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石英鐘

來自網絡的圖片

石英鐘是一種計時器具。提起時鐘大家都很熟悉,它是給我們指明時間的一種計時器具。在日常生活中,時鐘准到1秒,就已經足夠了。

但在許多科學研究或工程技術的領域中對鐘點的要求就要高得多。石英鐘正是根據這種需要而產生的。

它的主要部件是一個很穩定的石英振盪器。將石英振盪器所產生的振盪頻率取出來。使它帶動時鐘指示時間這就是石英鐘。最好的石英鐘,每天的計時能准到十萬分之一秒,也就是經過差不多270年才差1秒。但在科學發達的今天,這種石英鐘已被比它還要精確得多的其他類型的時鐘(比如電波表)所替代。

目錄

原理

石英晶體的傳感器的核心是傳感元件——壓電石英晶片。其工作原理是壓電效應,即石英晶體在某些方向受到機械應力後,便會產生電偶極子,相反, 若在石英某方向施以電壓,則其特定方向上會產生形變,這一現象稱為逆壓電效應。若在石英晶體上施加交變電場,則晶體晶格將產生機械振動,當外加電場的頻率和晶體的固有振盪頻率一致時,則出現晶體的諧振。由於石英晶體在壓力下產出的電場強度很小,這樣僅需很弱的外加電場即可產生形變,這一特性使壓電石英晶體很容易在外加交變電場激勵下產生諧振。其振盪能量損耗小,振盪頻率極穩定。這些再加上石英優良的機械、電氣和化學穩定性,使它自40年代以來就成為石英鐘、電子表、電話、電視、計算機等與數字電路有關的頻率基準元件。

石英晶體具有一個有趣的特性,就是在一側導入正電流,同時在另一側導入負電流後,負電流一側會收縮並彎曲成U字形。如果定時交替在石英晶體兩側導入正、負電流,石英晶體就會產生振盪。石英晶體就是根據這種振盪計時的。個人電腦內置的石英晶體每秒振盪1431萬8180次。石英鐘的工作原理就是如此。

缺點

問題就在於石英晶體在品質上存在缺陷,品質差就很難按照正確的振盪數振盪。天然石英晶體的雜質含量和形態等大多並不統一,因此就要使用人造石英晶體。不過,均勻地進行石英生產難度很大。精度高則每秒誤差在正負10萬分之一秒以內,精度低每秒誤差甚至達到1萬分之一秒。1萬分之一秒也許感覺並不大,但是從計算上來講,每天的誤差就是0.864秒,而1個月則會差約半分鐘。石英手錶不准也是這個原因。

種類

電波鐘表,也稱為無線控制計時鐘表(英文名稱為:Radio controlled timepieces)。電波鐘表作為一個系統的技術原理是:首先,由標準時間授時中心將標準時間信號進行編碼(商業碼則進行加密),利用低頻(20KHz——80KHz)載波方式將時間信號以無線電長波發播出去。電波鐘表通過內置微型無線電接收系統接受該低頻無線電時碼信號,由專用集成芯片進行時碼信號解調,再由計時裝置內設的控制機構自動調節鐘錶的計時。通過這樣一個技術過程,使得所有接收該標準時間信號的鐘表(或其他計時裝置)都與標準時間授時中心的標準時間保持高度同步,進而全部電波鐘表顯示嚴格一致的時間。電子鐘錶的工作原理是根據「電生磁、磁生電」的物理現象設計而成。即由電能轉換為磁能,再由磁能轉換為機械能,帶動時分針運轉,達到計時目的。

1、晶體管擺輪鍾 以乾電池為能源,用晶體管作為開關,擺輪遊絲為振盪系統,統一機芯為J1型,外形與普通鬧鐘一樣。

2、晶體鬧鐘 與晶體管擺輪鍾一樣性能,加上一個由電能供給的鬧時裝置。

3、晶體管擺鐘 用電子電路控制擺作為振盪元件,外形與機械擺鐘相似。

4、石英鐘 用「石英晶體」作為振盪器,通過電子分頻去控制馬達運轉,帶動指針。走時精度很高。品種有台鐘、掛鍾、日曆鍾、鬧鐘、音樂鍾、落地鍾,也有汽車鍾、艦船鐘、天文鐘等各種技術用鍾。

5、數顯鍾 也用石英晶體作為振盪器,直接用發光管或液晶顯示時間,不用機械傳動。具有時、分、秒、日曆、周曆、月曆等多種功能

6、電子表 以電池為能源代替發條,不用手上弦,有多種結構,外形同機械手錶,統稱電子手錶,根據結構形式與發明的先後,電子表分為四代:

第一代是擺輪遊絲電子手錶,是以擺輪遊絲作為振盪器,以微型電池為能源,通過電子線路驅動擺輪工作。

第二代是音叉電子手錶,是以金屬音叉作為振盪器,用電子線路輸出脈衝電流,使機械音叉振動。 第三代是指針式石英電子手錶,是利用石英諧振器作為振盪器,通過電子分頻器後驅動步進馬達帶動輪系和指針。

第四代是數字式石英電子表,它也是採用石英諧振器作為振盪器,不同的是它經過分頻、計數和譯碼後利用顯示器件以數字的形式來顯示時間。 前三代電子手錶均帶有傳統的機械指針機構,而第四代採用大規模集成電路,完全脫離了傳統的機械結構的全電子手錶。種類不同,原理不同,但萬變不離其宗。[1]

參考文獻