ไทม์โดเมนรีเฟลกโตมิเตอร์

ไทม์โดเมนรีเฟลกโตมิเตอร์ () หรือ TDR เป็นเครื่องมืออิเล็กทรอนิกส์ที่ใช้การวัดสัญญาณสะท้อนกลับด้วยขอบเขตของเวลา () เพื่อหาลักษณะเฉพาะและจุดเสียในสายเคเบิลโลหะ (ตัวอย่างเช่น สายคู่บิด หรือ สายแกนร่วม) มันยังสามารถนำไปใช้ในการค้นหาหน้าสัมผัสที่ bad contact ในหัวเชื่อมต่อ (), ใน แผงวงจรพิมพ์ หรือเส้นทางไฟฟ้​​าอื่น ๆ อุปกรณ์เทียบเท่าที่ใช้กับ ใยแก้วนำแสง เรียกว่า optical time-domain reflectometer หรือ OTDR

คำอธิบาย  
TDR จะวัดการสะท้อนกลับของสัญญาณภายในสายไฟตัวนำ เพื่อที่จะวัดการสะท้อนเหล่านั้น TDR จะส่งสัญาณไฟฟ้าตกกระทบขนาดหนึ่งเข้าไปในสายไฟตัวนำนั้นและฟังสัญญาณสะท้อนกลับ ถ้าตัวนำมีอิมพีแดนซ์สม่ำเสมอและมีการบรรจบปลาย () อย่างเหมาะสม ดังนั้นมันจะไม่มีการสะท้อนกลับและสัญญาณตกกระทบที่เหลือจะถูกดูดซับที่ปลายสายจากการบรรจบสายนั้น แต่ในทางตรงกันข้าม ถ้ามีการเปลี่ยนแปลงในอิมพีแดนซ์ บางส่วนของสัญญาณตกกระทบจะสะท้อนกลับไปยังแหล่งกำเนิดของมัน TDR จะมีหลักการคล้ายกับเรดาร์

การสะท้อนกลับ  
โดยทั่วไปสัญญาณที่สะท้อนกลับมาจะมีรูปร่างเหมือนสัญญาณที่ตกกระทบ แต่เครื่องหมายและขนาดของมันจะขึ้นอยู่กับการเปลี่ยนแปลงของอิมพีแดนซ์ ถ้าอิมพีแดนซ์เพิ่ม สัญญาณสะท้อนกลับจะมีเครื่องหมายเดียวกันกับสัญญาณที่ตกกระทบ; ถ้าอิมพีแดนซ์ลดลง ที่สะท้อนกลับจะมีเครื่องหมายตรงกันข้าม ขนาดของสัญญาณสะท้อนกลับจะไม่เพียงแต่ขึ้นอยู่กับปริมาณของการเปลี่ยนแปลงของอิมพีแดนซ์เท่านั้น แต่ยังขึ้นอยู่กับค่าการสูญเสียพลังงานในตัวนำอีกด้วย

การสะท้อนกลับสามารถวัดได้เป็นอัตราส่วนส่งออก/นำเขั โดย TDR จะแสดงหรือพล็อตในแกนของเวลา อีกวิธีหนึ่งก็คือการแสดงผลสามารถอ่านได้เป็นค่าของความยาวของสายเคเบิล เพราะความเร็วของสัญญาณที่วิ่งเข้าไปในสายตัวนำเกือบจะคงที่สำหรับตัวกลางที่ใช้ในการส่งสัญญาณหนึ่ง ๆ

เพราะความไวของการเปลี่ยนแปลงอิมพีแดนซ์ ทำให้ TDR สามารถนำมาใช้ในการตรวจสอบคุณลักษณะด้านอิมพีแดนซ์ของสายเคเบิล, การบรรจบปลายสายแบบหลอมละลาย () และตำแหน่งของคอนเนกเตอร์ และการสูญเสียพลังงานที่เกี่ยวข้อง, และความยาวโดยประมาณของสายเคเบิล

