基于TDR技術(shù)的崩塌、滑坡監(jiān)測系統(tǒng)的研制

根據(jù)滑坡的實際情況，首先用鉆孔打穿滑動面后直達(dá)穩(wěn)定的地層，將同軸測試電纜垂直埋設(shè)在滑坡體的監(jiān)測鉆孔內(nèi)，從地表電纜端加載脈沖測試信號，如果埋設(shè)的電纜某段受滑坡蠕動的巖、土體擠壓，導(dǎo)致同軸電纜發(fā)生微小變形，則加載的測試信號在此處將發(fā)生反射，用監(jiān)測系統(tǒng)接收此反射信號，即可推測滑坡體的蠕動變形，從而達(dá)到監(jiān)測的目的。 2100433B

TDR測量沿導(dǎo)體的反射。為了測量這些反射，TDR會將入射信號傳輸?shù)綄?dǎo)體上并監(jiān)聽其反射。如果導(dǎo)體具有均勻的阻抗并且被正確端接，那么將沒有反射，并且剩余的入射信號將通過終端在遠(yuǎn)端被吸收。相反，如果存在阻抗變化，則一些入射信號將被反射回源。TDR原則上類似于雷達(dá)。

TDR反射

通常，反射將具有與入射信號相同的形狀，但是它們的符號和幅度取決于阻抗水平的變化。如果阻抗有階躍增加，那么反射將與入射信號具有相同的符號;如果阻抗逐步減小，則反射將具有相反的符號。反射的大小不僅取決于阻抗變化的量，還取決于導(dǎo)體的損耗 。

反射在TDR的輸出/輸入處測量，并作為時間的函數(shù)顯示或繪制?；蛘?，可以根據(jù)電纜長度讀取顯示器，因為對于給定的傳輸介質(zhì)，信號傳播的速度幾乎是恒定的。

由于其對阻抗變化的敏感性，TDR可用于驗證電纜阻抗特性，接頭和連接器位置以及相關(guān)的損耗，并估計電纜長度。

TDR事件信號

TDR使用不同的事件信號。一些TDR沿導(dǎo)體傳輸脈沖;這些儀器的分辨率通常是脈沖的寬度。窄脈沖可以提供良好的分辨率，但它們具有在長電纜中衰減的高頻信號分量。脈沖的形狀通常是半周期正弦曲線。對于更長的電纜，使用更寬的脈沖寬度。

還使用快速上升時間步長。該儀器不是尋找完整脈沖的反射，而是關(guān)注上升沿，這可能非常快。20世紀(jì)70年代的技術(shù)TDR使用步長，上升時間為25 ps。

還有其他TDR通過相關(guān)技術(shù)傳輸復(fù)雜信號并檢測反射。請參閱擴(kuò)頻時域反射計。

Topp等首先應(yīng)用TDR技術(shù)研究了土壤有效介電常數(shù)與土壤含水量的關(guān)系，證明介電常數(shù)與許多類型土壤的含水量具有很好的相關(guān)關(guān)系，并提出了估算含水量的計算公式。

Dalton等用同樣的探頭進(jìn)行了土壤電導(dǎo)率的測量研究，并提出了TDR技術(shù)的電導(dǎo)率測量方法。

Nissen等用TDR技術(shù)對土壤電導(dǎo)率測試進(jìn)行了系列研究，他們首先研究了采用雙探針探頭的空間靈敏度和樣品體積的不平衡關(guān)系。之后，他們又進(jìn)行了離子遷移的測量研究。通過研究發(fā)現(xiàn)，在電導(dǎo)率的測試中，小探頭具有簡單、便宜、穩(wěn)定可靠的特點。

Wright等以應(yīng)用時域反射儀進(jìn)行了甲烷水合物形成與分解檢測，并取得了滿意的效果。他們利用時域反射儀可以測試介質(zhì)的介電常數(shù)的特點，并通過介電常數(shù)與介質(zhì)中的體積水含量有關(guān)，進(jìn)行了一些甲烷水合物的理論研究。在實驗中他們認(rèn)為水合物形成后，其介電常數(shù)類似于冰的介電常數(shù)，冰的介電常數(shù)與水的介電常數(shù)明顯不同，接近于空氣的介電常數(shù)。許多研究者在凍土帶的未冰凍水的研究中，就是利用冰和水的介電常數(shù)明顯不同，來測量凍土帶中未凍水的含水量， Wright等正是利用這種特性，進(jìn)行了水合物模擬實驗的測試在20世紀(jì)90年代，TDR技術(shù)在我國得到應(yīng)用和研究。

