  TDR шага при прецизионной нагрузке APC-7 мм
• 
  TDR шага в точность APC-7 мм, короткий
• 
  TDR шага в точность APC-7 мм открыта
  по горизонтали: 20 пс/дел.
• 
  TDR шага в сопряженной паре разъемов BNC; пиковое отражение составляет 0,04
  по горизонтали: 200 пс/дел.
  по вертикали: 20 мρ/дел.

Объяснение

Если дальний конец кабеля закорочен, то есть оконцован сопротивлением ноль Ом, и при запуске нарастающего фронта импульса по кабелю напряжение в точке запуска мгновенно «поднимается» до заданного значения. и импульс начинает распространяться по кабелю в сторону короткого замыкания. Когда импульс попадает на короткое замыкание, энергия на дальнем конце не поглощается. Вместо этого инвертированный импульс отражается от короткого замыкания к пусковому концу. И 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 рефлектометр не имеет индикации короткого замыкания на конце кабеля до тех пор, пока излучаемый импульс не сможет пройти по кабелю и эхо не вернется. Только после этой двусторонней задержки TDR может обнаружить короткое замыкание. Зная скорость распространения сигнала в конкретном тестируемом кабеле, можно измерить расстояние до короткого замыкания.

Аналогичный эффект возникает, если дальний конец кабеля представляет собой разомкнутую цепь (завершенную с бесконечным импедансом). Однако в этом случае отражение от дальнего конца поляризовано идентично исходному импульсу и дополняет его, а не нейтрализует. Таким образом, после двусторонней задержки напряжение на TDR резко подскакивает в два раза по сравнению с исходным напряжением.

Идеальное оконцевание на дальнем конце кабеля полностью поглотит приложенный импульс, не вызывая никакого отражения, что сделает невозможным определение фактической длины кабеля. На практике почти всегда наблюдается небольшое отражение.

Величина отражения называется коэффициентом отражения или ρ. Коэффициент варьируется от 1 (обрыв цепи) до −1 (короткое замыкание). Значение ноль означает, что отражения нет. Коэффициент отражения рассчитывается следующим образом:

$$\rho ={\frac {Z_{t}-Z_{o}}{Z_{t}+Z_{o}}}$$

Где Z _o определяется как характеристическое сопротивление среды передачи, а Z _t – полное сопротивление окончания на дальнем конце линии передачи .

Любой разрыв можно рассматривать как оконечный импеданс и заменить его Z _t . Сюда входят резкие изменения характеристического сопротивления. Например, ширина дорожки на печатной плате, удвоенная в ее средней части, будет представлять собой разрыв. Некоторая часть энергии будет отражена обратно к источнику движения; оставшаяся энергия будет передана. Это также известно как рассеивающий контакт.

Использование

Рефлектометры во временной области обычно используются для тестирования на месте очень длинных кабелей, где нецелесообразно выкапывать или удалять кабели длиной в несколько километров. Они незаменимы для профилактического обслуживания телекоммуникационных утечек линий, поскольку TDR могут обнаруживать сопротивление соединений и разъемов по мере их коррозии и увеличение изоляции по мере ее разрушения и поглощения влаги задолго до того, как что-либо приведет к катастрофическим отказам. Используя TDR, можно точно определить неисправность с точностью до сантиметров.

TDR также являются очень полезными инструментами противодействия техническому наблюдению , помогая определить наличие и местонахождение прослушивающих устройств . Небольшое изменение импеданса линии, вызванное введением отвода или соединения, отобразится на экране рефлектометра при подключении к телефонной линии.

Оборудование TDR также является важным инструментом анализа отказов современных высокочастотных печатных плат с трассами сигналов, созданными для имитации линий передачи . Наблюдая за отражениями, с шариковой решеткой можно обнаружить любые нераспаянные выводы устройства . Аналогичным образом можно обнаружить короткозамкнутые контакты.

