Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Рефлектометр во временной области для обнаружения повреждений кабеля

Время рефлектометр ( TDR ) представляет собой электронный прибор , используемый для определения характеристик электрических линий пути наблюдения отраженных форм волны .

Его можно использовать для определения характеристик и определения места повреждения металлических кабелей (например, витой пары или коаксиального кабеля ). [1] Его также можно использовать для обнаружения разрывов в соединителе, печатной плате или любом другом электрическом пути.

Описание [ править ]

TDR измеряет отражения вдоль проводника. Чтобы измерить эти отражения, TDR будет передавать падающий сигнал на проводник и прослушивать его отражения . Если проводник имеет однородный импеданс и правильно заделан , то отражений не будет, и оставшийся падающий сигнал будет поглощен заделкой на дальнем конце. Вместо этого, если есть изменения импеданса, то часть падающего сигнала будет отражена обратно к источнику. TDR в принципе похож на радар .

Сигнал (или энергия) передается и отражается от неоднородности

Импеданс от разрыва может быть определен из амплитуды отраженного сигнала. Расстояние до отражающего импеданса также может быть определена из времени , что импульсный требуется , чтобы вернуться. Ограничением этого метода является минимальное время восстановления системы . Общее время нарастания состоит из суммарного времени нарастания возбуждающего импульса и импульса осциллографа или дискретизатора, который отслеживает отражения.

Метод [ править ]

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

Если чистая резистивная нагрузка находится на выходе рефлектометра и шаг сигнал применяются, наблюдается шаг сигнал на дисплее, а его высота является функцией сопротивления. Величина скачка, создаваемого резистивной нагрузкой, может быть выражена как часть входного сигнала, как указано:

где - характеристическое сопротивление линии передачи .

Отражение [ править ]

Обычно отражения имеют ту же форму, что и падающий сигнал, но их знак и величина зависят от изменения уровня импеданса. Если есть скачкообразное увеличение импеданса, то отражение будет иметь тот же знак, что и падающий сигнал; при ступенчатом уменьшении 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 наносятся на график как функция времени. В качестве альтернативы, дисплей может считаться функцией длины кабеля, потому что скорость распространения сигнала практически постоянна для данной среды передачи.

Из-за своей чувствительности к изменениям импеданса, TDR может использоваться для проверки характеристик импеданса кабеля, расположения сращиваний и разъемов и связанных потерь, а также для оценки длины кабеля.

Сигнал об инциденте [ править ]

TDR используют разные падающие сигналы. Некоторые рефлектометры передают импульс по проводнику; разрешение таких инструментов часто равно ширине импульса. Узкие импульсы могут обеспечить хорошее разрешение, но они содержат высокочастотные компоненты сигнала, которые ослабляются в длинных кабелях. Форма импульса часто представляет собой синусоиду полупериода. [2] Для более длинных кабелей используются более широкие импульсы.

Также используются быстрые временные шаги нарастания . Вместо того, чтобы искать отражение полного импульса, прибор обращает внимание на нарастающий фронт, который может быть очень быстрым. [3] В рефлектометре 1970-х годов использовались ступеньки с временем нарастания 25 пс. [4] [5] [6]

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

Варианты и расширения [ править ]

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

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

Существуют варианты TDR. Например, рефлектометрия с расширенным спектром во временной области (SSTDR) используется для обнаружения прерывистых неисправностей в сложных системах с высоким уровнем шума, таких как проводка самолетов. [7] Когерентная оптическая рефлектометрия во временной области (COTDR) - еще один вариант, используемый в оптических системах, в котором возвращаемый сигнал смешивается с гетеродином, а затем фильтруется для уменьшения шума. [8]

Пример трассировки [ править ]

Эти кривые были получены с помощью рефлектометра во временной области, сделанного из обычного лабораторного оборудования, подключенного примерно к 100 футам (30 м) коаксиального кабеля с характеристическим сопротивлением 50 Ом. Скорость распространения этого кабеля составляет примерно 66% от скорости света в вакууме.

  • Простой TDR из лабораторного оборудования

  • Простой TDR из лабораторного оборудования

  • Трасса TDR линии передачи с открытой оконечной нагрузкой

  • TDR трасса линии передачи с замыканием на короткое замыкание

  • Диаграмма TDR линии передачи с оконечной нагрузкой конденсатора 1 нФ

  • Трасса TDR линии передачи с почти идеальной оконечной нагрузкой

  • График TDR линии передачи, оканчивающейся на высокоимпедансном входе осциллографа. Синяя кривая - это импульс на дальнем конце. Он смещен так, чтобы была видна базовая линия каждого канала.

