功率概念和測(cè)量

一、功率的定義和概念

功率是表征電信號(hào)特性的一個(gè)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(jiǎn)單來(lái)講，功率定義為單位時(shí)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(zhǔn)電平P0=1mW，實(shí)際功率值P(mW)與P0比較后取對(duì)數(shù)，這是功率的絕對(duì)單位，即dBm=10lg(P/P0)=10lgP;也可用分貝瓦(dBW)作為功率單位，此時(shí)P0=1W，即1dBW=10lg(P/P0)=10lg103=30dBm。

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

瞬時(shí)功率=電壓×電流，即P(t)=u(t)×i(t)。

直流時(shí)瞬時(shí)功率為常數(shù);交流信號(hào)采用平均功率測(cè)量，即信號(hào)在一個(gè)周期內(nèi)發(fā)生的凈能量變化速率，即對(duì)于周期為T(mén)的周期信號(hào)，一個(gè)周期內(nèi)的瞬時(shí)功率的平均值，稱(chēng)為有功功率。平均功率與瞬時(shí)功率關(guān)系如下：

如果電壓和電流為連續(xù)(CW)正弦波時(shí)，P平=VIcos∮，其中V、I為有效值，∮為電壓與電流間相位角;對(duì)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(shí)，P為基波有功功率。如果電壓和電流為非連續(xù)波(CW)時(shí)，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(cè)量其絕對(duì)值很困難。在波導(dǎo)系統(tǒng)中，因?yàn)榇嬖诓煌碾姶拍Ｊ?，電壓和電流失去唯一性。在個(gè)頻段和各傳輸系統(tǒng)中，功率是單值表征信號(hào)強(qiáng)度的重要方法。

二、功率的測(cè)量

測(cè)量功率的儀器為功率計(jì)或功率表，功率計(jì)按測(cè)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(gè)方向：1、直流和低頻信號(hào)測(cè)量的電功率計(jì);2、射頻或微波信號(hào)測(cè)量的高頻功率計(jì);3、光功率計(jì)。根據(jù)被測(cè)信號(hào)的具體頻率，功率計(jì)可分為：直流功率計(jì)、工頻功率計(jì)、變頻功率計(jì)、射頻功率計(jì)和微波功率計(jì)、光功率計(jì)。

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

射頻功率計(jì)和微波功率計(jì)在射頻范圍直接測(cè)量功率代替了電壓和電流的測(cè)量，高頻功率計(jì)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(chēng)功率計(jì)探頭，它把高頻電信號(hào)通過(guò)能量轉(zhuǎn)換為可以直接檢測(cè)的電信號(hào);功率指示器包括信號(hào)放大、變換和顯示器，顯示器直接顯示功率值。

光功率計(jì)用于測(cè)量絕對(duì)光功率或通過(guò)一段光纖的光功率相對(duì)損耗。在光纖系統(tǒng)中，測(cè)量光功率是最基本的測(cè)量，非常像電子學(xué)中的萬(wàn)用表。通過(guò)測(cè)量發(fā)射端機(jī)或光網(wǎng)絡(luò)的絕對(duì)功率，一臺(tái)光功率計(jì)就能夠評(píng)價(jià)光端設(shè)備的性能。用光功率計(jì)與穩(wěn)定光源組合使用，則能夠測(cè)量連接損耗、檢驗(yàn)連續(xù)性，并幫助評(píng)估光纖鏈路傳輸質(zhì)量。

功率計(jì)按照能量的傳遞和吸收也分為：1、傳輸型功率測(cè)量，俗稱(chēng)通過(guò)式功率計(jì)，常見(jiàn)的是家用電度表;2、吸收式功率測(cè)量，俗稱(chēng)終端式功率計(jì)，常見(jiàn)的是終端負(fù)載。

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