TDR测试技术的原理及影响因素
摘要：电磁波时域反射法（Time Domain Reflectometry）是一种远程遥感测试技术，自20世纪70年代应用与岩土工程领域以来，以方便，安全，经济，数字化及远程等特点而受到广泛关注。

本文阐述了TDR技术在岩土工程领域的发展、在测定土体含水量和干密度以及监测滑坡稳定性方面的应用。

关键词：时域反射法；TDR；反射；
一、试验目的
随着岩土工程学科的不断发展，岩土工程测试技术的准确性、便捷性及远程控制性显得越来越重要。

时域反射法是一种远程遥感测试技术，产生于20世纪30年代，最初用于电力和电讯工业中电缆线路的定位和识别。

在经研究发现TDR技术能测定土壤含水量之后，它被广泛用于农业领域。

自20世纪70年代起，TDR技术逐渐走向岩土工程领域发展，主要在测定土体含水量和干密度、监测滑坡稳定性、测定地下水位和电导率、监测土体污染及化学加固土质量控制等方面得以应用，并以方便，安全，经济，数字化及远程控制等特点而受到广泛关注。

二、TDR的作用和工作原理
随着数字电路工作效率得提高，PCB板上信号的传输速率也越来越高，如PCI-Express的信号速率已达2.5Gb/s，SATA的信号速率已达到3Gb/s，新的标准如PCI-Express II 、XAUI、10G以太网的工作效率更高。

随着数据速率的提高，信号的上升时间会更快。

当快上
升沿的信号在电路板上遇到一个阻抗不连续点时就会产生更大的反射，这些信号的反射会改变信号的形状，因此线路阻抗是影响信号完整性的一个关键因素。

对于高速电路板来说，很重要的一点就是要保证在信号传输路径上阻抗的连续性，从而避免信号产生大的反射。

相应的，对于测试来说也需要测试高速电路板的信号传输路径上阻抗的变化情况并分析问题原因，从而更好地定位问题。

最简单的TDR 测量配置是在宽带示波器的模块中增加一个阶跃脉冲发生器。

阶跃脉冲发生器发出一个快上升沿的阶跃脉冲，同时接收模块采集反射信号的时域波形。

如果被测件的阻抗是连续的，则信号没有反射，如果有阻抗的变化，就会有信号反射回来。

根据反射回波的时间可以判断阻抗不连续点距接收端的距离，根据反射回来的幅度可以判断相应点的阻抗变化。

TDR 通常显示反射和阻抗变化情抗，TDT(时域传输)通常显示传输延迟。

器件或者通道的阻抗不连续会导致传输信号失真，因此TDR/TDT是增强信号完整性的重要工具。

多年以来，Agilent86100 系列Infiniium DCA 主机和54754A 差分TDR 模块的强大组合为TDR/TDT 测量提供了卓越的解决方案。

为了满足当前高速数字串行接口方面的严格要求，TDR/TDT 测量功能也进行了重大改进，从而能够轻松获得精确得结果。

三、影响TDR测试精度的因素
A）TDR 校准是获得正确结果的最快方式
要获得正确的测试结果，必须正确消除因测试夹具或线缆导致的系统误差。

Agilent TDR 校准采用数字滤波器技术，使用短路和负载参考设备建立了一个校准平面，从而消除系统误差以提供精确的结果。

下图是TDR校准的工作原理和进行TDR校准前后测试结果的比较，可以看到校准后的反射波形更加清晰地反映出了阻抗的变化情况。

B) S参数测量
86100C 选件202只需一键轻触，即可从时域TDR/TDT 的结果快速获得频域的S参数（S11回波损耗或S21 插入损耗）结果。

C) 多重反射的校正：
当被测系统中有多个阻抗不连续点时，由于每个点都会产生反射，而且反射回来的波形再碰到阻抗不连续点时还有可能再反射回去，因此会造成TDR 的波形变形，不利于进行精确测量。

86100C 选件202增加了多重反射校正功能，可以补偿多次反射对TDR波形的影响。

下同是多重反射校正前后TDR波形的比较，可以看到校正后的波形去掉了多重反射的影响。

D) TDR 阶跃脉冲的质量
发送到被测设备的TDR 阶跃脉冲的质量会影响TDR测量的结果。

精心设计的54754A 模块可以最大限度减小偏差，以获得具有小国重和振荡的清晰脉冲，从而减少测量误差。

从TDR 校准获得的数字滤波可以模拟不同上升时间的阶跃脉冲，以验证实际信号脉冲的反射情况。

使用TDR 校准还可以模拟更快阶跃脉冲的反射情况。

E)通过加快实际阶跃脉冲来改善分辨率
Picosecond Pulse Lab(皮秒脉冲试验室)的信号源增强模块通过应用9pS 上升时间的阶跃脉冲可以提供更精细的距离分辨率。

使用信号源增强模块时需要于更高带宽的接收模块配合使用，Agilent 的86118A是最优秀的接收机模块，具有70G带宽和远端探头，可消除因为连接电缆导致的性能降级。