龔元石等進(jìn)行了農(nóng)田土壤水分測定，研究了農(nóng)作物的生長過程與土壤含水量關(guān)系，并估算了農(nóng)田土壤水分的蒸散量。農(nóng)田水分的空間變異性研究，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，TDR技術(shù)在農(nóng)田土壤水分測量中，具有快速、精確、自動和連續(xù)的特點，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供有力的依據(jù)。提出TDR技術(shù)最適于電導(dǎo)率較低的粗質(zhì)、輕質(zhì)的土壤，對于有機(jī)質(zhì)和種粘土或鹽堿土，要對探頭進(jìn)行改進(jìn)或進(jìn)行校正。

王紹令等應(yīng)用時域反射儀對凍土帶的水分布和隨時間變化的監(jiān)測。他們利用冰凍水和未冰凍水的介電常數(shù)明顯不同的特點，進(jìn)行了凍土帶中未冰凍水含量的測量。根據(jù)在青藏高原多點不同時間和不同深度未冰凍水的分布變化，發(fā)現(xiàn)在不同的地區(qū)水的分布和水分遷移的模式也不同。在季節(jié)冰凍層的凍結(jié)過程中，水分布遷移的方向與土壤中熱流方向相同，是自下向上遷移。在季節(jié)融化層的研究中，發(fā)現(xiàn)其水分的補(bǔ)給方式影響水分的遷移。

任圖生等利用熱脈沖一時域反射技術(shù)測定土壤水熱動態(tài)和物理特性的研究，業(yè)渝光等將TDR技術(shù)應(yīng)用于沉積物中水合物飽和度的實時測定，刁少波等利用熱TDR技術(shù)測量多孔介質(zhì)中水合物的熱物理參數(shù)等項研究，均取得滿意的結(jié)果。隨著TDR技術(shù)的不斷發(fā)展，其應(yīng)用的領(lǐng)域也越來越廣泛。

時域反射計通常用于非常長的電纜線路的就地測試，其中挖掘或移除可能是千米長的電纜是不切實際的。它們對于通信線路的預(yù)防性維護(hù)是必不可少的，因為TDR可以檢測接頭和連接器腐蝕時的電阻，并且在它們導(dǎo)致災(zāi)難性故障之前很久就會降低絕緣層泄漏并吸收水分。使用TDR，可以將故障精確定位到厘米內(nèi)。

TDR也是技術(shù)監(jiān)督對策的非常有用的工具，它們有助于確定電線接頭的存在和位置。當(dāng)連接到電話線時，由于引入分接頭或接頭引起的線路阻抗的輕微變化將顯示在TDR的屏幕上。

TDR設(shè)備也是現(xiàn)代高頻印刷電路板故障分析中必不可少的工具，其信號走線可以模擬傳輸線。通過觀察反射，可以檢測球柵陣列器件的任何未焊接的引腳。也可以以類似的方式檢測短路引腳。

TDR原理用于工業(yè)環(huán)境，在各種情況下，如集成電路封裝測試到測量液位。在前者中，時域反射計用于隔離相同的故障站點。后者主要限于加工業(yè)。

TDR在水平測量

在基于TDR的液位測量裝置中，該裝置產(chǎn)生沿薄波導(dǎo)（稱為探針）傳播的脈沖 - 通常是金屬棒或鋼纜。當(dāng)該脈沖撞擊待測介質(zhì)的表面時，部分脈沖反射回波導(dǎo)。該裝置通過測量發(fā)送脈沖和反射返回之間的時間差來確定液位。傳感器可以輸出分析的電平作為連續(xù)模擬信號或開關(guān)輸出信號。在TDR技術(shù)中，脈沖速度主要受脈沖傳播介質(zhì)的介電常數(shù)的影響，介質(zhì)的介電常數(shù)可以根據(jù)介質(zhì)的水分含量和溫度而變化很大。在許多情況下，可以毫無困難地糾正這種影響。在某些情況下，例如在沸騰和/或高溫環(huán)境中，校正可能是困難的。特別地，確定泡沫（泡沫）高度和泡沫/沸騰介質(zhì)中的塌陷液位可能非常困難。

