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石英钟 编辑

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石英钟

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石英钟和石英表是使用由石英晶体调节的电子振荡器来计时的钟表。这种晶体振荡器产生具有非常精确的信号频率,使得石英时钟和手表是至少一个数量级比更精确的机械钟表。通常,某种形式的数字逻辑会对该信号的周期进行计数并提供数字时间显示,通常以小时、分钟和秒为单位。

世界上xxx个石英钟是由WarrenMarrison和J.W.Horton在1927年在贝尔电话实验室制造的。然而,世界上xxx只石英表于1969年12月由日本制表商Seiko以Astron的名义推出。自1980年代以来,当固态数字电子设备的出现使它们变得紧凑且廉价计时员已成为世界上最广泛使用的计时技术,在大多数时钟和使用的手表,以及计算机和保持时间等家电产品。

石英钟的原理

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从化学上讲,石英是一种特殊形式的化合物,称为二氧化硅。许多材料可以制成会产生共振的板。然而,石英也是一种压电材料:也就是说,当石英晶体受到机械应力(例如弯曲)时,它会在某些平面上积聚电荷。相反,如果将电荷放置在晶体平面上,石英晶体会弯曲。由于石英可以由电信号直接驱动(弯曲),因此无需额外的换能器即可在谐振器中使用它。低端留声机采用类似晶体墨盒:手写笔(针)的运动使石英晶体弯曲,产生小电压,该电压被放大并通过扬声器播放。石英麦克风仍然可用,但并不常见。

石英还有一个优点,它的尺寸不会随着温度的波动而发生很大的变化。熔融石英通常用于不能随温度改变形状的实验室设备。石英板的共振频率,基于其尺寸,不会显着上升或下降。同样,由于其谐振器不会改变形状,因此石英钟会随着温度的变化而保持相对准确。

在20世纪初,无线电工程师寻求精确、稳定的无线电频率源,并首先使用钢谐振器。然而,当WalterGuytonCady发现石英可以用更少的设备和更好的温度稳定性产生共振时,钢质共振器在几年内就消失了。后来,美国国家标准与技术研究院(当时的美国国家标准局)的科学家发现晶体振荡器可能比摆钟更准确。

石英钟

电子电路是一个振荡器,一个放大器,其输出通过石英谐振器。谐振器充当电子滤波器,消除所有感兴趣的频率。谐振器的输出反馈到放大器的输入,谐振器确保振荡器以感兴趣的确切频率“啸叫”。当电路通电时,单次散粒噪声(电子电路中始终存在)可以级联使振荡器以所需频率振荡。如果放大器完全没有噪声,振荡器就不会启动。

晶体振荡的频率取决于其形状、尺寸和切割石英的晶面。放置电极的位置也可以稍微改变调谐。如果晶体的形状和定位准确,它将以所需的频率振荡。在几乎所有石英表中,频率都是32768Hz,并且晶体在特定晶面上被切割成小音叉形状。该频率是2的幂(32768=215),高到足以超过人类的听觉范围,但又低到足以让廉价的计数器产生1秒的脉冲。由频率驱动的15位二进制数字计数器将每秒溢出一次,每秒产生一次数字脉冲。每秒脉冲输出可用于驱动多种时钟。

尽管石英的热膨胀系数非常低,但温度变化是晶体振荡器频率变化的主要原因。降低温度对振荡速率影响最明显的方法是将晶体保持在恒定温度。对于实验室级振荡器,使用恒温晶体振荡器,其中晶体被保存在一个非常小的恒温箱中。然而,这种方法对于消费者石英钟和手表机芯是不切实际的。

消费级时钟晶体的晶面和调谐旨在将其对频率的影响降至最低温度敏感性,并在约25至28°C(77至82°F)下运行最佳。在该温度下,晶体以最快的速度振荡。较高或较低的温度将导致-0.035ppm/°C2(较慢)振荡速率。因此,±1°C的温度偏差将导致(±1)2×−0.035ppm=−0.035ppm的速率变化,这相当于每年−1.1秒。相反,如果晶体经历±10°C的温度偏差,则速率变化将为(±10)2×-0.035ppm=-3.5ppm,相当于每年-110秒。

