在科研與工業(yè)生產的眾多領域，精確測量磁場強度至關重要。特斯拉計，又稱高斯計，是一種基于霍爾效應原理測量磁場強度的儀器?；魻栃侵府旊娏鞔怪庇谕獯艌鐾ㄟ^導體時，載流子發(fā)生偏轉，垂直于電流和磁場的方向會產生一附加電場，從而在導體的兩端產生電勢差，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。它廣泛應用于磁性材料生產、磁體質量控制、磁體分選、電磁場控制、交流磁場測量、核磁及其他超導磁體測量、計量檢驗、科學研究等多個關鍵領域。

圖1 霍爾效應示意圖，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時往往需要預熱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。設備采用超卓的TruZero™技術及低溫度系數(shù)電子元件，有效實現(xiàn)快速、精準、長時間穩(wěn)定測量，開啟了磁場精準、高效測量的新時代。

圖2 F71特斯拉計

一、核心技術突破

1. 無需校零 精準測量

傳統(tǒng)霍爾探頭中的偏移誤差主要由熱電效應和傳感器觸點幾何位置不精準引起，導致探頭產生“漂移”，影響測量的重復性。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，無需進行校零操作，即可快速、準確地進行無憂且長時間的測量，從根源上解決了這些問題。

TruZero™ 技術：

① FP 系列探頭中采用高度對稱且均勻的霍爾效應傳感器，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 先進的傳感器激勵 "spinning "技術，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)，有效消除失調電壓和熱電效應造成的偏移，同時降低閃爍噪聲，實現(xiàn)精準讀數(shù)。

2. 無需預熱 即開即測

許多特斯拉和高斯計為穩(wěn)定內部溫度，要求長達30 分鐘或以上的預熱時間。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熱需求。開機后，用戶可立即獲取準確的讀數(shù)，在現(xiàn)場測量等場景中，無需考慮預熱因素，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，導致霍爾電壓電平會產生輕微變化。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上更進一步，通過主動溫度補償優(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，并在標準工作場所環(huán)境溫度范圍內對其進行自動補償，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. 人性化設計 如智能手機般便捷操作

F71 和 F41 特斯拉傳感器在操作設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技術標準，圖標、手勢和菜單樣式簡潔直觀。TiltView™允許用戶手動調整屏幕視角，從而在與觸摸屏交互時能夠獲得更清晰的視圖，提高準確性。

圖5 觸控屏及可調傾角操作展示

二、嚴格技術驗證

為驗證TruZero™技術的可靠性，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，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)進行了對比。

圖6 F71和475特斯拉計測試示意

測試結果顯示，F(xiàn)71 特斯拉計的霍爾探頭憑借主動溫度補償功能，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償功能，其測試結果受溫度影響明顯，經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。實驗結果表明，F(xiàn)71特斯拉計在經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果

三、豐富產品矩陣 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	單軸臺式機	單軸臺式機	單軸臺式機
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	先進的	先進的	先進的	基礎的
磁場控制	選配	選配	■	—
報警閾值	■	■	■	■
脈沖管理	■	■	■	—
模擬輸出	■	■	■	■
驅動	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	—	—	—	—
建議應用
永磁體質量控制	■	■	■	■
磁體分選	■	■	■	■
電磁鐵磁場控制	Best	Best	■	—
交流磁場測量	Best	Best	■	—
科學研究/系統(tǒng)	■	■	—	—

四、F71特斯拉計樣機體驗

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

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