  • График TDR линии передачи, оканчивающейся на высокоимпедансном входе осциллографа, управляемом ступенчатым входом от согласованного источника. Синяя кривая - это сигнал на дальнем конце.

Эти кривые были получены с помощью коммерческого рефлектометра с использованием ступенчатого сигнала с временем нарастания 25 пс, измерительной головки с временем нарастания 35 пс и 18-дюймового (0,46 м) кабеля SMA. [9] Дальний конец кабеля SMA оставлен открытым или подключен к другим адаптерам. Импульсу требуется около 3 нс, чтобы пройти по кабелю, отразиться и достичь пробоотборной головки. На некоторых трассах можно увидеть второе отражение (примерно на 6 нс); это происходит из-за того, что отражение видит небольшое рассогласование в головке для отбора проб и заставляет другую «падающую» волну проходить по кабелю.

  • TDR шага в отключенный штекер SMA (неточный открытый) по
    горизонтали: 1 нс / дел по
    вертикали: 0,5 ρ / дел

  • TDR шага в отключенный разъем APC-7мм

  • TDR шага в APC-7mm прецизионный открытый

  • TDR шага в прецизионную нагрузку APC-7 мм

  • TDR шага в APC-7mm прецизионный короткий

  • TDR шага в APC-7 мм прецизионный открытый
    горизонтальный: 20 пс / дел.

  • TDR шага в пару сопряженных разъемов BNC; пиковое отражение 0,04 по
    горизонтали: 200 пс /
    дел по вертикали: 20 м / дел

Объяснение [ править ]

Если дальний конец кабеля закорочен, то есть оконечен с сопротивлением 0 Ом, и когда нарастающий фронт импульса запускается по кабелю, напряжение в точке запуска мгновенно "поднимается" до заданного значения. и импульс начинает распространяться по кабелю в сторону короткого замыкания. Когда импульс встречается с коротким замыканием, энергия на дальнем конце не поглощается. Вместо этого инвертированный импульс отражается от короткого замыкания к пусковому концу. 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 индикации короткого замыкания на конце кабеля до тех пор, пока излучаемый им импульс не пройдет по кабелю и эхо не вернется.Только после этой задержки приема-передачи короткое замыкание может быть обнаружено TDR. Со знаниемскорость распространения сигнала в конкретном тестируемом кабеле, расстояние до короткого замыкания может быть измерено.

Аналогичный эффект возникает, если дальний конец кабеля представляет собой разомкнутую цепь (оконцованную на бесконечный импеданс). В этом случае, однако, отражение от дальнего конца поляризуется идентично исходному импульсу и добавляет к нему, а не отменяет его. Таким образом, после задержки туда и обратно напряжение на рефлектометре резко возрастает до удвоенного первоначально приложенного напряжения.

Идеальная заделка на дальнем конце кабеля полностью поглотила бы приложенный импульс, не вызывая отражения, что сделало бы невозможным определение фактической длины кабеля. на практике почти всегда наблюдается небольшое отражение.

Величина отражения называется коэффициентом отражения или ρ. Коэффициент колеблется от 1 (обрыв цепи) до -1 (короткое замыкание). Нулевое значение означает отсутствие отражения. Коэффициент отражения рассчитывается следующим образом:

Где Zo определяется как характеристическое сопротивление среды передачи, а Zt - это полное сопротивление оконечной нагрузки на дальнем конце линии передачи .

Любой разрыв можно рассматривать как оконечный импеданс и заменять его Zt. Сюда входят резкие изменения характеристического сопротивления. Например, ширина дорожки на печатной плате, увеличенная вдвое в ее средней части, будет представлять собой разрыв. Часть энергии будет отражена обратно в движущий источник; оставшаяся энергия будет передана. Это также известно как рассеивающий переход.

