Un réflectomètre temporel ( TDR ) est un instrument électronique qui utilise la réflectométrie dans le domaine temporel pour caractériser et localiser les défauts dans les câbles métalliques (par exemple, un câble à paires torsadées ou un câble coaxial ). [1] Il peut également être utilisé pour localiser les discontinuités dans un connecteur, une carte de circuit imprimé ou tout autre chemin électrique. Le dispositif équivalent pour fibre optique est un réflectomètre optique dans le domaine temporel .
La description
Un TDR mesure les réflexions le long d'un conducteur. Afin de mesurer ces réflexions, le TDR transmettra un signal incident sur le conducteur et écoutera ses réflexions . Si le conducteur a une impédance uniforme et est correctement terminé , il n'y aura pas de réflexions et le signal incident restant sera absorbé à l'extrémité distante par la terminaison. Au lieu de cela, s'il y a des variations d'impédance, une partie du signal d'incident sera renvoyée à la source. Un TDR est similaire en principe au radar .
Réflexion
Généralement, les réflexions auront la même forme que le signal incident, mais leur signe et leur amplitude dépendent de la variation du niveau d'impédance. S'il y a une augmentation d'échelon dans l'impédance, alors la réflexion aura le même signe que le signal incident; s'il y a une diminution d'impédance, la réflexion aura le signe opposé. L'amplitude de la réflexion dépend non seulement de la quantité de changement d'impédance, mais aussi de la perte du conducteur.
Les réflexions sont mesurées à la sortie / entrée du TDR et affichées ou tracées en fonction du temps. En variante, l'affichage peut être lu en fonction de la longueur du câble car la vitesse de propagation du signal est presque constante pour un support de transmission donné.
En raison de sa sensibilité aux variations d'impédance, un TDR peut être utilisé pour vérifier les caractéristiques d'impédance du câble, les emplacements des épissures et des connecteurs et les pertes associées, et estimer les longueurs de câble.
Signal d'incident
Les TDR utilisent différents signaux d'incident. Certains TDR transmettent une impulsion le long du conducteur; la résolution de tels instruments est souvent la largeur de l'impulsion. Les impulsions étroites peuvent offrir une bonne résolution, mais elles ont des composantes de signal à haute fréquence qui sont atténuées dans les câbles longs. La forme de l'impulsion est souvent une sinusoïde demi-cycle. [2] Pour des câbles plus longs, des largeurs d'impulsion plus larges sont utilisées.
Des pas de temps de montée rapide sont également utilisés. Au lieu de chercher la réflexion d'une impulsion complète, l'instrument est concerné par le front montant, qui peut être très rapide. [3] Un TDR de la technologie des années 1970 a utilisé des étapes avec un temps de montée de 25 ps. [4] [5] [6]
D'autres TDR transmettent encore des signaux complexes et détectent des réflexions avec des techniques de corrélation. Voir la réflectométrie temporelle à spectre étalé .
Usage
Les réflectomètres dans le domaine temporel sont couramment utilisés pour tester sur place de très longs câbles, où il n'est pas pratique de déterrer ou de retirer ce qui peut être un câble de plusieurs kilomètres de long. Ils sont indispensables pour la maintenance préventive des lignes de télécommunication , car les TDR peuvent détecter la résistance aux joints et aux raccords lorsqu'ils se corrodent et augmenter les fuites d' isolation en se dégradant et en absorbant l'humidité bien avant que l'une ou l' autre ne provoque des pannes catastrophiques. En utilisant un TDR, il est possible de localiser un défaut à quelques centimètres près.
Les TDR sont également des outils très utiles pour les contre-mesures de surveillance technique , où ils aident à déterminer l'existence et l'emplacement des robinets métalliques . Le léger changement d'impédance de ligne causé par l'introduction d'un robinet ou d'une épissure apparaîtra sur l'écran d'un TDR lorsqu'il est connecté à une ligne téléphonique.
L'équipement TDR est également un outil essentiel dans l' analyse des défaillances des circuits imprimés modernes à haute fréquence avec des traces de signaux conçues pour émuler les lignes de transmission . En observant les réflexions, toutes les broches non soudées d'un dispositif de réseau de grille à billes peuvent être détectées. Des broches en court-circuit peuvent également être détectées de la même manière.
Le principe du TDR est utilisé dans des environnements industriels, dans des situations aussi diverses que le test de boîtiers de circuits intégrés pour mesurer les niveaux de liquide. Dans le premier, le réflectomètre du domaine temporel est utilisé pour isoler les sites défaillants dans le même. Ce dernier est principalement limité à l'industrie des procédés.
Dans la mesure de niveau
Dans un dispositif de mesure de niveau basé sur TDR , le dispositif génère une impulsion qui se propage le long d'un guide d'onde mince (appelé sonde) - typiquement une tige métallique ou un câble d'acier. Lorsque cette impulsion frappe la surface du milieu à mesurer, une partie de l'impulsion réfléchit le guide d'onde. Le dispositif détermine le niveau de fluide en mesurant la différence de temps entre l'envoi de l'impulsion et le retour de la réflexion. Les capteurs peuvent émettre le niveau analysé sous la forme d'un signal analogique continu ou de signaux de sortie de commutation. Dans la technologie TDR, la vitesse d'impulsion est principalement affectée par la permittivité du milieu par lequel l'impulsion se propage, qui peut varier considérablement en fonction de la teneur en humidité et de la température du milieu. Dans de nombreux cas, cet effet peut être corrigé sans trop de difficulté. Dans certains cas, comme dans les environnements à ébullition et / ou à haute température, la correction peut être difficile. En particulier, la détermination de la hauteur de mousse (mousse) et du niveau de liquide replié dans un milieu mousseux / bouillant peut être très difficile.