สัญญาณตกกระทบ  
TDR ใช้สัญญาณตกกระทบได้หลายแบบที่แตกต่างกัน TDR บางตัวส่งสัญญาณชีพจร เข้าไปในตัวนำ; ความละเอียดของเครื่องมือดังกล่าวมักจะเป็นความกว้างของพัลส์ พัลส์ที่แคบสามารถให้ความละเอียดที่ดีแต่ความถี่สูงสามารถลดทอนสัญญาณในสายเคเบิลที่ยาว รูปร่างของพัลส์มักจะเป็นคลื่นซายน์ครึ่งรอบ สำหรับสายที่ยาวขึ้น จะใชัพัลส์ที่กว้างกว่า

มีการนำคลื่นขั้นบันไดที่มี เวลาขึ้น () ที่เร็วมากมาใช้ แทนที่จะมองหาสัญญาณสะท้อนที่เป็นพัลส์เต็มรูป TDR จะสนใจเฉพาะขอบขึ้น () ที่จะเร็วมาก ๆ TDR ที่ใช้เทคโนโลยีของทศวรรษที่ 1970 ใช้คลื่นขั้นบันไดที่มีเวลาขึ้นเท่ากับ 25 ps.

TDR บางตัวยังคงใช้วิธีการส่งสัญญาณที่ซับซ้อนและตรวจจับการสะท้อนด้วย correlation techniques ดูทามโดเมนรีเฟลกโตมิเตอร์แบบกระจายสเปกตรัม

ตัวอย่างเส้นวาด 
เส้นวาดต่อไปนี้สร้างโดยทามโดเมนรีเฟลกโตมิเตอร์ที่ทำจากเครื่องมือทั่วไปในห้องปฏิบัติการ มีการเชื่อมต่อเข้ากับสายเคเบิลแกนร่วมยาวประมาณ  ที่มีค่า อิมพีแดนซ์ลักษณะ เท่ากับ 50 โอห์ม ความเร็วการกระจายสำหรับเคเบิลประเภทนี้อยู่ที่ประมาณ 66% ของความเร็วแสงในสูญญากาศ

เส้นวาดต่อไปนี้สร้างขึ้นโดยเครื่อง TDR ในทางพานิชย์โดยใช้คลื่นขั้นบันไดที่มีเวลาขึ้นเท่ากับ 25 ps และหัวเก็บตัวอย่าง () ที่มีเวลาขึ้นเท่ากับ 35 ps และสายเคเบิลแกนร่วมมีหัวเป็น SMA (RF Coaxial connector) ที่มีความยาว  ปลายสายของเคเบิลถูกปล่อยให้เปิดหรือต่ออยู่กับอะแดปเตอร์อื่นที่แตกต่างกัน มันต้องใช้เวลาประมาณ 3 นาโนวินาทีสำหรับพัลส์ที่จะเดินทางไปถึงปลายเคเบิล สะท้อนกลับ และเดินทางกลับมาถึงหัวเก็บตัวอย่าง สัญญาณสะท้อนกลับตัวที่สอง (ที่ประมาณ 6 ns) อาจมองเห็นได้ในบางเส้นวาดเนื่องจากการสะท้อนกลับอาจมองเห็นการไม่แมทช์กันขนาดเล็กที่หัวเก็บตัวอย่างซึ่งทำให้เกิดคลื่น "ตกกระทบ" อีกตัวหนึ่งที่จะเดินทางไปที่ปลายสาย

คำอธิบาย 
เมื่อพิจารณาถึงกรณีที่ปลายสุดของสายเคเบิล คู่สายทั้งสองถูกช๊อตเข้าหากัน (นั่นคือบรรจบกันทำให้อิมพีแดนซ์มีค่าเป็นศูนย์โอห์ม) เมื่อขอบขึ้นของพัลส์ถูกส่งเข้าไปในสายเคเบิล แรงดันไฟฟ้าที่จุดป้อนเข้าจะ "โดดขึ้น" ไปที่ค่าที่กำหนดทันทีทันใดและพัลส์ก็เริ่มต้นที่จะกระจายไปตามความยาวของสายเคเบิลไปยังปลายสาย เมื่อพัลส์กระทบกับจุดที่ช๊อต พลังงานจะไม่ถูกดูดซับที่ปลายสุด แทนที่จะมีการดูดซับ พัลส์จะสะท้อนจากจุดช๊อตกลับมาที่ต้นทาง เมื่อพัลส์สะท้อนกลับนี้กลับไปถึงต้นทาง มันเป็นเวลาเดียวกับที่แรงดันไฟฟ้าที่จุดนั้นลดลงไปทันทีทันใดกลับไปที่ศูนย์ เป็นการส่งสัญญาณความจริงที่ว่ามีการช๊อตที่ปลายของสายเคเบิล นั่นคือ TDR จะไม่เห็นว่ามีการช๊อตที่ปลายของสายเคเบิลจนกระทั่งพัลส์ที่มันปล่อยออกไปสามารถเดินทางไปตามสายเคเบิลที่ประมาณความเร็วของแสงและการสะท้อนสามารถเดินทางกลับมาที่จุดเริ่มต้นที่ความเร็วเดียวกัน มันก็เป็นเพราะการล่าช้าในการเดินทางไปกลับนี้เท่านั้นที่ TDR สามารถรับรู้ถึงการช๊อตได้ สมมติว่าเรารู้ความเร็วในการแพร่กระจายสัญญาณในสายเคเบิลที่อยู่ภายใต้การทดสอบ ดังนั้นด้วยวิธีนี้ระยะทางไปยังจุดที่ช๊อตก็สามารถวัดได้

