TDR

早在20世紀60年代就產生了時域反射（TDR）技術。該技術包括產生沿傳輸線傳播的時間階躍電壓。用示波器檢測來自阻抗的反射，測量輸入電壓與反射電壓比，從而計算不連續(xù)的阻抗。

20世紀70年代了解到作為頻率函數(shù)的網(wǎng)絡反射系數(shù)的傅里葉變換就是作為時間函數(shù)的反射系數(shù)?？捎镁W(wǎng)絡分析儀在頻域測量的數(shù)據(jù)計算和顯示網(wǎng)絡作為時間函數(shù)的網(wǎng)絡階躍和激沖響應。使在反射和傳輸中傳統(tǒng)TDR能力增加了在頻帶有限網(wǎng)絡進行測量的潛力。

在反射模式中網(wǎng)絡分析儀測量作為頻率函數(shù)的反射系數(shù)?？砂言摲瓷湎禂?shù)看成是入射電壓和反射電壓的傳遞函數(shù)。反變換將反射系數(shù)轉換為時間函數(shù)（激沖響應）?？捎迷摲瓷湎禂?shù)與輸入階躍或脈沖的卷積計算階躍和激沖響應。在傳輸模式中。網(wǎng)絡分析儀測量作為頻率函數(shù)的二端口器件的傳遞函數(shù)。反變換將該傳遞函數(shù)轉換為二端口器件的激沖響應。用該激沖響應與輸入階躍或脈沖的卷積計算階躍和激沖響應。

Topp等首先應用TDR技術研究了土壤有效介電常數(shù)與土壤含水量的關系，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關系，并提出了估算含水量的計算公式。

Dalton等用同樣的探頭進行了土壤電導率的測量研究，并提出了TDR技術的電導率測量方法。

Nissen等用TDR技術對土壤電導率測試進行了系列研究，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系。之后，他們又進行了離子遷移的測量研究。通過研究發(fā)現(xiàn)，在電導率的測試中，小探頭具有簡單、便宜、穩(wěn)定可靠的特點。

Wright等以應用時域反射儀進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的介電常數(shù)的特點，并通過介電常數(shù)與介質中的體積水含量有關，進行了一些甲烷水合物的理論研究。在實驗中他們認為水合物形成后，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，進行了水合物模擬實驗的測試在20世紀90年代，TDR技術在我國得到應用和研究。

龔元石等進行了農田土壤水分測定，研究了農作物的生長過程與土壤含水量關系，并估算了農田土壤水分的蒸散量。農田水分的空間變異性研究，經研究發(fā)現(xiàn)，TDR技術在農田土壤水分測量中，具有快速、精確、自動和連續(xù)的特點，為農業(yè)生產提供有力的依據(jù)。提出TDR技術最適于電導率較低的粗質、輕質的土壤，對于有機質和種粘土或鹽堿土，要對探頭進行改進或進行校正。

王紹令等應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技術應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技術測量多孔介質中水合物的熱物理參數(shù)等項研究，均取得滿意的結果。隨著TDR技術的不斷發(fā)展，其應用的領域也越來越廣泛。

TDR測量沿導體的反射。為了測量這些反射，TDR會將入射信號傳輸?shù)綄w上并監(jiān)聽其反射。如果導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。

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，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，而是關注上升沿，這可能非?？?。20世紀70年代的技術TDR使用步長，上升時間為25 ps。

還有其他TDR通過相關技術傳輸復雜信號并檢測反射。請參閱擴頻時域反射計。

由于電纜中電磁波的傳播為橫電磁波，其傳播的速度受導體周圍的介質影響，因而許多研究者利用這一特性，開展了多方面的應用研究。沉積物中水合物飽和度主要由樣品孔隙度和含水量確定。目前，測量沉積物含水量的方法主要有重量分析法、放射性法(如中子散射法、伽馬射線法)、電阻法、探地雷達技術和時域反射技術(TDR)等。