Utilisé dans les câbles d'ancrage dans les barrages
Le Groupement d'Intérêt de Sécurité des Barrages de CEA Technologies, Inc. (CEATI), un consortium d'organisations d'énergie électrique, a appliqué la réflectométrie à spectre temporel à spectre étalé pour identifier les failles potentielles dans les câbles d'ancrage de barrage en béton. Le principal avantage de la réflectométrie de domaine temporel par rapport aux autres méthodes de test est la méthode non destructive de ces tests. [8]
Utilisé dans les sciences de la terre et de l'agriculture
Article principal: Mesure de la teneur en humidité en utilisant la réflectométrie dans le domaine temporel
Un TDR est utilisé pour déterminer la teneur en humidité dans le sol et les milieux poreux. Au cours des deux dernières décennies, des progrès considérables ont été réalisés en mesurant l'humidité dans le sol, les céréales, les aliments et les sédiments. La clé du succès du TDR est sa capacité à déterminer avec précision la permittivité (constante diélectrique) d'un matériau à partir de la propagation des ondes, due à la forte relation entre la permittivité d'un matériau et sa teneur en eau, comme le démontrent les travaux pionniers de Hoekstra et Delaney (1974) et Topp et al. (1980). Topp et Reynolds (1998), Noborio (2001), Pettinellia et al. (2002), Topp et Ferre (2002) et Robinson et al. (2003). La méthode TDR est une technique de ligne de transmission, et détermine la permittivité apparente (Ka) du temps de parcours d'une onde électromagnétique qui se propage le long d'une ligne de transmission, habituellement deux ou plusieurs tiges métalliques parallèles enfouies dans le sol ou les sédiments. Les sondes ont généralement une longueur comprise entre 10 et 30 cm et sont connectées au TDR via un câble coaxial.
En utilisation géotechnique
La réflectométrie dans le domaine temporel a également été utilisée pour surveiller le mouvement des pentes dans divers milieux géotechniques, y compris les coupes d'autoroutes, les lits de rails et les mines à ciel ouvert (Dowding et O'Connor, 1984, 2000a, 2000b, Kane et Beck, 1999). Dans les applications de surveillance de la stabilité utilisant le TDR, un câble coaxial est installé dans un forage vertical traversant la région concernée. L'impédance électrique à n'importe quel point le long d'un câble coaxial change avec la déformation de l'isolateur entre les conducteurs. Un coulis cassant entoure le câble pour traduire le mouvement de la terre en une déformation abrupte du câble qui apparaît comme un pic détectable dans la trace de réflectance. Jusqu'à récemment, la technique était relativement insensible aux petits mouvements de pente et ne pouvait pas être automatisée parce qu'elle reposait sur la détection par l'humain de changements dans la trace de la réflectance au fil du temps. Farrington et Sargand (2004) ont mis au point une technique de traitement du signal simple utilisant des dérivés numériques pour extraire des indications fiables du mouvement de la pente à partir des données TDR beaucoup plus tôt que par interprétation conventionnelle.
Une autre application des TDR en génie géotechnique consiste à déterminer la teneur en humidité du sol. Cela peut être fait en plaçant les TDR dans différentes couches de sol et en mesurant l'heure du début des précipitations et le moment où le TDR indique une augmentation de la teneur en humidité du sol. La profondeur du TDR (d) est un facteur connu et l'autre est le temps qu'il faut à la goutte d'eau pour atteindre cette profondeur (t); par conséquent, la vitesse d' infiltration d' eau (v) peut être déterminée. C'est une bonne méthode pour évaluer l'efficacité des meilleures pratiques de gestion (PGB) dans la réduction des eaux pluviales ruissellement de surface .
Dans l'analyse des dispositifs à semi-conducteurs
La réflectométrie dans le domaine temporel est utilisée dans l'analyse des défaillances des semi-conducteurs en tant que méthode non destructive pour la localisation des défauts dans les boîtiers de dispositifs à semi-conducteurs. Le TDR fournit une signature électrique des traces conductrices individuelles dans l'emballage du dispositif, et est utile pour déterminer l'emplacement des ouvertures et des courts-circuits.
Dans la maintenance du câblage de l'aviation
La réflectométrie dans le domaine temporel, en particulier la réflectométrie dans le domaine temporel à spectre étalé, est utilisée sur le câblage de l'aviation pour la maintenance préventive et la localisation des défauts. [9] La réflectométrie à spectre temporel à spectre étalé a l'avantage de localiser avec précision l'emplacement du défaut dans des milliers de kilomètres de câblage d'aviation. De plus, cette technologie vaut la peine d'être envisagée pour la surveillance de l'aviation en temps réel, car la réflectométrie à spectre étalé peut être utilisée sur des fils sous tension.
Cette méthode s'est avérée utile pour localiser les défauts électriques intermittents. [dix]
La réflectométrie dans le domaine temporel à porteuses multiples (MCTDR) a également été identifiée comme une méthode prometteuse pour le diagnostic EWIS intégré ou les outils de dépannage. Basée sur l'injection d'un signal multiporteuse (respectant la CEM et inoffensive pour les fils), cette technologie intelligente fournit des informations pour la détection, la localisation et la caractérisation des défauts électriques (ou défauts mécaniques ayant des conséquences électriques) dans les systèmes de câblage. Les défauts matériels (courts, circuits ouverts) ou intermittents peuvent être détectés très rapidement, ce qui augmente la fiabilité des systèmes de câblage et améliore leur maintenance. [11]