石英表制造商使用简化版的恒温晶体振荡器方法,建议定期佩戴他们的手表以确保最佳性能。经常佩戴石英表可显着降低环境温度波动的幅度,因为设计正确的表壳形成了一个方便的水晶炉,利用人体的稳定温度将水晶保持在最准确的温度范围内。

石英钟机制

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在现代石英钟中,石英晶体谐振器或振荡器呈小音叉(XY切割)的形状,经过激光微调或精密研磨以在32768赫兹。该频率等于每秒215个周期。选择2的幂,这样一个简单的数字2分频级链就可以得到驱动手表秒针所需的1Hz信号。在大多数时钟中,谐振器采用小罐或扁平封装,长约4毫米。这32768赫兹共振器由于手表低频晶体的大的物理尺寸和大的电流消耗之间的折衷变得如此普遍的高频晶体,这降低了的寿命手表电池。在70年代期间,引入的金属-氧化物-半导体(MOS)集成电路允许从单个12个月的电池寿命硬币电池驱动为机械时菜夫特型型步进电机,一个平滑扫非步进马达,或一个液晶显示器(在液晶数字手表中)。发光二极管用于手表的(LED)显示屏由于电池消耗相对较高而变得很少见。

石英钟的历史

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美国标准局(现为NIST)的四个精密100kHz石英振荡器,于1929年成为美国的xxx个石英频率标准。保存在温控烤箱中,以防止由于大石英的热膨胀或收缩引起的频率漂移谐振器(安装在单元顶部的玻璃圆顶下方)它们达到了10-7的精度,在4个月内大约有1秒的误差。二战后制造的xxx只瑞士石英钟在拉绍德封的国际钟表博物馆展出。

石英压电特性被发现雅克和皮埃尔·居里在1880年的xxx个石英晶体振荡器是由建沃尔特G.卡迪在1921年1923年,DW染料在国家物理实验室在英国和沃伦·马里森在贝尔电话实验室用石英振荡器产生精确的时间信号序列。1927年,xxx台石英钟由贝尔电话实验室的WarrenMarrison和J.W.Horton制造。在接下来的30年里,石英钟发展成为实验室环境中的精确时间标准;用真空管制造的笨重精密计数电子设备限制了它们在其他地方的使用。1932年,石英钟能够测量地球自转速度在短短几周内的微小变化。1932年在日本,IssacKoga开发了一种晶体切割,它提供了xxx降低温度依赖性的振荡频率。美国国家标准局(现在的NIST)在1930年代和1960年代之间将美国的时间标准基于石英钟,之后它过渡到原子钟。石英时钟技术的更广泛应用不得不等待1960年代廉价半导体数字逻辑的发展。大英百科全书第14版修订版[什么时候?]表示石英钟可能永远不会负担得起在国内使用。

世界上xxx台样机模拟石英手表,揭示在1967年:在Beta1中揭示的中心电子展览会艺术品的(CEH)在纳沙泰尔瑞士,和原型天文学揭示精工日本(精工一直在努力石英钟自1958年以来)。

1969年12月,精工生产了世界上xxx款商用石英腕表,精工石英Astron35SQ,现已荣获IEEE里程碑。Astron有一个频率为8192Hz的石英振荡器,精确到每天0.2秒、每月5秒或每年1分钟。Astron是在SwissBeta21推出前不到一年发布的,Beta21由16家瑞士手表制造商开发,并被劳力士、百达翡丽和欧米茄用于他们的电石英表款。从那时起,石英钟和手表的固有准确性和低成本生产导致了其激增。到1980年代,石英技术已经接管了厨房等应用计时器、闹钟、银行金库时间锁和弹药上的时间引信,来自早期的机械摆轮运动,在制表业中被称为石英危机。

自1980年代以来,石英时计一直主导着手表和时钟市场。由于石英晶体的高Q因数和低温度系数,它们比最好的机械时计更准确,而且消除了所有运动部件,使它们更加坚固,无需定期维护。

挂在墙上的石英钟

商用模拟和数字挂钟于2014年面世,它们使用双炉石英振荡器,精度可达0.2ppb。这些时钟在工厂与原子时标准同步,通常在时钟的使用寿命内不需要任何进一步的时间调整。


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  1. 石英钟
  2. 石英钟的原理
  3. 石英钟机制
  4. 石英钟的历史
  5. 挂在墙上的石英钟

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