功率概念和測量

一、功率的定義和概念

功率是表征電信號特性的一個重要參數(shù)，它被定義為能量在系統(tǒng)之間或系統(tǒng)內(nèi)元件之間傳遞的速率;給定元件既可以供給能量或者能量也可以被元件吸收。功率的基本定義由下列關(guān)系式描述：

功率(P)=d(能量)÷dt，或者：能量=∫(功率)dt

簡單來講，功率定義為單位時間內(nèi)所做的功?；締挝粸橥?W)，1W等于在1秒內(nèi)做1焦耳的功。常用的功率單位還有兆瓦(1MW=106W)、千瓦(1KW=103W)、毫瓦(1mW=10-3W)、微瓦(1μW=10-6W)、皮瓦(1PW=10-12W)。另一種常用的功率單位以分貝毫瓦(dBm)表示：它以1毫瓦為基準電平P0=1mW，實際功率值P(mW)與P0比較后取對數(shù)，這是功率的絕對單位，即dBm=10lg(P/P0)=10lgP;也可用分貝瓦(dBW)作為功率單位，此時P0=1W，即1dBW=10lg(P/P0)=10lg103=30dBm。

功率根據(jù)頻率，在定義和測量上也有區(qū)別。一般而言，在直流和低頻范圍，可以通過測量電壓和電流來計算功率，功率的瞬時值可用下式表示：

瞬時功率=電壓×電流，即P(t)=u(t)×i(t)。

直流時瞬時功率為常數(shù);交流信號采用平均功率測量，即信號在一個周期內(nèi)發(fā)生的凈能量變化速率，即對于周期為T的周期信號，一個周期內(nèi)的瞬時功率的平均值，稱為有功功率。平均功率與瞬時功率關(guān)系如下：

如果電壓和電流為連續(xù)(CW)正弦波時，P平=VIcos∮，其中V、I為有效值，∮為電壓與電流間相位角;對于非正弦電路，假設(shè)U、I為交流電量n次諧波分量的有效值，∮為電壓n次諧波分量與電流n次諧波分量的相位差，P為n次諧波分量的有功功率，上式仍然成立;當(dāng)n=1時，P為基波有功功率。如果電壓和電流為非連續(xù)波(CW)時，一般用脈沖峰值(PW)功率表示。

在超高頻和微波頻段范圍，有TEM波和非TEM波之分。在TEM波的同軸系統(tǒng)中，電壓和電流雖有確切含意，但測量其絕對值很困難。在波導(dǎo)系統(tǒng)中，因為存在不同的電磁模式，電壓和電流失去唯一性。在個頻段和各傳輸系統(tǒng)中，功率是單值表征信號強度的重要方法。

二、功率的測量

測量功率的儀器為功率計或功率表，功率計按測量頻率范圍(低頻20Hz-200Hz、中頻200Hz-6000Hz、高頻6KHz-20KHz、射頻20KHz-1GHz、射頻1GHz以上、光波)可分為三個方向：1、直流和低頻信號測量的電功率計;2、射頻或微波信號測量的高頻功率計;3、光功率計。根據(jù)被測信號的具體頻率，功率計可分為：直流功率計、工頻功率計、變頻功率計、射頻功率計和微波功率計、光功率計。

通常來講，常用的是電功率計;電功率計也叫瓦特表，一種測量電功率的儀器。電功率包括有功功率、無功功率和視在功率。未作特殊說明時，功率表一般是指測量有功功率的儀表。由于直流功率等于電壓和電流的簡單乘積，實際測量中，一般采用電壓表和電流表替代。工頻功率計是應(yīng)用較普遍的功率計，常說的功率計一般都是指工頻功率計。變頻功率計是21世紀變頻調(diào)速技術(shù)高速發(fā)展的產(chǎn)物。

射頻功率計和微波功率計在射頻范圍直接測量功率代替了電壓和電流的測量，高頻功率計一般由功率傳感器和功率指示器兩部分組成。功率傳感器也稱功率計探頭，它把高頻電信號通過能量轉(zhuǎn)換為可以直接檢測的電信號;功率指示器包括信號放大、變換和顯示器，顯示器直接顯示功率值。

光功率計用于測量絕對光功率或通過一段光纖的光功率相對損耗。在光纖系統(tǒng)中，測量光功率是最基本的測量，非常像電子學(xué)中的萬用表。通過測量發(fā)射端機或光網(wǎng)絡(luò)的絕對功率，一臺光功率計就能夠評價光端設(shè)備的性能。用光功率計與穩(wěn)定光源組合使用，則能夠測量連接損耗、檢驗連續(xù)性，并幫助評估光纖鏈路傳輸質(zhì)量。

功率計按照能量的傳遞和吸收也分為：1、傳輸型功率測量，俗稱通過式功率計，常見的是家用電度表;2、吸收式功率測量，俗稱終端式功率計，常見的是終端負載。

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