Введение

Электронный прибор
Рефлектометр во временной области (TDR) – это электронный прибор, используемый для определения характеристик электрических линий путем анализа отраженных импульсов. Он может применяться для характеристики и локализации неисправностей в металлических кабелях (например, витой пары или коаксиального кабеля), а также для обнаружения разрывов в разъемах, печатных платах или любом другом электрическом тракте.

Описание

TDR измеряет отражения вдоль проводника. Для измерения этих отражений TDR посылает тестовый сигнал на проводник и регистрирует его отражения. Если проводник имеет однородный импеданс и правильно согласован, то отражений не будет, и остаток сигнала поглотится на дальнем конце согласовывающим устройством. Однако, если в импедансе есть изменения, часть тестового сигнала будет отражена обратно к источнику. Принцип работы TDR аналогичен принципу работы радара. Импеданс неоднородности можно определить по амплитуде отраженного сигнала. Расстояние до отражающей неоднородности также можно определить по времени, за которое импульс возвращается. Ограничением этого метода является минимальное время нарастания сигнала системы. Общее время нарастания сигнала складывается из времени нарастания исходного импульса и времени нарастания осциллографа или дискретизатора, регистрирующих отражения.

Метод

Анализ TDR начинается с распространения скачка или импульса энергии в систему и последующего наблюдения за энергией, отраженной от системы. Анализируя амплитуду, длительность и форму отраженного сигнала, можно определить характер изменения импеданса в системе передачи. Если на выход рефлектометра подключена чисто резистивная нагрузка и приложен скачкообразный сигнал, на дисплее наблюдается скачкообразный сигнал, а его амплитуда является функцией сопротивления. Амплитуда скачка, создаваемого резистивной нагрузкой, может быть выражена как доля входного сигнала следующим образом:

где – характеристический импеданс линии передачи.

Отражение

Как правило, отражения будут иметь ту же форму, что и входящий сигнал, но их знак и величина зависят от изменения уровня импеданса. При ступенчатом увеличении импеданса отражение будет иметь тот же знак, что и входящий 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 прибора TDR и отображаются или представляются в виде графика в зависимости от времени. Альтернативно, показания дисплея можно интерпретировать как функцию длины кабеля, поскольку скорость распространения сигнала почти постоянна для данного канала передачи. Благодаря своей чувствительности к изменениям импеданса, TDR может использоваться для проверки характеристик импеданса кабеля, определения местоположения соединений и разъемов, а также связанных с ними потерь и для оценки длины кабеля.

Сигнал инцидента

TDR используют различные сигналы зондирования. Некоторые TDR передают импульс по проводнику; разрешение таких приборов часто определяется шириной импульса. Узкие импульсы могут обеспечивать хорошее разрешение, но содержат высокочастотные компоненты, которые затухают в длинных кабелях. Форма импульса часто представляет собой полусинусоиду. Для более длинных кабелей используются импульсы большей ширины. Также используются фронты с быстрым временем нарастания. Вместо поиска отражения от всего импульса, прибор анализирует фронт нарастания, который может быть очень быстрым. TDR, разработанные в 1970-х годах, использовали фронты с временем нарастания 25 пс. Другие TDR передают сложные сигналы и обнаруживают отражения с использованием корреляционных методов. См. рефлектометрию во временной области с расширенным спектром.

Изменения и расширения

Эквивалентным устройством для оптического волокна является оптический рефлектометр во временной области. Трансмиссиометрия во временной области (ТВВ) – аналогичная техника, измеряющая прошедший (а не отраженный) импульс. Вместе они предоставляют мощный инструмент для анализа электрических или оптических сред передачи, таких как коаксиальные кабели и оптические волокна. Существуют различные варианты TDR. Например, рефлектометрия во временной области с расширенным спектром (SSTDR) используется для обнаружения периодических неисправностей в сложных и сильно зашумленных системах, таких как проводка самолетов. Когерентная оптическая рефлектометрия во временной области (COTDR) – еще один вариант, применяемый в оптических системах, в котором отраженный сигнал смешивается с местным генератором и затем фильтруется для снижения шума.

Примеры следов

Эти следы были получены с помощью рефлектометра во временной области, собранного из стандартного лабораторного оборудования и подключенного к приблизительно коаксиальному кабелю с характеристическим импедансом 50 Ом. Скорость распространения сигнала в этом кабеле составляет около 66% скорости света в вакууме. Эти следы были получены коммерческим TDR, использующим прямоугольный импульс с временем нарастания 25 пс, головку захвата с временем нарастания 35 пс и коаксиальный кабель SMA. Дальний конец кабеля SMA оставался разомкнутым или подключался к различным адаптерам. Пульсу требуется около 3 нс для прохождения по кабелю, отражения и возврата к головке захвата. На некоторых следах можно увидеть второе отражение (около 6 нс), вызванное небольшим рассогласованием в головке захвата, которое создает дополнительную "падающую" волну, распространяющуюся по кабелю.