Использование [ править ]

Рефлектометры во временной области обычно используются для тестирования очень длинных кабелей на месте, когда нецелесообразно выкопать или удалить то, что может быть километровым кабелем. Они необходимы для профилактики от телекоммуникационных линий, так как TDRS может обнаружить сопротивление на суставы и разъемов , как они подвержены коррозии , а также увеличение изоляции утечки , как он деградирует и поглощает влагу, задолго до того, либо приводит к катастрофическим отказам. Используя TDR, можно точно определить неисправность с точностью до сантиметра.

TDR также являются очень полезными инструментами для контрмер технического наблюдения , где они помогают определить наличие и местонахождение перемычек . Небольшое изменение импеданса линии, вызванное вводом ответвителя или сращивания, будет отображаться на экране рефлектометра при подключении к телефонной линии.

Оборудование TDR также является важным инструментом при анализе отказов современных высокочастотных печатных плат с сигнальными дорожками, созданными для имитации линий передачи . Наблюдая за отражениями, можно обнаружить любые непаянные штыри устройства с решеткой из шариков . Короткое замыкание контактов также можно обнаружить аналогичным образом.

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 выявления неисправных участков в одном и том же. Последнее в первую очередь ограничивается перерабатывающей промышленностью.

При измерении уровня [ править ]

При измерении уровня на основе TDRУстройство генерирует импульс, который распространяется по тонкому волноводу (называемому зондом) - обычно металлическому стержню или стальному кабелю. Когда этот импульс ударяется о поверхность измеряемой среды, часть импульса отражается обратно вверх по волноводу. Устройство определяет уровень жидкости, измеряя разницу во времени между отправкой импульса и возвращением 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 варьироваться в зависимости от влажности и температуры среды. Во многих случаях этот эффект можно исправить без особого труда. В некоторых случаях, например, в условиях кипения и / или высоких температур,исправление может быть трудным. В частности, очень трудно определить высоту пены (пены) и уровень сжатой жидкости в пенистой / кипящей среде.

Используется в анкерных тросах на плотинах [ править ]

Группа по интересам безопасности плотин CEA Technologies, Inc. (CEATI), консорциума электроэнергетических организаций, применила рефлектометрию с расширенным спектром во временной области для выявления потенциальных неисправностей в анкерных кабелях бетонных плотин. Ключевым преимуществом рефлектометрии во временной области по сравнению с другими методами тестирования является неразрушающий метод этих тестов. [10]

Используется в земных и сельскохозяйственных науках [ править ]

Основная статья: Измерение влажности с помощью рефлектометрии во временной области

TDR используется для определения влажностив почве и пористых средах. За последние два десятилетия были достигнуты значительные успехи в измерении влажности почвы, зерна, пищевых продуктов и донных отложений. Ключом к успеху TDR является его способность точно определять диэлектрическую проницаемость (диэлектрическую проницаемость) материала по распространению волн из-за сильной связи между диэлектрической проницаемостью материала и его содержанием воды, как показано в новаторских работах Хекстры и Делани. (1974) и Topp et al. (1980). Недавние обзоры и справочные работы по этой теме включают Topp and Reynolds (1998), Noborio (2001), Pettinellia et al. (2002), Топп и Ферре (2002) и Робинсон и др. (2003). Метод TDR - это метод линии передачи, который определяет кажущуюся диэлектрическую проницаемость (Ka) по времени прохождения электромагнитной волны, которая распространяется по линии передачи,обычно два или более параллельных металлических стержня заделаны в почву или отложения. Датчики обычно имеют длину от 10 до 30 см и подключаются к рефлектометру через коаксиальный кабель.

В геотехнике [ править ]

Рефлектометрия во временной области также использовалась для отслеживания движения откосов в различных геотехнических областях.настройки, включая выемки на шоссе, рельсы и карьеры (Dowding & O'Connor, 1984, 2000a, 2000b; Kane & Beck, 1999). В приложениях для мониторинга стабильности с использованием TDR коаксиальный кабель прокладывается в вертикальной скважине, проходящей через исследуемую область. Электрический импеданс в любой точке коаксиального кабеля изменяется с деформацией изолятора между проводниками. Хрупкий раствор окружает кабель, чтобы преобразовать движение земли в резкую деформацию кабеля, которая проявляется в виде обнаруживаемого пика на кривой отражения. До недавнего времени этот метод был относительно нечувствителен к небольшим движениям на склонах и не мог быть автоматизирован, потому что он полагался на обнаружение человеком изменений в кривой отражения с течением времени.Фаррингтон и Сарганд (2004) разработали простой метод обработки сигналов с использованием числовых производных для извлечения надежных указателей движения на уклоне из данных TDR намного раньше, чем при традиционной интерпретации.