TDR用于水壩中的錨索

CEA技術(shù)公司（CEATI）的大壩安全興趣小組是一個電力組織聯(lián)盟，它已應(yīng)用擴(kuò)頻時域反射計來識別混凝土壩錨索中的潛在故障。與其他測試方法相比，時域反射計的主要優(yōu)點是這些測試的非破壞性方法。

TDR用于地球和農(nóng)業(yè)科學(xué)

TDR用于確定土壤和多孔介質(zhì)中的水分含量。在過去的二十年中，已經(jīng)在測量土壤，谷物，食物和沉積物中的水分方面取得了實質(zhì)性進(jìn)展。TDR成功的關(guān)鍵在于能夠準(zhǔn)確地確定材料的介電常數(shù)（介電常數(shù)），因為材料的介電常數(shù)與其含水量之間存在很強(qiáng)的關(guān)系，正如Hoekstra和Delaney的開創(chuàng)性工作所證明的那樣。 （1974）和Topp等人。（1980年）。最近有關(guān)該主題的評論和參考工作包括Topp和Reynolds（1998），Noborio（2001），Pettinellia等。（2002），Topp和Ferre（2002）和Robinson等。（2003年）。TDR方法是傳輸線技術(shù)，并且根據(jù)沿傳輸線傳播的電磁波的傳播時間確定表觀介電常數(shù)（Ka），通常是嵌入土壤或沉積物中的兩個或更多個平行金屬桿。探頭長度通常在10到30厘米之間，并通過同軸電纜連接到TDR。

TDR在巖土工程中使用

時域反射計也被用于監(jiān)測各種巖土工程設(shè)置中的斜坡運(yùn)動，包括高速公路切割，鐵路路基和露天礦（ Dowding &O'Connor，1984,2000a，2000b; Kane&Beck，1999）。在使用TDR的穩(wěn)定性監(jiān)測應(yīng)用中，同軸電纜安裝在穿過所關(guān)注區(qū)域的垂直鉆孔中。沿著同軸電纜的任何點處的電阻抗隨著導(dǎo)體之間的絕緣體的變形而變化。電纜周圍有一個脆性灌漿，可將地球運(yùn)動轉(zhuǎn)化為突然的電纜變形，在變形跡線中顯示為可探測的峰值。直到最近，該技術(shù)對小斜率運(yùn)動相對不敏感，并且不能自動化，因為它依賴于人類檢測反射跡線隨時間的變化。Farrington和Sargand（2004）開發(fā)了一種簡單的信號處理技術(shù)，使用數(shù)值導(dǎo)數(shù)從TDR數(shù)據(jù)中提取可靠的斜率運(yùn)動指示，比傳統(tǒng)解釋更早。

TDR在巖土工程中的另一個應(yīng)用是確定土壤含水量。這可以通過將TDR放置在不同的土壤層中并測量降水開始時間和TDR表明土壤含水量增加的時間來完成。TDR的深度（d）是已知因子，另一個是水滴到達(dá)該深度所花費(fèi)的時間（t）;因此可以確定水滲透速度（v）。這是評估最佳管理實踐（BMP）在減少雨水地表徑流方面的有效性的好方法。

TDR在半導(dǎo)體器件分析

時域反射計在半導(dǎo)體故障分析中用作半導(dǎo)體器件封裝中缺陷定位的非破壞性方法。TDR為器件封裝中的各個導(dǎo)電跡線提供電氣特征，可用于確定開路和短路的位置。

TDR在航空布線維護(hù)

時域反射計，特別是擴(kuò)頻時域反射計用于航空布線，用于預(yù)防性維護(hù)和故障定位。擴(kuò)頻時域反射計具有在數(shù)千英里的航空布線內(nèi)精確定位故障位置的優(yōu)勢。此外，該技術(shù)值得考慮用于實時航空監(jiān)測，因為擴(kuò)頻反射計可用于火線。

已經(jīng)證明該方法可用于定位間歇性電氣故障。

多載波時域反射計（MCTDR）也被認(rèn)為是嵌入式EWIS診斷或故障排除工具的有前景的方法。這種智能技術(shù)基于多載波信號的注入（尊重EMC并且對電線無害），為布線系統(tǒng)中的電氣缺陷（或具有電氣后果的機(jī)械缺陷）的檢測，定位和表征提供信息。可以非?？焖俚貦z測到硬故障（短路，開路）或間歇性缺陷，從而提高布線系統(tǒng)的可靠性并改善其維護(hù)。 2100433B