Пояснение

Если дальний конец кабеля закорочен, то есть имеет импеданс, равный нулю Ом, и когда нарастающий фронт импульса отправляется по кабелю, напряжение в точке запуска мгновенно "поднимается" до определенного значения, и импульс начинает распространяться по кабелю в сторону короткого замыкания. Когда импульс достигает короткого замыкания, энергия на дальнем конце не поглощается. Вместо этого, инвертированный импульс отражается обратно от короткого замыкания к точке запуска. Только когда это отражение достигает точки запуска, напряжение в этой точке резко падает до нуля, сигнализируя о наличии короткого замыкания на конце кабеля. То есть, TDR не обнаруживает короткое замыкание на конце кабеля, пока его отправленный импульс не пройдет по кабелю и эхо не вернется. Только после этой задержки в обе стороны короткое замыкание может быть обнаружено TDR. Зная скорость распространения сигнала в конкретном тестируемом кабеле, можно измерить расстояние до короткого замыкания. Аналогичный эффект возникает, если дальний конец кабеля разомкнут (завершен на бесконечном импедансе). Однако в этом случае отражение с дальнего конца поляризовано идентично исходному импульсу и складывается с ним, а не гасится. После задержки в обе стороны напряжение на TDR резко возрастает до двойного первоначального значения. Идеальное согласование на дальнем конце кабеля полностью поглотит отправленный импульс, не вызывая никакого отражения, что сделает определение фактической длины кабеля невозможным. На практике почти всегда наблюдается небольшое отражение. Величина отражения называется коэффициентом отражения или ρ. Коэффициент изменяется от 1 (разрыв цепи) до -1 (короткое замыкание). Значение нуля означает отсутствие отражения. Коэффициент отражения рассчитывается следующим образом: где Zo определяется как характеристический импеданс среды передачи, а Zt – импеданс оконечного устройства на дальнем конце линии передачи. Любое несоответствие можно рассматривать как импеданс оконечного устройства и подставить вместо Zt. Это включает в себя резкие изменения характеристического импеданса. Например, удвоение ширины проводника на печатной плате в его средней части будет представлять собой несоответствие. Часть энергии будет отражена обратно к источнику, а оставшаяся энергия будет передана. Это также известно как рассеивающий переход.

Использование

Рефлектометры во временной области обычно используются для неразрушающего контроля очень длинных кабельных линий, когда раскопки или удаление кабеля длиной в километры нецелесообразны. Они незаменимы для профилактического обслуживания телекоммуникационных линий, поскольку TDR могут обнаруживать возрастающее сопротивление в соединениях и разъемах из-за коррозии, а также увеличение утечки изоляции по мере ее деградации и поглощения влаги – задолго до того, как это приведет к серьезным отказам. С помощью TDR можно точно определить местоположение неисправности с точностью до сантиметров. TDR также являются очень полезными инструментами в области контрмер технической разведки, помогая определить наличие и местоположение устройств для прослушивания телефонных линий. Небольшое изменение волнового сопротивления линии, вызванное установкой отвода или соединения, отображается на экране TDR при подключении к телефонной линии. Оборудование TDR также является важным инструментом при анализе отказов современных высокочастотных печатных плат с проводниками, спроектированными для имитации линий передачи. Наблюдая за отражениями, можно обнаружить непаяные выводы устройств с шариковой решеткой. Короткозамкнутые выводы также могут быть обнаружены аналогичным образом. Принцип TDR применяется в промышленности в самых разных областях, от тестирования корпусов интегральных схем до измерения уровня жидкости. В первом случае рефлектометр во временной области используется для локализации дефектных участков. Второе применение в основном ограничено технологическими процессами.

В измерении уровня

В устройстве измерения уровня на основе TDR, устройство генерирует импульс, который распространяется по тонкому волноводу (именуемому зондом) – как правило, это металлический стержень или стальной кабель. Когда этот импульс достигает поверхности измеряемой среды, часть импульса отражается обратно по волноводу. Устройство определяет уровень жидкости, измеряя разницу во времени между моментом отправки импульса и моментом возврата отражения. Датчики могут выдавать измеренный уровень в виде непрерывного аналогового сигнала или дискретных выходных сигналов. В технологии TDR скорость импульса в основном зависит от диэлектрической проницаемости среды, через которую он распространяется, которая может значительно изменяться в зависимости от влажности и температуры среды. Во многих случаях этот эффект можно скорректировать без особых затруднений. Однако в некоторых случаях, например, при кипении и/или высоких температурах, коррекция может быть сложной. В частности, определение высоты пены и уровня жидкости после ее оседания в пенистой / кипящей среде может быть очень затруднительным.

