在科研與工業(yè)生產(chǎn)的眾多領(lǐng)域，精確測量磁場強(qiáng)度至關(guān)重要。特斯拉計，又稱高斯計，是一種基于霍爾效應(yīng)原理測量磁場強(qiáng)度的儀器?；魻栃?yīng)是指當(dāng)電流垂直于外磁場通過導(dǎo)體時，載流子發(fā)生偏轉(zhuǎn)，垂直于電流和磁場的方向會產(chǎn)生一附加電場，從而在導(dǎo)體的兩端產(chǎn)生電勢差，特斯拉計中的霍爾元件正是利用這一特性實現(xiàn)磁場測量。它廣泛應(yīng)用于磁性材料生產(chǎn)、磁體質(zhì)量控制、磁體分選、電磁場控制、交流磁場測量、核磁及其他超導(dǎo)磁體測量、計量檢驗、科學(xué)研究等多個關(guān)鍵領(lǐng)域。

圖1 霍爾效應(yīng)示意圖，在激勵電流恒定的情況下，霍爾電壓VH正比于磁場強(qiáng)度B

傳統(tǒng)的特斯拉計在實際使用中存在諸多不便。市面上常見的特斯拉計在開機(jī)時往往需要預(yù)熱30分鐘或更長時間，并且在測量前需要將測試探頭校零，這種測量方式不僅耗費時間，還難以確保長時間磁場測量的準(zhǔn)確性。Lake Shore 重磅推出的F71/F41系列特斯拉計，為磁場測量帶來了全新解決方案。設(shè)備采用超卓的TruZero™技術(shù)及低溫度系數(shù)電子元件，有效實現(xiàn)快速、精準(zhǔn)、長時間穩(wěn)定測量，開啟了磁場精準(zhǔn)、高效測量的新時代。

圖2 F71特斯拉計

一、核心技術(shù)突破

1. 無需校零 精準(zhǔn)測量

傳統(tǒng)霍爾探頭中的偏移誤差主要由熱電效應(yīng)和傳感器觸點幾何位置不精準(zhǔn)引起，導(dǎo)致探頭產(chǎn)生“漂移”，影響測量的重復(fù)性。典型的霍爾探頭必須定期置于零高斯腔中校零，以消除偏移量。F71/F41系列特斯拉計搭載的TruZero™ 技術(shù)，無需進(jìn)行校零操作，即可快速、準(zhǔn)確地進(jìn)行無憂且長時間的測量，從根源上解決了這些問題。

TruZero™ 技術(shù)：

① FP 系列探頭中采用高度對稱且均勻的霍爾效應(yīng)傳感器，零場偏移電壓超低；

② 電纜使用特殊絕緣材料，確保介電性能；

③ 先進(jìn)的傳感器激勵 "spinning "技術(shù)，可在不同的測量配置之間逐步切換；

④ 板載算法可組合連續(xù)的霍爾電壓讀數(shù)，有效消除失調(diào)電壓和熱電效應(yīng)造成的偏移，同時降低閃爍噪聲，實現(xiàn)精準(zhǔn)讀數(shù)。

2. 無需預(yù)熱 即開即測

許多特斯拉和高斯計為穩(wěn)定內(nèi)部溫度，要求長達(dá)30 分鐘或以上的預(yù)熱時間。F71和F41特斯拉計采用具有低溫度系數(shù)的高穩(wěn)定性組件，從硬件層面消除了預(yù)熱需求。開機(jī)后，用戶可立即獲取準(zhǔn)確的讀數(shù)，在現(xiàn)場測量等場景中，無需考慮預(yù)熱因素，顯著提高了測量的及時性和便捷性。

圖3  F71和475特斯拉計的啟動時間示意對比

3. 主動溫度補(bǔ)償 穩(wěn)定輸出數(shù)據(jù)

霍爾傳感器的特性會隨溫度變化，導(dǎo)致霍爾電壓電平會產(chǎn)生輕微變化。雖然FP系列探頭中使用的霍爾傳感器本身具有一定的溫度穩(wěn)定性，但F71/F41 系列特斯拉計在此基礎(chǔ)上更進(jìn)一步，通過主動溫度補(bǔ)償優(yōu)化了這一特性。每個探頭頂端都集成一個溫度傳感器，可將溫度數(shù)據(jù)傳送到特斯拉計上。儀器根據(jù)這些讀數(shù)確定溫度偏移，并在標(biāo)準(zhǔn)工作場所環(huán)境溫度范圍內(nèi)對其進(jìn)行自動補(bǔ)償，確保數(shù)據(jù)測量不受溫度變化的干擾，可在各種工作條件下精確讀取現(xiàn)場讀數(shù)。