Принцип TDR используется в промышленных условиях, в самых разных ситуациях, от тестирования корпусов интегральных схем до измерения уровней жидкости. В первом случае рефлектометр во временной области используется для изоляции неисправных участков. Последнее в первую очередь ограничивается перерабатывающей промышленностью.

При измерении уровня

на основе TDR В устройстве измерения уровня устройство генерирует импульс, который распространяется по тонкому волноводу (называемому зондом) – обычно металлическому стержню или стальному тросу. Когда этот импульс достигает поверхности измеряемой среды, часть импульса отражается обратно вверх по волноводу. Устройство определяет уровень жидкости, измеряя разницу во времени между моментом отправки импульса и моментом возвращения отражения. Датчики могут выдавать 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 варьироваться в зависимости от содержания влаги и температуры среды. Во многих случаях этот эффект можно исправить без особого труда. В некоторых случаях, например, в условиях кипения и/или высокой температуры, коррекция может быть затруднена. В частности, определение высоты пены (пены) и уровня схлопнувшейся жидкости в пенистой/кипящей среде может оказаться весьма затруднительным.

Используется в анкерных кабелях на плотинах.

Группа по обеспечению безопасности плотин компании CEA Technologies, Inc. (CEATI), консорциума электроэнергетических организаций, применила рефлектометрию с расширенным спектром во временной области для выявления потенциальных неисправностей в анкерных кабелях бетонной плотины. Ключевым преимуществом рефлектометрии во временной области по сравнению с другими методами тестирования является неразрушающий метод этих испытаний.

Используется в науках о земле и сельском хозяйстве.

Основная статья: Измерение содержания влаги с помощью рефлектометрии во временной области

TDR используется для определения содержания влаги в почве и пористых средах. За последние два десятилетия были достигнуты существенные успехи в измерении влажности почвы, зерна, продуктов питания и отложений. Ключом к успеху TDR является его способность точно определять диэлектрическую проницаемость (диэлектрическую проницаемость) материала на основе распространения волн благодаря сильной взаимосвязи между диэлектрической проницаемостью материала и содержанием в нем воды, как продемонстрировано в новаторских работах Хекстры и Делани. (1974) и Топп и др. (1980). Недавние обзоры и справочные работы по этому вопросу включают Topp and Reynolds (1998), Noborio (2001), Pettinellia et al. (2002), Топп и Ферре (2002) и Робинсон и др. (2003). Метод TDR представляет собой метод линии передачи и определяет кажущуюся диэлектрическую проницаемость (Ka) по времени прохождения электромагнитной волны, которая распространяется вдоль линии передачи, обычно состоящей из двух или более параллельных металлических стержней, погруженных в почву или отложения. Зонды обычно имеют длину от 10 до 30 см и подключаются к рефлектометру через коаксиальный кабель.

В инженерно-геологической инженерии

Рефлектометрия во временной области также использовалась для мониторинга движения склонов в различных геотехнических условиях, включая перерезки автомагистралей, железнодорожные полотна и открытые карьеры (Dowding & O'Connor, 1984, 2000a, 2000b; Kane & Beck, 1999). В приложениях мониторинга стабильности с использованием TDR коаксиальный кабель устанавливается в вертикальную скважину, проходящую через исследуемую область. Электрический импеданс в любой точке коаксиального кабеля изменяется при деформации изолятора между проводниками. Хрупкий раствор окружает кабель, преобразуя движение грунта в резкую деформацию кабеля, которая проявляется в виде заметного пика на кривой 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 простой метод обработки сигналов с использованием числовых производных для извлечения надежных признаков движения склона из данных TDR гораздо раньше, чем при традиционной интерпретации.