這些方法各具有優(yōu)缺點，適用于不同尺度的含水量測量研究。重量分析法可以精確測量沉積物樣品的含水量，但其缺點是需要對沉積物進行取樣、破壞，不適合于含水合物沉積物樣品的含水量測量；放射性方法可以在原位精確測量沉積物的含水量，但需對具體的測試樣品單獨進行標定，而且需防范放射性對測試人員造成身體傷害；電阻法也需要對具體的測試樣品進行標定，才能得到比較準確的測量值；探地雷達技術適用于大范圍的水體分布原位調查，在小樣品尺度的含水量測試中使用時域反射技術( Time Domain Reflectometry，TDR)具有無損探測、精度高、計算量小、靈活性大、方便實時實地測量以及能同時探測沉積物含水量和鹽度等優(yōu)點，因而受到人們更多的青睞。

在水合物實驗中，利用TDR技術可以實時測試沉積物的含水量，反算出水合物的飽和度，達到實時測試飽和度的目的。

TDR探測儀基本由以下幾部分組成：發(fā)射機、接收機、發(fā)射接收系統(tǒng)、信號處理器和顯示器。作為電纜探測儀使用時，直接與測試的電纜連接。

而在含水量、電導率和其他應用中，可根據(jù)測試的需要與特制的探頭連接?；竟ぷ髟硪妶D1。

在進行含水量測試中，針對不同的測試，設計的探頭結構也不同， Campbell和Hemovaara提出了七電極探頭，用來測試土壤和液體的介電常數(shù)。

許多研究者還設計了很多結構的探頭。Zegelin提出了雙電極探頭，用于測量土壤層的測試，多極電極測量介電常數(shù)時，可能因不同層的介電常數(shù)不同，而造成測試的值為混合值。而現(xiàn)今常用于土壤測試的探頭結構為三電極探頭。 Robinson和 Friedman提出了平板雙電極，這樣可以更有效地探測。 Wright等進行天然氣水合物的研究中，使用的是同軸形探頭。

我們在天然氣水合物的研究中，根據(jù)實際情況采用非對稱同軸形探頭。不同結構探頭的電場與磁場分布見圖3，從圖3中雙電極探頭的電場和磁場分布來看，磁場和電場的分布對稱性最差，而同軸形探頭的電場和磁場的對稱性最好。當然在測試液體的介電常數(shù)時，同軸探頭最佳。

但是在進行土壤的介電常數(shù)測量時，雙電極探頭最容易埋置，而同軸探頭難以埋置。從有效性來看，平板雙電極的探測效果要好于三電極探頭，但是在測試土壤層介電常數(shù)的分辨率方面，三電極探頭要優(yōu)于平板電極。當然在測試中采用雙平板電極間加一個圓棒的電極可能要比平板雙電極探頭優(yōu)越。因為它還具有定的屏蔽作用，并且埋置和平板雙電極探頭相同。此外，新型的探頭結構中還加入了加熱裝置和測溫裝置，用來探測土壤的熱特性。

當發(fā)射機發(fā)出的脈沖信號在均勻介質中傳播時，它的傳播速度是不變的，傳播的速度V、距離L和發(fā)射波傳播到反射點后反射波回到發(fā)射點所用時間t_R的關系式如下：

V=2L/t_R

TDR使用同軸電纜作為傳輸線。同軸電纜易于制造并且具有良好的屏蔽性。在同軸電纜中傳送的波形有橫電磁波(TEM)、橫電波(TE)和橫磁波(TM)，但是最常用的是橫電磁波，其他的波形則需抑制。TDR所發(fā)射的電磁波為橫電磁波。橫電磁波在轉播中只有橫向的電場和橫向的磁場，沿軸的方向既無電場，同軸電纜中的電場和磁場也無磁場。

圖2顯示了同軸電纜中電場和磁場的分布形式，是均勻和對稱的。電磁波的傳輸也可以用雙導線進行傳輸，但由于雙導線傳輸中電磁波的衰減較大，因此長距離的傳輸一般不使用雙導線。波導也是傳輸電磁波的理想導體，但是由于體積較大，波導的長度也需要和電磁波的波長匹配。因此，在大功率電磁波的傳輸中，利用波導傳輸電磁波。

此外利用扁平線也可以傳輸電磁波，實際上它是同軸電纜的一種變形，它不僅具有同軸電纜的屏蔽性，而且制作簡易、成本較低。

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防性維護是必不可少的，因為TDR可以檢測接頭和連接器腐蝕時的電阻，并且在它們導致災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。