ผลที่คล้ายกันจะเกิดขึ้นถ้าปลายสุดของสายเคเบิลเป็นวงจรเปิด (ถูกบรรจบแบบให้อิมพีแดนซ์มีค่าเป็นอนันต์) แต่ในกรณีนี้การสะท้อนจากปลายสุดจะมีขั้วเดียวกันกับพัลส์เดิม ดังนั้นหลังจากที่มีการล่าช้าในการเดินทางไปกลับ แรงดันที่ TDR จึงแสดงเส้นวาดออกมาเป็นพัลส์สองตัวมีค่าเท่ากัน

โปรดสังเกตว่าถ้ามีการบรรจบอย่างสมบูรณ์แบบในทางทฤษฎีที่ปลายสุดของสายเคเบิล พัลส์ที่ใส่เข้าไปในเคเบิลจะดูดซึมอย่างหมดสิ้น จึงไม่ก่อให้เกิดการสะท้อนใด ๆ ในกรณีนี้มันจะเป็นไปไม่ได้ที่จะวัดความยาวจริงของสายเคเบิล โชคดีที่การบรรจบอย่างสมบูรณ์แบบนี้สามารถหาได้ยากมากและการสะท้อนขนาดเล็กบางส่วนจะเกิดขึ้นได้เกือบตลอดเวลา

ขนาดของการสะท้อนจะถูกเรียกว่าค่าสัมประสิทธิ์การสะท้อนหรือ ρ มีช่วงจาก 1 (วงจรเปิด) ถึง -1 (ลัดวงจร) ค่าเป็นศูนย์หมายถึงว่าไม่มีการสะท้อน ค่าสัมประสิทธิ์การสะท้อนสามารถคำนวณได้ดังนี้:

เมื่อ Zo ถูกกำหนดให้เป็นอิมพีแดนซ์ลักษณะของตัวกลางการส่งและ Zt เป็นอิมพีแดนซ์ที่ปลายสุดของสายส่ง

จุดขาดบนสายเคเบิลใด ๆ สามารถมองว่าเป็นอิมพีแดนซ์ของการบรรจบและถูกแทนค่าด้วย Zt ซึ่งรวมถึงการอย่างกระทันหันในอิมพีแดนซ์ลักษณะของสายเคเบิลนั้นด้วย ตัวอย่างเช่นเส้นวาดบน TDR ที่วัดได้ที่ช่วงกลางของแผงวงจรมีความกว้างเป็นสองเท่าอาจหมายถึงสายวงจรขาด บางส่วนของพลังงานจะถูกสะท้อนกลับไปยังแหล่งที่มา; พลังงานที่เหลือจะถูกส่งออกไป ปรากฏการณ์นี้เรียกว่ารอยต่อกระเจิง ()

