Рефлектометр во временной области - Time-domain reflectometer

Рефлектометр во временной области для кабель обнаружение неисправности

А рефлектометр во временной области (TDR) представляет собой электронный прибор, используемый для определения характеристик электрические линии наблюдая отраженный формы волны.

Его можно использовать для определения характеристик и определения места повреждения металлических кабелей (например, витая пара или же коаксиальный кабель ).[1] Его также можно использовать для обнаружения разрывов в разъеме, печатная плата, или любой другой электрический путь.

Описание

TDR измеряет отражения вдоль проводника. Чтобы измерить эти отражения, TDR будет передавать падающий сигнал на проводник и прослушивать его. размышления. Если проводник форменный сопротивление и правильно прекращено, тогда отражений не будет, а оставшийся падающий сигнал будет поглощен оконечной нагрузкой на дальнем конце. Вместо этого, если есть изменения импеданса, то часть падающего сигнала будет отражена обратно к источнику. TDR похож по принципу на радар.

Сигнал (или энергия) передается и отражается от неоднородности

В сопротивление из прерывность можно определить из амплитуда отраженного сигнала. В расстояние отражающему импедансу также можно определить из время который пульс берет, чтобы вернуться. Ограничением этого метода является минимальная система время нарастания. Общее время нарастания состоит из комбинированного времени нарастания управляющего импульса и импульса осциллограф или сэмплер, отслеживающий отражения.

Метод

TDR-анализ начинается с распространения шаг или импульс энергия в система и последующее наблюдение энергии, отраженной системой. Анализируя величину, продолжительность и форму отраженного сигнала, можно определить характер изменения импеданса в системе передачи.

Если чистый резистивная нагрузка размещается на выходе рефлектометр и шаговый сигнал При подаче сигнала ступенька отображается на дисплее, высота которой зависит от сопротивления. Величина скачка, создаваемого резистивной нагрузкой, может быть выражена как часть входного сигнала, как указано:

куда это характеристическое сопротивление из линия передачи.

Отражение

Обычно отражения имеют 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; при ступенчатом уменьшении импеданса отражение будет иметь обратный знак. Величина отражения зависит не только от величины изменения импеданса, но и от потерь в проводнике.

Отражения измеряются на выход Вход к TDR и отображается или отображается как функция времени. В качестве альтернативы, дисплей может считаться функцией кабель длина, потому что скорость распространения сигнала почти постоянна для данной среды передачи.

Из-за своей чувствительности к колебаниям импеданса, рефлектометр может использоваться для проверки характеристик импеданса кабеля, сращивание и соединитель местоположения и связанные с ними потери, а также оценить длину кабеля.

Сигнал об инциденте

TDR используют разные падающие сигналы. Некоторые TDR передают пульс по кондуктору; 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.

Быстрый время нарастания также используются шаги. 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. Видеть рефлектометрия с расширенным спектром во временной области.

Варианты и расширения

Эквивалентное устройство для оптоволокно является оптический рефлектометр.

Трансмиссометрия во временной области (TDT) - аналогичный метод измерения переданного (а не отраженного) импульса. Вместе они обеспечивают мощные средства анализа электрических или оптических средств передачи, таких как коаксиальный кабель и оптоволокно.

Существуют варианты TDR. Например, рефлектометрия с расширенным спектром во временной области (SSTDR) используется для обнаружения периодически возникающих 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 возвращенный сигнал смешивается с гетеродином, а затем фильтруется для уменьшения шума.[8]

Пример трассировки

Эти кривые были получены с помощью рефлектометра во временной области, сделанного из обычного лабораторного оборудования, подключенного примерно к 100 футов (30 м) коаксиального кабеля, имеющего характеристическое сопротивление 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

  • График TDR линии передачи с оконечной нагрузкой конденсатора 1 нФ

  • Трасса TDR линии передачи с почти идеальным окончанием

  • График TDR линии передачи, оканчивающейся на высокоимпедансном входе осциллографа. Синяя кривая - это импульс, видимый 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 был 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 отсоединенный 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 Precision Open

  • TDR шага в прецизионную нагрузку APC-7 мм

  • TDR шага в APC-7mm прецизионный короткий

  • TDR шага в APC-7mm Precision Open
    по горизонтали: 20 пс / дел.