Еще одним применением TDR в геотехнической инженерии является определение влажности почвы. Это можно сделать, разместив TDR в разных слоях почвы и измерив время начала осадков и время, когда TDR указывает на увеличение влажности почвы. Глубина TDR (d) является известным фактором, а другой — это время, необходимое капле воды, чтобы достичь этой глубины (t); скорость инфильтрации следовательно, можно определить воды (v). Это хороший метод оценки эффективности передовых методов управления (BMP) в сокращении ливневых вод поверхностного стока .

В анализе полупроводниковых устройств

Рефлектометрия во временной области используется при анализе отказов полупроводников как неразрушающий метод определения местоположения дефектов в корпусах полупроводниковых приборов. TDR обеспечивает электрическую подпись отдельных проводящих дорожек в корпусе устройства и полезен для определения местоположения обрывов и коротких замыканий.

В обслуживании авиационной электропроводки

Рефлектометрия во временной области, в частности, рефлектометрия во временной области с расширенным спектром, используется в авиационной проводке как для профилактического обслуживания, так и для обнаружения неисправностей. Рефлектометрия с расширенным спектром во временной области имеет то преимущество, что позволяет точно определить место повреждения на расстоянии тысяч миль от авиационной проводки. Кроме того, эту технологию стоит рассмотреть для авиационного мониторинга в реальном времени, поскольку рефлектометрия с расширенным спектром может использоваться на проводах под напряжением.

Было показано, что этот метод полезен для обнаружения периодически возникающих электрических неисправностей.

Рефлектометрия с несколькими несущими во временной области (MCTDR) также была признана многообещающим методом встроенных инструментов диагностики или устранения неполадок EWIS. Основанная на подаче сигнала с несколькими несущими (с соблюдением требований ЭМС и безвредным для проводов), эта интеллектуальная технология предоставляет информацию для обнаружения, локализации и определения характеристик электрических дефектов (или механических дефектов, имеющих электрические последствия) в системах электропроводки.Серьезные неисправности (короткое замыкание, обрыв цепи) или периодические неисправности могут быть обнаружены очень быстро, что повышает надежность систем электропроводки и улучшает их техническое обслуживание.

См. также

• Датчик частотной области
• Кольцевой мост Мюррея
• Рефлектометрия в шумовой области
• Метод Николсона-Росса-Вейра
• Оптический рефлектометр во временной области
• Возвратные потери
• Коэффициент стоячей волны

