功率计的原理

功率计测量电功率的仪器。一般是指在直流和低频技术中测量功率的功率计，又可称为瓦特计。

功率计由功率传感器和功率指示器两部分组成。功率传感器也称功率计探头，它把高频电信号通过能量转换为可以直接检测的电信号。功率指示器包括信号放大、变换和显示器。显示器直接显示功率值。 功率传感器和功率指示器之间用电缆连接。为了适应不同频率、不同功率电平和不同传输线结构的需要，一台功率计要配若干个不同功能的功率计探头。

基本简介

功率计测量电功率的仪器。一般是指在直流和低频技术中测量功率的功率计，又可称为瓦特计。

功率计由功率传感器和功率指示器两部分组成。功率传感器也称功率计探头，它把高频电信号通过能量转换为可以直接检测的电信号。功率指示器包括信号放大、变换和显示器。显示器直接显示功率值。 功率传感器和功率指示器之间用电缆连接。为了适应不同频率、不同功率电平和不同传输线结构的需要，一台功率计要配若干个不同功能的功率计探头。

功率简介

功率是表征电信号特性的一个重要参数。功率计是测量电信号有功功率的仪表。

在直流和低频范围，可以通过测量电压和电流计算功率，功率的瞬时值可用下式表示:

计算公式

对于周期为T的周期信号，一个周期内的瞬时功率的平均值，称为有功功率。有功功率按下式计算:

计算公式

对于正弦电路，下式成立:

计算公式

上式中，U、I分别为正弦交流电的有效值，φ为电压与电流信号的相位差。

对于非正弦电路，假设U、I为交流电量n次谐波分量的有效值，φ为电压n次谐波分量与电流n次谐波分量的相位差，P为n次谐波分量的有功功率，上式仍然成立。当n=1时，P为基波有功功率。

在超高频和微波频段，有TEM波和非TEM波之分。在TEM波的同轴系统中，电压和电流虽有确切含意，但测量其绝对值很困难。在波导系统中，因为存在不同的电磁模式，电压和电流失去唯一性。在个频段和各传输系统中，功率是单值表征信号强度的重要方法。在射频范围直接测量功率代替了电压和电流的测量。

度量单位

功率定义为单位时间内所做的功。基本单位为瓦(W)，1W等于在1秒内做1焦耳的功。常用的功率单位还有兆瓦(1MW=10^6W)、千瓦(1KW=10^3W)、毫瓦(1mW=10-3W)、微瓦(1μW=10-6W)、皮瓦(1Pw=10-12W)。

另一种常用的功率单位以分贝毫瓦(dBm)表示。它以1毫瓦为基准电平P0=1mW，实际功率值P(mW)与P0比较后取对数。这是功率的绝对单位。

也可用分贝瓦(dBW)作为功率单位，此时P0=1W，即1 dBW=30 dBm。

功率计组成

功率计由功率传感器和功率指示器两部分组成。功率传感器也称功率计探头，它把高频电信号通过能量转换为可以直接检测的电信号。功率指示器包括信号放大、变换和显示器。显示器直接显示功率值。 功率传感器和功率指示器之间用电缆连接。为了适应不同频率、不同功率电平和不同传输线结构的需要，一台功率计要配若干个不同功能的功率计探头。

产品分类

根据被测信号频率，功率计可分为:直流功率计、工频功率计、变频功率计、射频功率计和微波功率计。

由于直流功率等于电压和电流的简单乘积，实际测量中，一般采用电压表和电流表替代。工频功率计是应用较普遍的功率计，常说的功率计一般都是指工频功率计。变频功率计是21世纪变频调速技术高速发展的产物。其测量对象为变频电量，变频电量是指用于传输功率的，并且满足下述条件之一的交流电量:

1、信号频谱仅包含一种频率成分，而频率不局限于工频的交流电信号。

常见变频电量波形及频谱

2、信号频谱包含两种或更多的被关注的频率成分的电信号。

变频电量包括电压、电流以及电压电流引出的有功功率、无功功率、视在功率、有功电能、无功电能等。

除了变频器输出的PWM波，二极管整流的变频器输入的电流波形，直流斩波器输出的电压波形，变压器空载的输入电流波形等，均含有较大的谐波，右图中为常见变频电量的波形及相关频谱图。

由于变频电量的频率成分复杂，变频功率计的测量一般包括基波有功功率(简称基波功率)、谐波有功功率(简称谐波功率)、总有功功率等，相比工频功率计而言，其功能较多，技术较复杂，一般称为变频功率分析仪或宽频功率分析仪，部分高精度功率分析仪也适用于变频电量测量。

变频功率分析仪可以作为工频功率分析仪使用，除此之外，一般还需满足下述要求:

1、满足必要的带宽要求，并且采样频率应高于仪器带宽的两倍。

2、要求分析仪在较宽的频率范围之内，精度均能满足一定的要求。

3、具备傅里叶变换功能，可以分离信号的基波和谐波。

射频或微波功率计按照在测试系统中的连接方式不同，又可分为:

