无需校零还能精准测量？Lake Shore F71/F41 特斯拉计为您揭晓答案！
发布日期：2025-02-06
在科研与工业生产的众多领域，精确测量磁场强度至关重要。特斯拉计，又称高斯计，是一种基于霍尔效应原理测量磁场强度的仪器。霍尔效应是指当电流垂直于外磁场通过导体时，载流子发生偏转，垂直于电流和磁场的方向会产生一附加电场，从而在导体的两端产生电势差，特斯拉计中的霍尔元件正是利用这一特性实现磁场测量。它广泛应用于磁性材料生产、磁体质量控制、磁体分选、电磁场控制、交流磁场测量、核磁及其他超导磁体测量、计量检验、科学研究等多个关键领域。
图1 霍尔效应示意图，在激励电流恒定的情况下，霍尔电压VH正比于磁场强度B
传统的特斯拉计在实际使用中存在诸多不便。市面上常见的特斯拉计在开机时往往需要预热30分钟或更长时间，并且在测量前需要将测试探头校零，这种测量方式不仅耗费时间，还难以确保长时间磁场测量的准确性。Lake Shore 重磅推出的F71/F41系列特斯拉计，为磁场测量带来了全新解决方案。设备采用超卓的TruZero™技术及低温度系数电子元件，有效实现快速、精准、长时间稳定测量，开启了磁场精准、高效测量的新时代。
图2 F71特斯拉计
一、核心技术突破
1. 无需校零 精准测量
传统霍尔探头中的偏移误差主要由热电效应和传感器触点几何位置不完美引起，导致探头产生“漂移”，影响测量的重复性。典型的霍尔探头必须定期置于零高斯腔中校零，以消除偏移量。F71/F41系列特斯拉计搭载的TruZero™ 技术，无需进行校零操作，即可快速、准确地进行无忧且长时间的测量，从根源上解决了这些问题。
TruZero™ 技术：
① FP 系列探头中采用高度对称且均匀的霍尔效应传感器，零场偏移电压超低；
② 电缆使用特殊绝缘材料，确保极佳的介电性能；
③ 先进的传感器激励 "spinning "技术，可在不同的测量配置之间逐步切换；
④ 板载算法可组合连续的霍尔电压读数，有效消除失调电压和热电效应造成的偏移，同时降低闪烁噪声，实现精准读数。
2. 无需预热 即开即测
许多特斯拉和高斯计为稳定内部温度，要求长达30 分钟或以上的预热时间。F71和F41特斯拉计采用具有低温度系数的高稳定性组件，从硬件层面消除了预热需求。开机后，用户可立即获取准确的读数，在现场测量等场景中，无需考虑预热因素，显著提高了测量的及时性和便捷性。
图3 F71和475特斯拉计的启动时间示意对比
3. 主动温度补偿 稳定输出数据
霍尔传感器的特性会随温度变化，导致霍尔电压电平会产生轻微变化。虽然FP系列探头中使用的霍尔传感器本身具有一定的温度稳定性，但F71/F41 系列特斯拉计在此基础上更进一步，通过主动温度补偿优化了这一特性。每个探头顶端都集成一个温度传感器，可将温度数据传送到特斯拉计上。仪器根据这些读数确定温度偏移，并在标准工作场所环境温度范围内对其进行自动补偿，确保数据测量不受温度变化的干扰，可在各种工作条件下精确读取现场读数。
图4 Lake ShoreFP系列探头中霍尔传感器的温度VS灵敏度曲线
4. 人性化设计 如智能手机般便捷操作
F71 和 F41 特斯拉传感器在操作设计上充分考虑用户体验，配备整洁的触摸显示屏和特殊的 TiltView™屏幕。其操作界面遵循智能手机技术标准，图标、手势和菜单样式简洁直观。TiltView™允许用户手动调整屏幕视角，从而在与触摸屏交互时能够获得更清晰的视图，提高准确性。
图5 触控屏及可调倾角操作展示
二、严格技术验证
为验证TruZero™技术的可靠性，将F71 和 475特斯拉计置于温控室中，两个特斯拉计的探头均放置在零高斯腔内，其中，475高斯计的探头在初始测试时已完成校零。在多个温度循环下，对两款特斯拉计的测试数据进行了对比。
图6 F71和475特斯拉计测试示意
测试结果显示，F71 特斯拉计的霍尔探头凭借主动温度补偿功能，测试数据非常稳定。F71特斯拉计测试初始值为0.47μT ，经过5个多小时的多次热冲击后，数据依然保持在0.47μT；475 特斯拉计配套的霍尔探头未配备温度补偿功能，其测试结果受温度影响明显，经过相同时间和条件的热冲击后，475特斯拉计的测量值从最初的-1.3μT变为-3.2μT。实验结果表明，F71特斯拉计在经过长时间多次的热冲击后，只发生了轻微的零场漂移，而475特斯拉计的零场漂移较为显著，F71特斯拉计具有超高的稳定性和可靠性。
图7 F71及475特斯拉计零场热冲击测试结果
三、丰富产品矩阵 满足多元需求
Lake Shore为满足不同用户的多样化需求，提供多款特斯拉计，除了具备创新性技术TruZero的F71/F41系列，还有475/425常规通用型号可供选择。
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描述 | 多轴/单轴台式机 | 单轴台式机 | 单轴台式机 | 单轴台式机 |
探头类型 | 多功能用于矢量或单轴测量 | 单轴测量 | 单轴测量 | 单轴测量 |
磁场范围 (G) | 1 mG ~ 350 kG | 1 mG ~ 350 kG | 1 mG ~ 350 kG | 1 mG ~ 350 kG |
频率范围 (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™ | ■ | ■ | — | — |
交流滤波 | 先进的 | 先进的 | 先进的 | 基础的 |
磁场控制 | 选配 | 选配 | ■ | — |
报警阈值 | ■ | ■ | ■ | ■ |
脉冲管理 | ■ | ■ | ■ | — |
模拟输出 | ■ | ■ | ■ | ■ |
驱动 | LabVIEW™, IVI.NET, Python | LabVIEW™, IVI.NET, Python | LabVIEW™ | LabVIEW™ |
评率 | 5英寸触控屏 | 5英寸触控屏 | 2行 LCD屏 | 2行 LCD屏 |
通讯 | USB, 网口 | USB, 网口 | RS-232, GPIB | USB |
便携性 | — | — | — | — |
建议应用 | ||||
永磁体质量控制 | ■ | ■ | ■ | ■ |
磁体分选 | ■ | ■ | ■ | ■ |
电磁铁磁场控制 | Best | Best | ■ | — |
交流磁场测量 | Best | Best | ■ | — |
科学研究/系统 | ■ | ■ | — | — |
四、F71特斯拉计样机体验
QD中国科学实验中心已引进了F71特斯拉计，并配置了三轴探头和单轴探头。即日起，我们将对该设备感兴趣的老师和同学开放预约体验，欢迎大家莅临感受F71特斯拉计的创新技术和超卓性能。
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