圖4 Lake ShoreFP系列探頭中霍爾傳感器的溫度VS靈敏度曲線

4. 人性化設(shè)計 如智能手機(jī)般便捷操作

F71 和 F41 特斯拉傳感器在操作設(shè)計上充分考慮用戶體驗，配備整潔的觸摸顯示屏和特殊的 TiltView™屏幕。其操作界面遵循智能手機(jī)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，圖標(biāo)、手勢和菜單樣式簡潔直觀。TiltView™允許用戶手動調(diào)整屏幕視角，從而在與觸摸屏交互時能夠獲得更清晰的視圖，提高準(zhǔn)確性。

圖5 觸控屏及可調(diào)傾角操作展示

二、嚴(yán)格技術(shù)驗證

為驗證TruZero™技術(shù)的可靠性，將F71 和 475特斯拉計置于溫控室中，兩個特斯拉計的探頭均放置在零高斯腔內(nèi)，其中，475高斯計的探頭在初始測試時已完成校零。在多個溫度循環(huán)下，對兩款特斯拉計的測試數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比。

圖6 F71和475特斯拉計測試示意

測試結(jié)果顯示，F(xiàn)71 特斯拉計的霍爾探頭憑借主動溫度補(bǔ)償功能，測試數(shù)據(jù)非常穩(wěn)定。F71特斯拉計測試初始值為0.47μT ，經(jīng)過5個多小時的多次熱沖擊后，數(shù)據(jù)依然保持在0.47μT；475 特斯拉計配套的霍爾探頭未配備溫度補(bǔ)償功能，其測試結(jié)果受溫度影響明顯，經(jīng)過相同時間和條件的熱沖擊后，475特斯拉計的測量值從最初的-1.3μT變?yōu)?3.2μT。實驗結(jié)果表明，F(xiàn)71特斯拉計在經(jīng)過長時間多次的熱沖擊后，只發(fā)生了輕微的零場漂移，而475特斯拉計的零場漂移較為顯著，F(xiàn)71特斯拉計具有超高的穩(wěn)定性和可靠性。

圖7 F71及475特斯拉計零場熱沖擊測試結(jié)果

三、豐富產(chǎn)品矩陣 滿足多元需求

Lake Shore為滿足不同用戶的多樣化需求，提供多款特斯拉計，除了具備創(chuàng)新性技術(shù)TruZero的F71/F41系列，還有475/425常規(guī)通用型號可供選擇。

	F71	F41	475	425
描述	多軸/單軸臺式機(jī)	單軸臺式機(jī)	單軸臺式機(jī)	單軸臺式機(jī)
探頭類型	多功能用于矢量或單軸測量	單軸測量	單軸測量	單軸測量
磁場范圍 (G)	1 mG ~ 350 kG	1 mG ~ 350 kG	1 mG ~ 350 kG	1 mG ~ 350 kG
頻率范圍 (Hz)	DC ~ 50 kHz	DC ~ 50 kHz	DC ~ 20 kHz	DC ~ 10 kHz
精度 @ 1 kG	1.5 G	1.5 G	4.9 G	9.2 G
TruZero™	■	■	—	—
交流濾波	先進(jìn)的	先進(jìn)的	先進(jìn)的	基礎(chǔ)的
磁場控制	選配	選配	■	—
報警閾值	■	■	■	■
脈沖管理	■	■	■	—
模擬輸出	■	■	■	■
驅(qū)動	LabVIEW™,   IVI.NET, Python	LabVIEW™,   IVI.NET, Python	LabVIEW™	LabVIEW™
評率	5英寸觸控屏	5英寸觸控屏	2行 LCD屏	2行 LCD屏
通訊	USB, 網(wǎng)口	USB, 網(wǎng)口	RS-232, GPIB	USB
便攜性	—	—	—	—
建議應(yīng)用
永磁體質(zhì)量控制	■	■	■	■
磁體分選	■	■	■	■
電磁鐵磁場控制	Best	Best	■	—
交流磁場測量	Best	Best	■	—
科學(xué)研究/系統(tǒng)	■	■	—	—

四、F71特斯拉計樣機(jī)體驗

QD中國科學(xué)實驗中心已引進(jìn)了F71特斯拉計，并配置了三軸探頭和單軸探頭。即日起，我們將對該設(shè)備感興趣的老師和同學(xué)開放預(yù)約體驗，歡迎大家蒞臨感受F71特斯拉計的創(chuàng)新技術(shù)和超卓性能。

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