ประโยชน์  
ทามโดเมนรีเฟลกโตมิเตอร์ถูกใช้ทั่วไปในสถานที่ที่มีการทดสอบสายเคเบิลที่ยาวมาก แต่มันเป็นไปไม่ได้ที่จะขุดหรือรื้อขึ้นมาในสิ่งที่อาจจะเป็นสายเคเบิลที่ยาวหลายกิโลเมตร พวกมันมีความจำเป็นที่จะต้องได้รับการบำรุงรักษาเชิงป้องกันสำหรับสายการสื่อสารโทรคมนาคม โดย TDR สามารถตรวจสอบความต้านทานที่หัวต่อและจุดเชื่อมต่อเนื่องจากการเป็นสนิมและมีการรั่วไหลเพิ่มขึ้นของฉนวนหุ้มเนื่องจากการเสื่อมสมรรถภาพทำให้มีน้ำเข้าไปในหัวต่อ เป็นเวลานานก่อนที่สายไฟภายในเส้นใดเส้นหนึ่งจะล้มเหลวจนเกิดปัญหารุนแรง เมื่อใช้ TDR มันก็เป็นไปได้ที่จะระบุจุดที่เกิดปัญหาภายในระยะเป็นเซนติเมตร

TDR ยังเป็นเครื่องมือที่มีประโยชน์มากอีกด้วยสำหรับมาตรการตอบโต้แบบการเฝ้าระวังทางเทคนิค โดยมันจะช่วยตรวจสอบการดำรงอยู่และสถานที่ตั้งของสายลักลอบเชื่อมต่อเพื่อดักฟัง () การเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยในอิมพีแดนซ์ที่เกิดจากการแทปหรือการประกบสายจะปรากฏขึ้นบนหน้าจอของ TDR เมื่อมีการเชื่อมต่อกับสายโทรศัพท์

อุปกรณ์ TDR ยังเป็นเครื่องมือที่สำคัญในการวิเคราะห์ความล้มเหลวของแผงวงจรพิมพ์ความถี่สูงที่ทันสมัย​ที่​มีเส้นวาดสัญญาณที่สร้างขึ้นมาเพื่อเลียนแบบสายส่ง โดยการสังเกตการสะท้อนกลับ หมุดที่บัดกรีไว้ไม่ดีใด ๆ ของอุปกรณ์แผงกลมของกริดจะสามารถตรวจพบได้ หมุดที่ลัดวงจรก็สามารถตรวจพบได้ในลักษณะคล้ายกัน

หลักการ TDR ถูกใช้ในการตั้งค่าทางอุตสาหกรรม ในสถานการณ์ที่หลากหลายเช่นการทดสอบของแพคเกจวงจรรวมเพื่อวัดระดับของของเหลว ในการทดสอบของแพคเกจวงจรรวม TDR จะใช้เพื่อแยกจุดที่ล้มเหลวในแพคเกจเดียวกัน ในการวัดระดับของของเหลวส่วนใหญ่จะจำกัดตามกระบวนการทางอุตสาหกรรม

TDR ในการตรวจวัดระดับ  
ในอุปกรณ์ตรวจวัดระดับที่พื้นฐานจาก TDR อุปกรณ์นั้นจะสร้างแรงกระตุ้น () ที่แพร่กระจายลงท่อนำคลื่นชนิดบาง (ที่เรียกว่าหัววัด ()) ซึ่งโดยปกติจะเป็นแท่งโลหะหรือสายเคเบิลเหล็ก เมื่อแรงกระตุ้นนี้กระทบผิวหน้าของสื่อกลางที่จะทำการวัด ส่วนหนึ่งของแรงกระตุ้นจะสะท้อนกลับมาที่ท่อนำคลื่น อุปกรณ์จะกำหนดระดับของเหลวโดยการวัดความแตกต่างของเวลาระหว่างเวลาที่ส่งแรงกระตุ้นออกไปกับเวลาที่สะท้อนกลับมา ตัวรับรู้สามารถส่งระดับที่วิเคราะห์ได้ออกเป็นสัญญาณแอนาล็อกอย่างต่อเนื่องหรือสัญญาณเอ้าพุทแบบสลับ ในเทคโนโลยีของ TDR, ความเร็วของแรงกระตุ้นจะได้รับผลกระทบเป็นหลักโดยค่า permittivity ของตัวกลางที่พัลส์แพร่กระจายผ่านเข้าไป ซึ่งสามารถแตกต่างกันอย่างมากตามความชื้นและอุณหภูมิของตัวกลาง ในหลายกรณี ผลกระทบนี้สามารถแก้ไขได้โดยไม่ยากเกินควร ในบางกรณีเช่นในสภาพแวดล้อมที่อุณหภูมิสูงและ/หรือเดือด การแก้ไขอาจจะยากลำบาก ในกรณีเฉพาะอย่าง การกำหนดความสูงของฟอง (โฟม) และระดับของของเหลวที่ทรุดตัวลงในตัวกลางที่เป็นฟอง/เดือดอาจจะยากลำบากมาก