Еще одно применение TDR в геотехнике - определение влажности почвы. Это можно сделать, разместив TDR в разных слоях почвы и измерив время начала осадков и время, когда TDR указывает на увеличение содержания влаги в почве. Глубина TDR (d) - известный фактор, а другой - время, за которое капля воды достигает этой глубины (t); следовательно, можно определить скорость проникновения воды (v). Это хороший метод для оценки эффективности передовой практики управления (BMP) в сокращении поверхностного стока ливневых вод .

В анализе полупроводниковых устройств [ править ]

Рефлектометрия во временной области используется при анализе отказов полупроводников в качестве неразрушающего метода обнаружения дефектов в корпусах полупроводниковых приборов. TDR обеспечивает электрическую сигнатуру отдельных проводящих дорожек в корпусе устройства и полезен для определения местоположения разрывов и коротких замыканий.

В обслуживании авиационной проводки [ править ]

Рефлектометрия во временной области, а именно рефлектометрия с расширенным спектром во временной области, используется в авиационной проводке как для профилактического обслуживания, так и для поиска неисправностей. [11] Рефлектометрия с расширенным спектром во временной области имеет то преимущество, что позволяет точно определять место повреждения в пределах тысяч миль от авиационной проводки. Кроме того, эту технологию стоит рассмотреть для мониторинга авиации в реальном времени, поскольку рефлектометрия с расширенным спектром может использоваться на проводах под напряжением.

Было показано, что этот метод полезен для поиска периодически возникающих электрических неисправностей. [12]

Рефлектометрия с несколькими несущими во временной области (MCTDR) также была определена как многообещающий метод для встроенных средств диагностики или устранения неполадок EWIS. Эта интеллектуальная технология, основанная на введении сигнала с несколькими несущими (соблюдающего ЭМС и безопасного для проводов), предоставляет информацию для обнаружения, локализации и определения характеристик электрических дефектов (или механических дефектов, имеющих электрические последствия) в системах электропроводки. Серьезные неисправности (короткое замыкание, разрыв цепи) или периодические дефекты могут быть обнаружены очень быстро, что повышает надежность систем электропроводки и улучшает их обслуживание. [13]

См. Также [ править ]

  • Датчик частотной области
  • Мост с петлей Мюррея
  • Рефлектометрия в шумовой области
  • Оптический рефлектометр
  • Обратные потери
  • Коэффициент стоячей волны

Ссылки [ править ]

  1. ^  Эта статья включает  материалы, являющиеся общественным достоянием, из документа Управления общих служб : «Федеральный стандарт 1037C» .
  2. ^ Каталог Tektronix 1983, страницы 140–141, 1503 использует «1/2 синусоидальные импульсы» и имеет разрешение 3 фута и диапазон 50 000 футов.
  3. ^ Каталог Tektronix 1983, страницы 140–141, 1502 использует ступеньку (время нарастания системы менее 140 пс), имеет разрешение 0,6 дюйма и диапазон 2000 футов.
  4. ^ Каталог Tektronix 1983, стр. 289, генератор импульсов S-52 имеет время нарастания 25 пс.
  5. ↑ Пробоотборная головка S-6 , Руководство по эксплуатации, Бивертон, Орегон: Tektronix, сентябрь 1982 г. Первое издание датировано 1982 годом, но уведомление об авторских правах относится к 1971 году.
  6. ^ 7S12 TDR / Sampler , Руководство по эксплуатации, Бивертон, Орегон: Tektronix, ноябрь 1971 г.
  7. ^ Smth, Пол, Furse, Синтия и Гюнтер, Иаков. "Анализ рефлектометрии во временной области с расширенным спектром для определения места повреждения провода. Архивировано 12 февраля 2011 г. на WebCite ". Журнал датчиков IEEE. Декабрь 2005 г.
  8. ^ Хосе Chesnoy (ред.), Undersea Systems волоконной связи , Elsevier Science, 2002, ISBN 0-12-171408-X , с.171 (COTDR) 
  9. ^ Номер детали Hamilton Avnet P-3636-603-5215
  10. ^ К. Фурс, П. Смит, М. Даймонд, " Возможности рефлектометрии для неразрушающей оценки предварительно напряженных бетонных анкеров ", IEEE Journal of Sensors, Vol. 9. № 11, ноябрь 2009 г., стр. 1322–1329.
  11. ^ Smith, P., C. Furse, and J. Gunther, 2005. «Анализ рефлектометрии с расширенным спектром во временной области для определения места повреждения провода. Архивировано 31 декабря2010 г. на Wayback Machine ». Журнал датчиков IEEE 5: 1469–1478.
  12. ^ Furse, Синтия Смит, П., Сафави, Мехди и М. Ло, Чет. « Возможность использования датчиков с расширенным спектром для определения местоположения дуг на проводах под напряжением . Архивировано 01 мая 2010 г. в Archive.today ». Журнал датчиков IEEE. Декабрь 2005 г.
  13. ^ G.Millet, S.Bruillot, D.Dejardin, N.Imbert, F.Auzanneau, L.Incarbone, M.Olivas, L.Vincent, A.Cremzi, S.Poignant, 2014. "Система контроля электропроводки самолета"