TDR也是技術監(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，該裝置產生沿薄波導（稱為探針）傳播的脈沖 - 通常是金屬棒或鋼纜。當該脈沖撞擊待測介質的表面時，部分脈沖反射回波導。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)模擬信號或開關輸出信號。在TDR技術中，脈沖速度主要受脈沖傳播介質的介電常數(shù)的影響，介質的介電常數(shù)可以根據(jù)介質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/沸騰介質中的塌陷液位可能非常困難。

TDR用于水壩中的錨索

CEA技術公司（CEATI）的大壩安全興趣小組是一個電力組織聯(lián)盟，它已應用擴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用于地球和農業(yè)科學

TDR用于確定土壤和多孔介質中的水分含量。在過去的二十年中，已經在測量土壤，谷物，食物和沉積物中的水分方面取得了實質性進展。TDR成功的關鍵在于能夠準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的關系，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，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)測各種巖土工程設置中的斜坡運動，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)測應用中，同軸電纜安裝在穿過所關注區(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，可將地球運動轉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，該技術對小斜率運動相對不敏感，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，使用數(shù)值導數(shù)從TDR數(shù)據(jù)中提取可靠的斜率運動指示，比傳統(tǒng)解釋更早。

TDR在巖土工程中的另一個應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，另一個是水滴到達該深度所花費的時間（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在半導體器件分析

時域反射計在半導體故障分析中用作半導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

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

已經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械缺陷）的檢測，定位和表征提供信息?？梢苑浅？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。 2100433B

操作簡單。

樽祥儀器

高速故障捕捉模式。

可顯示兩個光標。

故障查找迅速

獨有的末端故障查找功能

可調的脈沖寬度和幅度用來準確定

位故障點的距離。

獨特的幫助功能

波形存儲功能TDR2000/2P雙通道TDR電纜故障定位儀

儀器簡介：

TDR2000/2P雙通道TDR電纜故障定位儀是一個單色或彩色的雙通道時域反射計,能準確定位通訊電纜的

故障位置。其最小分辨率0.1m最大測量范圍為20km。該儀器既能進行單

通道也能進行雙通道測試（同時測試兩根線路，可以在同一屏幕上比較），測量

通道可以和另一個通道或者預存的測量波形進行比較。顯示其差值.所有的結果

都是高分辨率QVGA彩色顯示，可調的對比度根據(jù)周圍的環(huán)境進行調節(jié)。

TDR2000/2P雙通道TDR電纜故障定位儀測試線帶保險保護，也適合測試電力電纜故障。

技術參數(shù)：

測試范圍:50m,100m,200m,400m,

1km,2km,4km,8km,16km.

分辨率：0-200m0.1m

0-400m0.2m

400m以上測量范圍的0.1%

測量精度:測量范圍的0.1%

輸入阻抗:120Ω

輸出脈沖幅值:正常3V,5V和14V開路峰值

脈沖寬度選擇范圍:

0-50m:7ns,20ns,40ns,60ns,80ns

0-100m:7ns,40ns,60ns,80ns,100ns

0-200m:7ns,40ns,80ns,140ns,200ns

0-400m:40ns,80ns,160ns,200ns,400ns

0-1km:80ns,160ns,260ns,500ns,1ms

0-2km:160ns,260ns,500ns,1ms,2ms

0-4km:240ns,500ns,1ms,2ms,4ms

0-8km:500ns,1ms,2ms,4ms,8ms

0-16km:1ms,2ms,4ms,8ms,16ms

(默認脈沖寬度為每一個范圍的下限)

增益:0至90dB步長6dB

速度因數(shù):0.30至0.99可調步長0.001

TXNull:從0Ω到120Ω

采樣率:每秒一次或每秒三次（可選）.

電源:若5分鐘、10分鐘、15分鐘（可選）之后沒有操作，則自動關閉.

背光燈:保持1分鐘、2分鐘、5分鐘（可選）

TDR2000/2P通訊方式:RS232

內存:可存儲15個波形和數(shù)據(jù)

電池:8節(jié)LR6(AA)電池(TDR2000/2)

9.6V可充電電池（TDR2000/2P）

安全:符合IEC61010-1

EMC:遵從電磁的兼容性BSEN61326-1

體積:250LmmX200WmmX110Dmm

TDR2000/2P雙通道TDR電纜故障定位儀貨單號TDR2000 2100433B