功率計(jì)的原理

功率計(jì)測(cè)量電功率的儀器。一般是指在直流和低頻技術(shù)中測(cè)量功率的功率計(jì)，又可稱為瓦特計(jì)。

功率計(jì)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(jì)探頭，它把高頻電信號(hào)通過能量轉(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。 功率傳感器和功率指示器之間用電纜連接。為了適應(yīng)不同頻率、不同功率電平和不同傳輸線結(jié)構(gòu)的需要，一臺(tái)功率計(jì)要配若干個(gè)不同功能的功率計(jì)探頭。

基本簡(jiǎn)介

功率計(jì)測(cè)量電功率的儀器。一般是指在直流和低頻技術(shù)中測(cè)量功率的功率計(jì)，又可稱為瓦特計(jì)。

功率計(jì)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(jì)探頭，它把高頻電信號(hào)通過能量轉(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。 功率傳感器和功率指示器之間用電纜連接。為了適應(yīng)不同頻率、不同功率電平和不同傳輸線結(jié)構(gòu)的需要，一臺(tái)功率計(jì)要配若干個(gè)不同功能的功率計(jì)探頭。

功率簡(jiǎn)介

功率是表征電信號(hào)特性的一個(gè)重要參數(shù)。功率計(jì)是測(cè)量電信號(hào)有功功率的儀表。

在直流和低頻范圍，可以通過測(cè)量電壓和電流計(jì)算功率，功率的瞬時(shí)值可用下式表示:

計(jì)算公式

對(duì)于周期為T的周期信號(hào)，一個(gè)周期內(nèi)的瞬時(shí)功率的平均值，稱為有功功率。有功功率按下式計(jì)算:

計(jì)算公式

對(duì)于正弦電路，下式成立:

計(jì)算公式

上式中，U、I分別為正弦交流電的有效值，φ為電壓與電流信號(hào)的相位差。

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，φ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。

在超高頻和微波頻段，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。在射頻范圍直接測(cè)量功率代替了電壓和電流的測(cè)量。

度量單位

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=10^6W)、千瓦(1KW=10^3W)、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。

也可用分貝瓦(dBW)作為功率單位，此時(shí)P0=1W，即1 dBW=30 dBm。

功率計(jì)組成

功率計(jì)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(jì)探頭，它把高頻電信號(hào)通過能量轉(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。 功率傳感器和功率指示器之間用電纜連接。為了適應(yīng)不同頻率、不同功率電平和不同傳輸線結(jié)構(gòu)的需要，一臺(tái)功率計(jì)要配若干個(gè)不同功能的功率計(jì)探頭。

產(chǎn)品分類

根據(jù)被測(cè)信號(hào)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)。

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。其測(cè)量對(duì)象為變頻電量，變頻電量是指用于傳輸功率的，并且滿足下述條件之一的交流電量:

1、信號(hào)頻譜僅包含一種頻率成分，而頻率不局限于工頻的交流電信號(hào)。

常見變頻電量波形及頻譜

2、信號(hào)頻譜包含兩種或更多的被關(guān)注的頻率成分的電信號(hào)。

變頻電量包括電壓、電流以及電壓電流引出的有功功率、無功功率、視在功率、有功電能、無功電能等。

除了變頻器輸出的PWM波，二極管整流的變頻器輸入的電流波形，直流斬波器輸出的電壓波形，變壓器空載的輸入電流波形等，均含有較大的諧波，右圖中為常見變頻電量的波形及相關(guān)頻譜圖。

由于變頻電量的頻率成分復(fù)雜，變頻功率計(jì)的測(cè)量一般包括基波有功功率(簡(jiǎn)稱基波功率)、諧波有功功率(簡(jiǎn)稱諧波功率)、總有功功率等，相比工頻功率計(jì)而言，其功能較多，技術(shù)較復(fù)雜，一般稱為變頻功率分析儀或?qū)掝l功率分析儀，部分高精度功率分析儀也適用于變頻電量測(cè)量。