Дальнейшее чтение [ править ]

  • Hoekstra, P. и A. Delaney, 1974. "Диэлектрические свойства почв в УВЧ и СВЧ частотах". Журнал геофизических исследований 79 : 1699–1708.
  • Смит, П., К. Фурс и Дж. Гюнтер, 2005. « Анализ рефлектометрии с расширенным спектром во временной области для определения места повреждения провода ». Журнал датчиков IEEE 5 : 1469–1478.
  • Waddoups, B., C. Furse и M. Schmidt. «Анализ рефлектометрии для обнаружения истирания изоляции электропроводки самолета». Кафедра электротехники и вычислительной техники. Государственный университет Юты.
  • Ноборио К. 2001. «Измерение влажности и электропроводности почвы с помощью 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 «Обзор достижений в измерениях диэлектрической и электрической проводимости в почвах с использованием рефлектометрии во временной области». Журнал зоны Вадосе 2 : 444–475.
  • Робинсон, Д.А., К.С. Кэмпбелл, Дж. У. 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 в масштабе водоразделов: Обзор." Журнал Vadose Zone 7: 358-389.
  • Topp GC, JL Davis и AP Annan, 1980. "Электромагнитное определение содержания влаги в почве: измерения в коаксиальных линиях передачи". Исследование водных ресурсов 16 : 574–582.
  • Topp GC и WD Reynolds, 1998. «Рефлектометрия во временной области: основополагающий метод измерения массы и энергии в почве». Исследование обработки почвы 47 : 125–132.
  • Топп, GC и TPA Ferre, 2002. «Содержание воды» в методах анализа почвы. Часть 4 . (Под ред. Дж. Х. Дэйна и Г. К. Топпа), Серия книг SSSA № 5. Американское общество почвоведов, Мэдисон, Висконсин.
  • Даудинг, CH & O'Connor, KM, 2000a. «Сравнение TDR и инклинометров для мониторинга уклонов». Геотехнические измерения - Труды Geo-Denver2000 : 80–81. Денвер, Колорадо.
  • Даудинг, CH & O'Connor, KM 2000b. «Мониторинг инфраструктуры в реальном времени с использованием технологии TDR». Конференция по неразрушающему контролю технологии конструкционных материалов 2000 г.
  • Кейн, У.Ф. и Бек, Т.Дж., 1999. «Достижения в приборостроении на склонах: 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 улучшенного мониторинга устойчивости откосов», Труды одиннадцатой ежегодной конференции по хвостохранилищам и отходам шахт , октябрь 2004 г.
  • Смолянский, Д. (2004). «Устранение неисправностей электронного блока с помощью TDR». Анализ отказов микроэлектроники . ASM International. С. 289–302. ISBN 0-87170-804-3.

Внешние ссылки [ править ]

  • Расширенное обучение Radiodetection - Азбука TDR
  • Начинаются работы по ремонту порванной сети
  • Теория рефлектометрии во временной области (PDF) , Примечание по применению, Keysight Technologies, 31 мая 2013 г., AN-1304-2 , данные получены 13 февраля 2012 г.
  • Де Винтер, Пол; Эшли, Билл (2011), Step vs Pulse TDR Technology (PDF) , Примечание 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 неисправности