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

Объяснение

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 «повышается» 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 знанием скорость распространения сигнала В конкретном тестируемом кабеле можно измерить расстояние до короткого замыкания.

Аналогичный эффект возникает, если на дальнем конце кабеля есть разомкнутая цепь (оконцованная бесконечным импедансом). Однако в этом случае отражение от дальнего конца поляризуется идентично исходному импульсу и добавляет к нему, а не подавляет 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 линия 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

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 незаменимы для профилактика из телекоммуникации линий, поскольку рефлектометры могут обнаруживать сопротивление на стыках и разъемы так как они ржаветь, и увеличивая изоляция утечки, поскольку она ухудшается и поглощает влагу задолго до того, как это приведет к катастрофическим сбоям. Используя TDR, можно точно определить неисправность с точностью до сантиметра.

TDR также являются очень полезными инструментами для контрмеры технического наблюдения, где они помогают определить наличие и местонахождение проволочные краны. 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 в анализ отказов современных высокочастотных печатных плат с сигнальными дорожками, созданными для имитации линии передачи. Наблюдая за отражениями, любые нераспаянные штыри массив сетки мячей устройство может быть обнаружено. Короткое замыкание контактов также можно обнаружить аналогичным образом.

Принцип TDR используется в промышленных условиях, в самых разных ситуациях, например, при тестировании Интегральная схема пакеты для измерения уровня жидкости. В первом случае рефлектометр во временной области используется для выявления неисправных участков в одном и том же. Последнее в первую очередь ограничено перерабатывающей промышленностью.

При измерении уровня

В TDR на основе измерение уровня 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 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 содержания влаги и температуры среды. Во многих случаях этот эффект можно исправить без особого труда. В некоторых случаях, например в условиях кипения и / или высоких температур, корректировка может быть затруднена. В частности, очень трудно определить высоту пены (пены) и уровень сжатой жидкости в пенистой / кипящей среде.

Используется в анкерных тросах на плотинах

Группа интересов безопасности плотин CEA Technologies, Inc. (CEATI), консорциума электроэнергетических организаций, подала заявку Рефлектометрия с расширенным спектром во временной области для выявления потенциальных неисправностей в анкерных тросах 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

Основная статья: Измерение влажности с помощью рефлектометрии во временной области

TDR используется для определения содержание влаги в 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 продемонстрировано 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 вдоль линии передачи, обычно двух или более параллельных металлических стержней, погруженных в почву или отложения. Датчики обычно имеют длину от 10 до 30 см и подключаются к TDR через коаксиальный кабель.

В геотехнической инженерии

Рефлектометрия во временной области также использовалась для отслеживания движения склона в различных геотехнический параметры, 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 при деформации 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 склоне 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, поместив TDR в разные слои 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); поэтому скорость воды проникновение (v) можно определить. Это хороший метод оценки эффективности передовой практики управления (BMP) в снижении ливневая вода поверхностный сток.

В анализе полупроводниковых приборов

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

Рефлектометрия во временной области, в частности 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 применяться на проводах под напряжением.