Используется в якорных кабелях в плотинах

Группа по безопасности плотин CEA Technologies, Inc. (CEATI), консорциум электроэнергетических организаций, применила рефлектометрию во временной области с расширенным спектром для выявления потенциальных дефектов в якорных тросах бетонных плотин. Основным преимуществом рефлектометрии во временной области перед другими методами тестирования является её неразрушающий характер.

Используется в науках о земле и сельском хозяйстве

Для определения влажности почвы и пористых сред используется TDR. За последние два десятилетия достигнут значительный прогресс в измерении влажности почвы, зерна, продуктов питания и осадочных пород. Ключом к успеху TDR является его способность точно определять диэлектрическую проницаемость (диэлектрическую постоянную) материала на основе распространения волны, благодаря тесной связи между диэлектрической проницаемостью материала и его влажностью, как было показано в основополагающих работах Хоэкстры и Делейни (1974) и Топпа и др. (1980). Недавние обзоры и справочные работы по данной теме включают: Topp и Reynolds (1998), Noborio (2001), Pettinellia и др. (2002), Topp и Ferre (2002) и Robinson и др. (2003). Метод TDR является методом линии передачи и определяет кажущуюся диэлектрическую проницаемость (Ka) по времени прохождения электромагнитной волны, распространяющейся вдоль линии передачи, обычно состоящей из двух или более параллельных металлических стержней, внедренных в почву или осадочную породу. Длина зондов обычно составляет от 10 до 30 см, и они подключены к TDR через коаксиальный кабель.

В геотехнической технике

Рефлектометрия во временной области также используется для мониторинга движения склонов в различных геотехнических условиях, включая выемки вдоль автомагистралей, балластные пути железных дорог и открытые горные выработки (Dowding & O'Connor, 1984, 2000a, 2000b; Kane & Beck, 1999). В задачах мониторинга устойчивости с использованием TDR коаксиальный кабель устанавливается в вертикальной скважине, проходящей через интересующую область. Электрический импеданс в любой точке коаксиального кабеля изменяется при деформации изолятора между проводниками. Кабель окружает прочный цементный раствор, чтобы преобразовать смещение грунта в резкую деформацию кабеля, которая проявляется как обнаруживаемый пик на отражающей диаграмме. До недавнего времени эта техника была относительно нечувствительна к небольшим смещениям склонов и не могла быть автоматизирована, поскольку требовала визуального обнаружения изменений на отражающей диаграмме во времени. Farrington и Sargand (2004) разработали простой метод обработки сигналов с использованием численных производных для получения достоверных данных о смещениях склонов по данным TDR значительно раньше, чем при традиционной интерпретации. Другое применение TDR в геотехнической инженерии – определение влажности почвы. Это достигается путем размещения TDR в различных слоях почвы и измерения времени начала осадков и времени, когда TDR фиксирует увеличение влажности почвы. Глубина расположения TDR (d) является известной величиной, а другая – время, необходимое капле воды для достижения этой глубины (t); следовательно, можно определить скорость инфильтрации воды (v). Это эффективный метод оценки эффективности наилучших практик управления (BMP) в снижении поверхностного стока дождевой воды.

Анализ полупроводниковых устройств

Рефлектометрия во временной области используется в анализе отказов полупроводников как неразрушающий метод для локализации дефектов в корпусах полупроводниковых приборов. TDR предоставляет электрическую характеристику отдельных проводящих дорожек в корпусе прибора и полезна для определения мест обрывов и коротких замыканий.

В авиационной технике

Рефлектометрия во временной области, в частности, рефлектометрия во временной области с расширенным спектром, используется в авиационной электропроводке как для профилактического обслуживания, так и для локализации неисправностей. Рефлектометрия с расширенным спектром обладает преимуществом точного определения местоположения неисправности на протяжении тысяч миль авиационной проводки. Кроме того, эта технология заслуживает рассмотрения для мониторинга авиации в реальном времени, поскольку рефлектометрию с расширенным спектром можно применять к проводам под напряжением. Этот метод доказал свою эффективность в локализации прерывистых электрических неисправностей. Многонесущая рефлектометрия во временной области (MCTDR) также была признана перспективным методом для встроенной диагностики или инструментов устранения неисправностей в системах EWIS. Основываясь на введении многонесущего сигнала (соблюдая требования ЭМС и будучи безопасной для проводов), эта интеллектуальная технология предоставляет информацию для обнаружения, локализации и характеристики электрических дефектов (или механических дефектов, имеющих электрические последствия) в системах электропроводки. Четкие неисправности (короткое замыкание, обрыв цепи) или прерывистые дефекты могут быть обнаружены очень быстро, что повышает надежность систем электропроводки и улучшает их обслуживание.