Ссылки

Дальнейшее чтение

• Хоекстра, П. и А. Делани, 1974. «Диэлектрические свойства почв на УВЧ и микроволновых частотах». Журнал геофизических исследований 79 : 1699–1708.
• Смит, П., К. Ферс и Дж. Гюнтер, 2005. « Анализ рефлектометрии с расширенным спектром во временной области для определения места повреждения проводов ». Журнал IEEE Sensors 5 : 1469–1478.
• Ваддупс Б., К. Фурс и М. Шмидт. «Анализ рефлектометрии для обнаружения потертостей изоляции проводки самолета». Кафедра электротехники и вычислительной техники. Университет штата Юта.
• Ноборио К. 2001. «Измерение содержания влаги в почве и электропроводности методом рефлектометрии во временной области: обзор». Компьютеры и электроника в сельском хозяйстве 31 : 213–237.
• Петтинелли Э., А. Черети, А. Галли и Ф. Белла, 2002. «Рефлектометрия во временной области: методы калибровки для точного измерения диэлектрических свойств различных материалов». Обзор научных инструментов 73 : 3553–3562.
• Робинсон Д.А., С.Б. Джонс, Дж.М. Рэйт, Д. Ор и С.П. Фридман, 2003 г. «Обзор достижений в области измерений диэлектрической и электропроводности в почвах с использованием рефлектометрии во временной области». Журнал зоны Вадосе 2 : 444–475.
• Робинсон Д.А., К.С. Кэмпбелл, Дж.В. Хопманс, Б.К. Хорнбакл, Скотт Б. Джонс, Р. Найт, Ф. Огден, Дж. Селкер и О. Вендрот, 2008. «Измерение влажности почвы для экологических и гидрологических обсерваторий водосборного масштаба: Обзор». Журнал зоны Вадосе 7: 358-389.
• Топп Г.С., Дж.Л. Дэвис и А.П. Аннан, 1980. «Электромагнитное определение содержания влаги в почве: измерения в коаксиальных линиях передачи». Исследования водных ресурсов 16 : 574–582.
• Топп Г.К. и В.Д. Рейнольдс, 1998. «Рефлектометрия во временной области: основополагающий метод измерения массы и энергии в почве». Исследования обработки почвы 47 : 125–132.
• Топп, Г.К. и ТПА Ферре, 2002. «Содержание воды», в «Методах анализа почвы». Часть 4 . (Под ред. Дж. Х. Дэйна и Г. К. Топпа), Серия книг SSSA № 5. Американское общество почвоведения, Мэдисон, Висконсин.
• Даудинг, Ч.С. и О'Коннор, К.М., 2000a. «Сравнение TDR и инклинометров для мониторинга склонов». Геотехнические измерения – Труды Geo-Denver2000 : 80–81. Денвер, Колорадо.
• Даудинг, Ч. И. О'Коннор, К. М., 2000b. «Мониторинг инфраструктуры в реальном времени с использованием технологии TDR». Конференция по НК по технологии конструкционных материалов 2000 г.
• Кейн, В. Ф. и Бек, Т. Дж. 1999. «Достижения в области приборов для измерения наклона: TDR и системы удаленного сбора данных». Полевые измерения в геомеханике, 5-й Международный симпозиум по полевым измерениям в геомеханике : 101–105. Сингапур.
• Фаррингтон, С.П. и Сарганд, С.М., «Расширенная обработка данных рефлектометрии во временной области для улучшения мониторинга устойчивости склонов», Материалы одиннадцатой ежегодной конференции по хвостохранилищам и отходам шахт , октябрь 2004 г.
• Смолянский, Д. (2004). «Изолирование неисправностей электронного блока с использованием TDR». Анализ отказов микроэлектроники . АСМ Интернешнл. стр. 289–302. ISBN  0-87170-804-3 .
• Скарпетта, М.; Спадавеккья, М.; Адамо, Ф.; Раголия, Массачусетс; Джаквинто, Н. «Обнаружение и определение характеристик множественных разрывов в кабелях с помощью рефлектометрии во временной области и сверточных нейронных сетей». Датчики 2021, 21, 8032. https://doi.org/10.3390/s21238032.
• Дункан, Д.; Траболд, штат Калифорния; Мор, CL; Берретт, М.К. «ИЗМЕРЕНИЕ ЛОКАЛЬНОЙ ФРАКЦИИ ПУСТОТЫ ПРИ ПОВЫШЕННЫХ ТЕМПЕРАТУРЕ И ДАВЛЕНИИ». Третья Всемирная конференция по экспериментальной теплопередаче, механике жидкости и термодинамике, Гонолулу, Гавайи, США, 31 октября – 5 ноября 1993 г. https://www.mohr-engineering.com/guided-radar-liquid-level-documents-EFP. php

Внешние ссылки

• Расширенное обучение радиообнаружению – азбука TDR
• Начинаются работы по восстановлению разорванной сети
• Теория рефлектометрии во временной области (PDF) , Рекомендации по применению, Keysight Technologies, 31 мая 2013 г., AN-1304-2, заархивировано (PDF) из оригинала 9 октября 2022 г. , получено 13 февраля 2012 г.
• ДеВинтер, Пол; Эшли, Билл (2011), Технология Step vs Pulse TDR (PDF) , Замечания по применению, AEA Technology, Inc., AN201, заархивировано из оригинала (PDF) 26 августа 2014 г.
• TDR для цифровых кабелей – TDR для СВЧ/ВЧ и цифровых кабелей
• TDR против FDR: расстояние до ошибки