Было показано, что этот метод полезен для обнаружения 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 (с соблюдением ЭМС и безвредной для проводов), предоставляет информацию для обнаружения, локализации и определения характеристик электрических дефектов (или механических дефектов, имеющих электрические последствия) в системах проводки. Серьезные неисправности (короткое замыкание, разрыв цепи) или периодические дефекты могут быть обнаружены очень быстро, что повышает надежность систем электропроводки и улучшает их обслуживание.[13]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Эта статья включаетматериалы общественного достояния от Администрация общих служб документ: «Федеральный стандарт 1037С».
  2. ^ Каталог Tektronix 1983 года, страницы 140–141, 1503 использует «1/2 синусоидальные импульсы» и имеет разрешение 3 фута и диапазон 50 000 футов.
  3. ^ Каталог Tektronix 1983 года, страницы 140–141, 1502 использует ступеньку (время нарастания системы менее 140 пс), имеет разрешение 0,6 дюйма и диапазон 2 000 футов.
  4. ^ Каталог Tektronix 1983 г., 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. Первая печать - 1982 г., но уведомление об авторских правах относится к 1971 г.
  6. ^ 7S12 TDR / Sampler, Руководство по эксплуатации, Бивертон, Орегон: Tektronix, ноябрь 1971 г.
  7. ^ Smth, Пол, Фурс, Синтия и Гюнтер, Джейкоб. "Анализ рефлектометрии во временной области с расширенным спектром для Место повреждения провода В архиве 2011-02-12 в WebCite. "IEEE Sensors Journal. Декабрь 2005 г.
  8. ^ Хосе Чесной (ред.), Системы подводной оптоволоконной связи, Elsevier Science, 2002 г., ISBN  0-12-171408-X, стр.171 (COTDR)
  9. ^ Номер детали Hamilton Avnet P-3636-603-5215
  10. ^ К. Фурс, П. Смит, М. Даймонд "Возможность рефлектометрии для неразрушающей оценки предварительно напряженных бетонных анкеров, "IEEE Journal of Sensors, Vol. 9. No. 11, Nov. 2009, pp. 1322–1329.
  11. ^ Смит, П., К. Ферс и Дж. Гюнтер, 2005. «Анализ расширенного спектра во временной области. рефлектометрия для определения места повреждения провода В архиве 2010-12-31 на Wayback Machine ". Журнал датчиков IEEE 5: 1469–1478.
  12. ^ Furse, Cynthia, Smith, P., Safavi, Mehdi, and M. Lo, Chet. "Возможность использования датчиков с расширенным спектром для определения местоположения дуг на проводах под напряжением В архиве 2010-05-01 в Archive.today ". IEEE Sensors Journal. Декабрь 2005 г.
  13. ^ Г. Милле, С. Брюйо, Д. Дежарден, Н. Имбер, Ф. Озано, Л. Инкарбоне, М. Оливас, Л. Винсент, А. Кремзи, С. Пойнан, 2014.«Система контроля электропроводки самолета»

дальнейшее чтение

  • Hoekstra, P. и A. Delaney, 1974. "Диэлектрические свойства почв в УВЧ и СВЧ частотах". Журнал геофизических исследований 79:1699–1708.
  • Смит, П., К. Ферс и Дж. Гюнтер, 2005 г. "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 водосборов: Обзор." Журнал зоны Вадосе 7: 358-389.
  • Топп Г.С., Дж.Л. Дэвис и А.П. Аннан, 1980. "Электромагнитное определение влажности почвы: измерения в коаксиальных линиях передачи". Исследование водных ресурсов 16:574–582.
  • Topp G.C. и W.D. Reynolds, 1998. «Рефлектометрия во временной области: основополагающий метод измерения массы и энергии в почве». Исследование обработки почвы 47:125–132.
  • Топп, Г. и T.P.A. Ферре, 2002. «Содержание воды», в Методы анализа почв. Часть 4. (Под ред. Дж. Х. Дейна и Г. К. Топпа), Серия книг SSSA № 5. Американское общество почвоведов, Мэдисон, Висконсин.
  • Даудинг, К. И О'Коннор, К. 2000a. «Сравнение TDR и инклинометров для мониторинга уклонов». Геотехнические измерения - Труды Geo-Denver2000: 80–81. Денвер, Колорадо.
  • Даудинг, К. И О'Коннор, К. 2000b. «Мониторинг инфраструктуры в реальном времени с использованием технологии TDR». Конференция по неразрушающему контролю технологии конструкционных материалов 2000 г.
  • Кейн, В.Ф. И Бек, Т. 1999. "Достижения в приборостроении на склонах: TDR и системы дистанционного сбора данных". Полевые измерения в геомеханике, 5-й Международный симпозиум по полевым измерениям в геомеханике: 101–105. Сингапур.
  • Фаррингтон, С.П., Сарганд, С.М., "Расширенная обработка данных рефлектометрии во временной области для улучшенного мониторинга устойчивости откоса", Материалы одиннадцатой ежегодной конференции по хвостам 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.

внешняя ссылка