TDR ใช้ในสายสมอในเขื่อน 

กลุ่มสนใจความปลอดภัยของเขื่อนของ CEA Technologies, Inc (CEATI) บริษัทร่วมการงานขององค์กรพลังงานไฟฟ้าแห่งหนึ่ง ได้ใช้ TDR แบบการแพร่กระจายคลื่นเพื่อระบุความผิดพลาดที่อาจเกิดขึ้นในสายสมอเขื่อนคอนกรีต ประโยชน์ที่สำคัญของ TDR ที่เหนือกว่าวิธีการทดสอบแบบอื่นก็คือการทดสอบวิธีนี้เป็นการทดสอบแบบไม่ทำลาย

TDR ใช้ในทางธรณีวิทยาและวิทยาศาสตร์การเกษตร 
บทความหลัก: การวัดชิ้นส่วนที่ชื้นโดยการใช้ TDR

TDR จะใช้ในการตรวจสอบชิ้นส่วนที่ชื้นในดินและตัวกลางที่มีรูพรุน มากกว่าสองทศวรรษที่ผ่านมา มีความก้าวหน้าที่สำคัญในการวัดความชื้นในดิน, ในเมล็ดพืช, ในสิ่งที่เกี่ยวข้องกับอาหาร, และในตะกอน กุญแจสู่ความสำเร็จของ TDR ก็คือความสามารถของมันในการตรวจสอบอย่างแม่นยำใน permittivity (ค่าไดอิเล็กทริกคงที่) ของวัสดุจากการกระจายคลื่น, เนื่องจากความสัมพันธ์ที่แข็งแกร่งระหว่าง permittivity ของวัสดุกับปริมาณน้ำของมัน อย่างที่ได้แสดงให้เห็นในผลงานบุกเบิกของ Hoekstra และ Delaney (1974) 

และกลุ่มเพื่อนของ Topp (1980) ความคิดเห็นล่าสุดและงานอ้างอิงของเนื้อเรื่องจะรวมถึง Topp และเรโนลด์ (1998), Noborio (2001), Pettinellia และเพื่อน (2002), Topp และ Ferre (2002) และโรบินสันและเพื่อน (2003) วิธี TDR เป็นเทคโนโลยีสายส่งอย่างหนึ่ง และเป็นตัวกำหนด permittivity (Ka) อย่างชัดเจนจากเวลาในการเดินทางของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่แพร่กระจายไปตามสายส่ง มักจะเป็นแท่งโลหะสองแท่งหรือมากกว่าที่ขนานกันฝังอยู่ในดินหรือตะกอน โพรบมักจะมีความยาวระหว่าง 10 ถึง 30 ซม. และเชื่อมต่อกับ TDR ผ่านสายโคแอกเซียล

TDR ในการใช้งานปฐพี 
TDR ยังได้ถูกนำมาใช้ในการเฝ้าดูการเคลื่อนไหวของความลาดชันในระบบธรณีเทคนิคที่หลากหลายที่รวมทั้งรอยตัดบนทางหลวง, เนินรองรับรางรถไฟ, และเหมืองหลุมเปิด (Dowding และโอคอนเนอร์, 1984, 2000a, 2000b; Kane & Beck, 1999) ในการใช้เพื่อตรวจสอบความมั่นคงโดยการใช้ TDR สายเคเบิลแกนร่วมจะนำมาติดตั้งในหลุมเจาะแนวตั้งที่เจาะผ่านพื้นที่ที่กังวล ค่าอิมพีแดนซ์ทางไฟฟ้าที่จุดใด ๆ ตามแแนวสายแกนร่วมจะเปลี่ยนไปตามความผิดปกติของฉนวนระหว่างสายตัวนำทั้งสอง สารยาแนวที่เปราะจะล้อมรอบเคเบิลเพื่อแปลการเคลื่อนไหวของแผ่นดินให้เป็นความผิดปกติของสายเคเบิลอย่างกระทันหันที่จะแสดงขึ้นมาเป็นจุดสูงสุดที่ตรวจพบได้ในเส้นวาดการสะท้อน จนกระทั่งเมื่อเร็ว ๆ นี้ เทคนิคนี้รู้สึกว่าค่อนข้างจะไม่ไวต่อการเคลื่อนไหวของความลาดชันที่มีขนาดเล็กและไม่สามารถทำให้การวัดเป็นไปโดยอัตโนมัติเพราะมันต้องพึ่งพามนุษย์ในการตรวจสอบการเปลี่ยนแปลงเพื่อตามรอยการสะท้อนตลอดช่วงเวลา นาย Farrington และ Sargand (2004) ได้พัฒนาเทคโนโลยีการประมวลผลสัญญาณง่าย ๆ ขึ้นมาชิ้นหนึ่งโดยใช้อนุพันธ์ตัวเลขเพื่อที่จะแยกตัวชี้วัดที่น่าเชื่อถือของการเคลื่อนไหวของความลาดชันจากข้อมูลของ TDR มันทำงานได้รวดเร็วกว่าการตีความแบบโบราณที่ใช้กันอยู่ทั่วไป