變頻功率分析儀可以作為工頻功率分析儀使用，除此之外，一般還需滿足下述要求:

1、滿足必要的帶寬要求，并且采樣頻率應(yīng)高于儀器帶寬的兩倍。

2、要求分析儀在較寬的頻率范圍之內(nèi)，精度均能滿足一定的要求。

3、具備傅里葉變換功能，可以分離信號(hào)的基波和諧波。

射頻或微波功率計(jì)按照在測(cè)試系統(tǒng)中的連接方式不同，又可分為:

有終端式和通過式兩種。終端式功率計(jì)把功率計(jì)探頭作為測(cè)試系統(tǒng)的終端負(fù)載，功率計(jì)吸收全部待測(cè)功率，由功率指示器直接讀取功率值。通過式功率計(jì)，它是利用某種耦合裝置，如定向耦合器、耦合環(huán)、探針等從傳輸?shù)墓β手邪匆欢ǖ谋壤詈铣鲆徊糠止β?，送入功率?jì)度量，傳輸?shù)目偣β实扔诠β视?jì)指示值乘以比例系數(shù)。

射頻或微波功率計(jì)按的靈敏度和測(cè)量范圍分類

測(cè)熱電阻型功率計(jì)使用熱變電阻做功率傳感元件。熱變電阻值的溫度系數(shù)較大。被測(cè)信號(hào)的功率被熱變電阻吸收后產(chǎn)生熱量，使其自身溫度升高，電阻值發(fā)生顯著變化，利用電阻電橋測(cè)量電阻值的變化，顯示功率值。

熱電偶型功率計(jì)熱電偶型功率計(jì)中的熱偶結(jié)直接吸收高頻信號(hào)功率，結(jié)點(diǎn)溫度升高，產(chǎn)生溫差電勢(shì)，電勢(shì)的大小正比于吸收的高頻功率值。

量熱式功率計(jì)典型的熱效應(yīng)功率計(jì)，利用隔熱負(fù)載吸收高頻信號(hào)功率，使負(fù)載的溫度升高，再利用熱電偶元件測(cè)量負(fù)載的溫度變化量，根據(jù)產(chǎn)生的熱量計(jì)算高頻功率值。

晶體檢波式功率計(jì)晶體二極管檢波器將高頻信號(hào)變換為低頻或直流電信號(hào)。適當(dāng)選擇工作點(diǎn)，使檢波器輸出信號(hào)的幅度正比于高頻信號(hào)的功率。

按被測(cè)信號(hào)分類

有連續(xù)波功率計(jì)和脈沖峰值功率計(jì)。

技術(shù)指標(biāo)

變頻

用于變頻電量測(cè)量的功率計(jì)以下是變頻功率分析儀的典型技術(shù)指標(biāo)

帶寬:50kHz~100kHz;

采樣頻率:大于帶寬的2倍;

電壓、電流準(zhǔn)確級(jí):0.02級(jí)、0.05級(jí)、0.1級(jí)、0.2級(jí)、0.5級(jí);

功率準(zhǔn)確級(jí):0.05級(jí)、0.1級(jí)、0.2級(jí)、0.5級(jí)、1級(jí);

準(zhǔn)確級(jí)適用基波頻率范圍:DC，0.1Hz~400Hz;

準(zhǔn)確級(jí)適用電壓范圍:0.75%Un~150%Un;

準(zhǔn)確級(jí)適用電流范圍:1%In~200%In;

準(zhǔn)確級(jí)適用功率因數(shù)范圍:0.05~1。

射頻

以下是射頻功率計(jì)的典型技術(shù)指標(biāo)