有终端式和通过式两种。终端式功率计把功率计探头作为测试系统的终端负载，功率计吸收全部待测功率，由功率指示器直接读取功率值。通过式功率计，它是利用某种耦合装置，如定向耦合器、耦合环、探针等从传输的功率中按一定的比例耦合出一部分功率，送入功率计度量，传输的总功率等于功率计指示值乘以比例系数。

射频或微波功率计按的灵敏度和测量范围分类

测热电阻型功率计使用热变电阻做功率传感元件。热变电阻值的温度系数较大。被测信号的功率被热变电阻吸收后产生热量，使其自身温度升高，电阻值发生显著变化，利用电阻电桥测量电阻值的变化，显示功率值。

热电偶型功率计热电偶型功率计中的热偶结直接吸收高频信号功率，结点温度升高，产生温差电势，电势的大小正比于吸收的高频功率值。

量热式功率计典型的热效应功率计，利用隔热负载吸收高频信号功率，使负载的温度升高，再利用热电偶元件测量负载的温度变化量，根据产生的热量计算高频功率值。

晶体检波式功率计晶体二极管检波器将高频信号变换为低频或直流电信号。适当选择工作点，使检波器输出信号的幅度正比于高频信号的功率。

按被测信号分类

有连续波功率计和脉冲峰值功率计。

技术指标

变频

用于变频电量测量的功率计以下是变频功率分析仪的典型技术指标

带宽:50kHz~100kHz;

采样频率:大于带宽的2倍;

电压、电流准确级:0.02级、0.05级、0.1级、0.2级、0.5级;

功率准确级:0.05级、0.1级、0.2级、0.5级、1级;

准确级适用基波频率范围:DC，0.1Hz~400Hz;

准确级适用电压范围:0.75%Un~150%Un;

准确级适用电流范围:1%In~200%In;

准确级适用功率因数范围:0.05~1。

射频

以下是射频功率计的典型技术指标

功率范围

保证测量精度的可测功率最大值和最小值范围。功率计的功率范围决定于功率探头。

最大允许功率

探头不被损坏的最大输入功率值，通常指平均功率。在测量大功率峰值信号时，注意峰值电压不能超过一定值，否则造成电压击穿。使用功率计时绝对不能测量大于允许功率值的信号，否则会造成功率探头烧毁。

频率范围

能保证测量精度和性能指标的被测信号的频率范围。

测量精度

指功率探头校准修正后的精度。不包括测试系统的失配误差。

稳定性

功率计的稳定性取决于功率探头的稳定性和指示器的零漂及噪声干扰。

响应时间

也称功率传感元件的时间常数。通常指功率指示器上升到稳定值的64%所需的时间。

探头的型号、阻抗

选用功率计探头时，功率探头的使用频率、功率范围必须与被测信号一致，探头传输线的结构和阻抗应与被测传输线相互匹配。

技术参数

频率范围 9KHz~110GHz(取决于传感器)

功率范围 -70~+44dBm

测量精度 绝对精度: (对数)±0.02dB ;(线性)±0.5%

相对精度: (对数)±0.04dB ; (线性)±1.0%

分辨率 对数方式:1.0 ;0.1 ;0.01 和 0.001 dB (默认设置:0.01 dB)

线性方式:1~4位数 (默认设置:3位数)

SWR 1.06最大值(选件003 可到1.08)

适用传感器:E系列传感器、8480系列传感器

常见应用 现场平均值功率测量(比如现场维修服务)

保修及校准 标准配置:全球3年保修和2年校准周期

操作步骤

将探头和主机通过电缆连接

开机预热后将探头接到主机校准源，按校准键校准

校准结束后将探头取下，置入测试点频率进行测量

注意事项

使用前注意功率计和被测信号共地

注意探头方向和量程的选择

勿将功率计本该接天线的端口接在设备的射频发射端，容易烧毁功率计

测量前注意利用校准源校准

使用功率计时频率和被测频率应一致

当测量功率小于-50dBm时应在测试前校零

产品应用光功率测量

用于测量绝对光功率或通过一段光纤的光功率相对损耗。在光纤系统中，测量光功率是最基本的，非常像电子学中的万用表。在光纤测量中，光功率计是重负荷常用表。通过测量发射端机或光网络的绝对功率，一台光功率计就能够评价光端设备的性能。用光功率计与稳定光源组合使用，则能够测量连接损耗、检验连续性，并帮助评估光纤链路传输质量。 针对用户的具体应用，要选择适合的光功率计，应该关注以下各点:

1、选择最优的探头类型和接口类型

2、评价校准精度和制造校准程序，与你的光纤和接头要求范围相匹配。

3、确定这些型号与你的测量范围和显示分辨率相一致。

4、具备直接插入损耗测量的 dB功能。

电气试验

审核编辑 黄宇