การใช้งานอีกอย่างหนึ่งของ TDRs ในด้านวิศวกรรมปฐพีเทคนิคคือการกำหนดเนื้อหาความชื้นในดิน ซึ่งสามารถทำได้โดยการวาง TDR แต่ละตัวในชั้นดินที่แตกต่างกันและทำการวัดเวลาของการเริ่มต้นของการตกของหยาดน้ำฟ้าและเวลาที่ TDR บ่งบอกถึงการเพิ่มขึ้นในเนื้อหาของความชื้นในดิน ความลึกของ TDR (d) เป็นปัจจัยที่รู้แล้ว และอีกปัจจัยหนึ่งคือเวลาที่ใช้ของน้ำที่หยดลงที่จะไปถึงความลึก (t); ดังนั้นความเร็วของการแทรกซึมของน้ำ (อุทกวิทยา) (v) จะสามารถกำหนดได้ นี้เป็นวิธีการที่ดีสำหรับการประเมินประสิทธิภาพของวิธีการจัดการที่ดีที่สุด (BMPs) ในการลดพื้นที่การพังทลายของผิวหน้าดินเนื่องจากการไหลบ่าของน้ำฝน

TDR ในการวิเคราะห์อุปกรณ์สารกึ่งตัวนำ 
TDR ที่ใช้ในการวิเคราะห์ความล้มเหลวของสารกึ่งตัวนำเป็นวิธีการที่ไม่ทำลายสำหรับตำแหน่งของข้อบกพร่องต่าง ๆ ในแพคเกจอุปกรณ์สารกึ่งตัวนำ TDR จะมอบลายเซ็นไฟฟ้าของร่องรอยสื่อกระแสไฟฟ้าแต่ละอย่างในแพคเกจอุปกรณ์และมันเป็นประโยชน์สำหรับการกำหนดตำแหน่งของวงจรเปิดและวงจรช๊อตทั้งหลาย

TDR ในการบำรุงรักษาสายไฟในอากาศยาน 
TDR โดยเฉพาะอย่างยิ่ง TDR แบบแพร่กระจายคลื่น ถูกใช้ในการการบำรุงรักษาเชิงป้องกันสไหรับสายไฟในอากาศยาน รวมทั้งการหาตำแหน่งของจุดผิดพลาด TDR แบบแพร่กระจายคลื่นมีความได้เปรียบตรงที่มีความแม่นยำในการกำหนดตำแหน่งของความผิดปกติภายในหลายพันไมล์ของการเดินสายไฟในอากาสยาน นอกจากนี้เทคโนโลยีนี้คุ้มค่าในการพิจารณาเพื่อนำมาใช้ในการเฝ้าดูแบบเวลาจริงของอากาศยานเพราะการสะท้อนแบบแพร่กระจายคลื่นความถี่สามารถทำงานในสายที่มีไฟ

วิธีการนี​​้ได้แสดงให้เห็นว่ามีประโยชน์ในการกำหนดตำแหน่งของความผิดพลาดทางไฟฟ้าที่เกิดแบบไม่สม่ำเสมอ

อ้างอิง

ฟิสิกส์ของดิน