功率范圍

保證測(cè)量精度的可測(cè)功率最大值和最小值范圍。功率計(jì)的功率范圍決定于功率探頭。

最大允許功率

探頭不被損壞的最大輸入功率值，通常指平均功率。在測(cè)量大功率峰值信號(hào)時(shí)，注意峰值電壓不能超過一定值，否則造成電壓擊穿。使用功率計(jì)時(shí)絕對(duì)不能測(cè)量大于允許功率值的信號(hào)，否則會(huì)造成功率探頭燒毀。

頻率范圍

能保證測(cè)量精度和性能指標(biāo)的被測(cè)信號(hào)的頻率范圍。

測(cè)量精度

指功率探頭校準(zhǔn)修正后的精度。不包括測(cè)試系統(tǒng)的失配誤差。

穩(wěn)定性

功率計(jì)的穩(wěn)定性取決于功率探頭的穩(wěn)定性和指示器的零漂及噪聲干擾。

響應(yīng)時(shí)間

也稱功率傳感元件的時(shí)間常數(shù)。通常指功率指示器上升到穩(wěn)定值的64%所需的時(shí)間。

探頭的型號(hào)、阻抗

選用功率計(jì)探頭時(shí)，功率探頭的使用頻率、功率范圍必須與被測(cè)信號(hào)一致，探頭傳輸線的結(jié)構(gòu)和阻抗應(yīng)與被測(cè)傳輸線相互匹配。

技術(shù)參數(shù)

頻率范圍 9KHz~110GHz(取決于傳感器)

功率范圍 -70~+44dBm

測(cè)量精度 絕對(duì)精度: (對(duì)數(shù))±0.02dB ;(線性)±0.5%

相對(duì)精度: (對(duì)數(shù))±0.04dB ; (線性)±1.0%

分辨率 對(duì)數(shù)方式:1.0 ;0.1 ;0.01 和 0.001 dB (默認(rèn)設(shè)置:0.01 dB)

線性方式:1~4位數(shù) (默認(rèn)設(shè)置:3位數(shù))

SWR 1.06最大值(選件003 可到1.08)

適用傳感器:E系列傳感器、8480系列傳感器

常見應(yīng)用 現(xiàn)場(chǎng)平均值功率測(cè)量(比如現(xiàn)場(chǎng)維修服務(wù))

保修及校準(zhǔn) 標(biāo)準(zhǔn)配置:全球3年保修和2年校準(zhǔn)周期

操作步驟

將探頭和主機(jī)通過電纜連接

開機(jī)預(yù)熱后將探頭接到主機(jī)校準(zhǔn)源，按校準(zhǔn)鍵校準(zhǔn)

校準(zhǔn)結(jié)束后將探頭取下，置入測(cè)試點(diǎn)頻率進(jìn)行測(cè)量

注意事項(xiàng)

使用前注意功率計(jì)和被測(cè)信號(hào)共地

注意探頭方向和量程的選擇

勿將功率計(jì)本該接天線的端口接在設(shè)備的射頻發(fā)射端，容易燒毀功率計(jì)

測(cè)量前注意利用校準(zhǔn)源校準(zhǔn)

使用功率計(jì)時(shí)頻率和被測(cè)頻率應(yīng)一致

當(dāng)測(cè)量功率小于-50dBm時(shí)應(yīng)在測(cè)試前校零

產(chǎn)品應(yīng)用光功率測(cè)量

用于測(cè)量絕對(duì)光功率或通過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，非常像電子學(xué)中的萬用表。在光纖測(cè)量中，光功率計(jì)是重負(fù)荷常用表。通過測(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。 針對(duì)用戶的具體應(yīng)用，要選擇適合的光功率計(jì)，應(yīng)該關(guān)注以下各點(diǎn):

1、選擇最優(yōu)的探頭類型和接口類型

2、評(píng)價(jià)校準(zhǔn)精度和制造校準(zhǔn)程序，與你的光纖和接頭要求范圍相匹配。

3、確定這些型號(hào)與你的測(cè)量范圍和顯示分辨率相一致。

4、具備直接插入損耗測(cè)量的 dB功能。

電氣試驗(yàn)

審核編輯 黃宇