乐真科技如何造就高速四位半高斯计/特斯拉计
仪器信息网 · 2011-04-11 17:35 · 35454 次点击
四位半高斯计以其1/30000量程的高分辨率为用户提供10倍于传统三位半产品的磁场解析能力。乐真科技的高斯计产品在此基础上大幅度提高磁场测量速度。20读数/s的测量速率有助于揭示实际磁场的微小波动,衡量磁场质量,从而为用户提供更具实际效果的磁测量能力,并突破市场上现有四位半产品低于3读数/s的测量速度瓶颈。
乐真科技使用以下措施实现高速四位半磁场测量能力:
1.低噪声霍尔探头
噪声是实现高分辨率测量的主要限制因素,并且在高速测量时一览无余。霍尔探头的噪声可划分为两部分,即零场噪声和高场噪声。
零场噪声由霍尔探头的电流激励产生,来源于探头内部杂质扩散或离子注入工艺产生的晶格缺陷。缺陷导致明显的散粒噪声,噪噪声频谱主要集中于10Hz以下的低频区域。在实际测量中表现为低磁场下高斯计末位读数的不等时跳动,而等时跳动通常来源于空间工频干扰。零场噪声的单位为高斯G。
高场噪声同样由晶格缺陷造成,但由测量过程中霍尔探头所承受的磁场激励和由此导致的磁场向电压的转换过程产生。高场噪声在低磁场下不明显,但在高于3000G的强磁场下,高场噪声由于电子与晶格缺陷之间的强烈作用而十分明显,并造成强磁场测量中读数末位不等时跳动。高场噪声通常表示为被测磁场的百分比,其频谱范围与零场噪声基本重叠。
零场噪声通常限制高斯计的绝对测量分辨率,例如0.1G或1G,而高场噪声则决定可能的最高读数分辨率,例如四位半或三位半,或者以量程表示为1/30000量程或1/2000量程。
霍尔探头的零场噪声通常低于1G,因此大多数高斯计均可提供1G的绝对分辨率。更高的绝对分辨率,例如0.1G,将要求更低的零场噪声,例如低于+/-0.1G,才可提供稳定的读数。
设计良好的霍尔探头高场噪声不大于0.005%。但在设计不周时则可能高达0.03%,并使得高斯计读数在磁场高于3000G即出现可见的1G噪声。0.03%的高场噪声对于三位半高斯计产品并无影响,0.03%尚低于三位半产品的1/2000量程之比例,例如20000G下,噪声为6G,而绝对分辨率,即末位1个字为10G。但在四位半产品中,磁场高于3000G时,0.03%的高场噪声即已显露,至20000G时高场噪声将对读数末位造成+/-个字的严重扰动而无法接受。
固然,采用简单的平均滤波方法可以抑制噪声的部分影响,但这种方法将显著降低高斯计的读数速率,使读数产生迟滞,并无法满足现代高速测量之需求。
因此,为达到四位半,即1/30000量程的有效分辨率,乐真科技将霍尔探头的高场噪声限制于0.003%以内,以保证在高至20读数/s的高速测量中尽可能消除高场噪声的影响,为测量者提供稳定的高场高分辨率读数。
2.精密且快速的测量电路
与电阻测量类似,基于霍尔相应的高斯计对磁场的测量实质为有源激励测量。根据霍尔效应原理,霍尔探头必须在一定电流激励下工作,并完成由磁场向电压的转换。因此高斯计内部测量电路可划分为提供有源激励的电流源和用于测量的电压表两部分。
由于探头零场噪声和高场噪声均在电流源激励下产生,因此电流源自身的纹波和噪声将同时导致表象读数上的假性零场噪声和高场噪声,并且在任意被测磁场下均有体现。
0.05%的激励电流噪声对三位半高斯计不产生任何可见的影响。但对于四位半产品,尤其在高于2000字读数的情形下,由于电流噪声通常来自于电路中的工频干扰,将造成读数末位的明显等时跳动,在最极端的30000字满量程时,跳动幅度将达到+/-15字。以30000G满量程为例,跳动为+/-15G。
激励电流噪声可通过平均滤波方法消除,但将降低测量速率。为满足四位半分辨率的高速磁场测量要求,乐真科技高斯计产品内部电流源的总噪声/纹波成分的有效值限制于0.003%以内,对磁场高速测量的噪声贡献即使在四位半分辨率和满量程测量时也可完全忽略。
电压表自身的噪声通常在磁场读数上表现为假性的零场噪声。此外,由于霍尔探头内部传感器具有相对较高的输出阻抗,电压表必须具有足够高的输入阻抗,以避免自身输入偏流造成的测量误差。为实现高速四位半测量,电压表还需具有足够高的有效分辨率,以及在此分辨率下具有足够高的测量速率。
传统表头式数显高斯计采用数字表头作为电压表,但常见数字表头的分辨率仅为三位半,或1/2000量程。即使使用四位半表头,其最高读数速率也仅为2.5读数/s,不足以提供足够高的测量速度。
乐真科技的高斯计使用微处理器控制的ADC构成四位半电压表,并同时提供20读数/s的快速测量能力。这种架构更突出的优势在于微处理器提供的计算机接口控制能力,例如F1205和F1215,从而更适应自动化测量系统要求,而数字表头型产品则很难提供这一功能。
此外,乐真科技程控高斯计中的电压表还进一步支持高级测量系统常用的外部触发测量功能。这些型号可在外部硬件触发信号控制下,测量触发时刻的磁场值。在需要高速测量的应用中,程控型号,例如F1205、F1206、F1208及其对应的交直流型号F1215、F1216和F1218,可根据外部触发信号的频率实现最高50读数/s高速率,同时保证四位半读数的高稳定性。速度稍低的F1207和F1217也可达到20读数/s的触发测量速率。