F)通过PLTS 进行全面的差分测试
基于TDR 的N1930A 物理层测试解决方案，为详细的差分线路测试提供了完整的解决方案。

该系统具有16 相S 参数和广泛的校准测试功能。

Agilent 的PLTS 系统同时还具有眼图模拟功能，可以模拟真实信号经过线路传输以后的眼图形状，并可以提取线路的RLCG 模型用于仿真建模分析。

四、结语
TDR测试技术因其方便，快速，准确，和自动化的特点，逐渐被学术界和工业界重视。

随着各种形式探头的发明，大大拓展了TDR测试技术的应用领域。

由于TDR技术可以测得土体电导率，通过建立的土体电导率与土体孔隙水电导率之间的关系，可以检测土体的污染情况。

随着科学研究的进一步发展，TDR测试技术在岩土工程领域会有更广阔的的应用前景。

三轴压缩试验
一、试验目的
三轴压缩试验是为了在一定的应力和排水控制条件下，测定土体的抗剪强度、抗剪强度指标以及应力-应变关系而产生的。

该试验还能在一定程度上反映应力路径和应力历史对土体性状的影响，来解决科研和工程问题所需。

三轴试验是室内试验最复杂的一种实验，它需要较严格的排水条件，但是三轴试验能够更好地模拟土体在不同排水条件和应力路径下的受力性能，所以逐渐受到广泛重视。

试验测得的强度以及强度指标可应用于支挡结构土压力计算、边坡稳定分析、地基承载力计算等涉及岩土工程问题的众多领域。

一、试验原理
三轴压缩试验是测定土的抗剪强度的一种方法。

它通常用3-4个圆柱形试样，分别在不同的恒定周围压力（σ3）下，施加轴向压力，即大小主应力差（σ1-σ3），进行剪切直到破坏；然后根据摩尔-库伦理论，求得抗剪强度与抗剪强度指标。

三、试验设备
三轴压缩仪由压力室、轴向加荷系
统、施加周围压力系统、孔隙水压力量
测系统等组成。

（1）压力室：压力室为三轴仪主体部分，
一般由金属顶盖、底座以及透明的的有
机玻璃圆罩组成一密封容器。

压力室底
部有三个孔，分别连通围压加载系统、反压加载和体变量测系统以及孔压传感器。

（2）轴向加载系统：采用电动机带动多级变速齿轮箱，并通过传动系统实现压力室从下而上移动，进而使试样受到轴向压力，其加荷速率需根据土样性质和试验方法确定。

（3）围压加载系统：一般采用周围压力阀控制，通过周围压力阀设定到一定固定压力后，其将对压力室中的水量进行自动调节，以保持在一稳定压力水平。

另外，围压测量的精度应为全量程的1%。

（4）孔隙水压力量测系统：安装传感器，由孔压传感器测定。

四、试验步骤
1、将土切成圆柱体套在橡胶膜内，放在密封的压力室中，
2、向压力室内压入水，使试件在各个方向受到周围压力，并使液压
在整个试验过程中保持不变，这时试件内各向的三个主应力都相等，因此不发生剪应力。

3、通过传力杆对试件施加竖向压力，这样，竖向主应力就大于水平向主应力，当水平向主应力保持不变，而竖向主应力逐渐增大时，试件终于受剪而破坏。

4、设剪切破坏时由传力杆加在试件上的竖向压应力为Δσ1，则试件上的大主应力为σ1=σ3+Δσ1，而小主应力为σ3，以(σ1-σ3)为直径可画出一个极限应力圆，用同一种土样的若干个试件(三个上)按以上所述方法分别进行试验，每个试件施加不同的周围压力σ3，可分别得出剪切破坏时的大主应力σ1，将这些结果绘成一组极限应力圆，圆Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ。

由于这些试件都剪切至破坏，根据莫尔-库伦理论，作一组极限应力圆的公共切线，即为土的抗剪强度包线，通常可近似取为一条直线，该直线与横坐标的夹角即为土的内摩擦角ψ，直线与纵坐标的截距即为土的内聚力c。

五、试验方法
对应于直接剪切试验的快剪、固结快剪和慢剪试验，三轴压缩试验按剪切前的固结程度和剪切时的排水条件，分为以下三种试验方法：
（1）不固结不排水试验
试样在施加周围压力和随后施加竖向压力直至剪切破坏的整个过程中都不允许排水，试验自始至终关闭排水阀门。

(2)固结不排水试验
试样在施加周围压力σ3打开排水阀门，允许排水固结，待固结稳定后关闭排水阀门，再施加竖向压力，使试样在不排水的条件下剪切破坏。

(3)固结排水试验
试样在施加周围压力σ3时允许排水固结，待固结稳定后，再在排水条件下施加竖向压力至试件剪切破坏。

六、试验优点
三轴压缩仪的突出优点是能较为严格地控制排水条件以及可以量测试件中孔隙水压力的变化。

此外，试件中的应力状态也比较明确，破裂面是在最弱处，而不像直接剪切仪那样限定在上下盒之间。

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