Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Базовые кварцевые часы

Кварцевые часы и кварцевые часы - это часы, в которых для измерения времени используется электронный генератор, регулируемый кварцевым кристаллом. Этот кварцевый генератор создает сигнал с очень точной частотой , поэтому кварцевые часы и часы по крайней мере на порядок точнее механических часов . Как правило, некоторая форма цифровой логики подсчитывает циклы этого сигнала и обеспечивает числовое отображение времени , обычно в часах, минутах и ​​секундах.

Первые в мире кварцевые часы были построены в 1927 году Уорреном Маррисоном и Дж. У. Хортоном в Bell Telephone Laboratories . Однако первые в мире кварцевые часы были представлены японской часовой компанией Seiko под названием Astron в декабре 1969 года. [1] [2] С 1980-х годов, когда появление твердотельной цифровой электроники позволило сделать их компактными и недорогими, кварцевые Хронометры стали самой широко используемой в мире технологией хронометража, используемой в большинстве часов, а также в компьютерах и других устройствах, отслеживающих время.

Объяснение [ править ]

Химически кварц представляет собой особую форму соединения, называемого диоксидом кремния . Из многих материалов можно сделать пластины, которые будут резонировать . Однако кварц также является пьезоэлектрическим материалом : то есть, когда кристалл кварца подвергается механическому воздействию, например изгибу, он накапливает электрический заряд в некоторых плоскостях. И наоборот, если заряды помещаются поперек плоскости кристалла, кристаллы кварца изгибаются. Поскольку кварц может непосредственно приводиться в движение (изгибаться) электрическим сигналом, для его использования в резонаторе не требуется дополнительных преобразователей . Подобные кристаллы используются в фонографах низкого уровня.картриджи: движение стилуса (иглы) изгибает кристалл кварца, который производит небольшое напряжение, которое усиливается и воспроизводится через динамики. Кварцевые микрофоны все еще доступны, хотя и не распространены. [ необходима цитата ]

Кварц имеет еще одно преимущество в том, что его размер не сильно меняется при колебаниях температуры . Плавленый кварц часто используется в лабораторном оборудовании, форма которого не должна изменяться при изменении температуры. Резонансная частота кварцевой пластины в зависимости от ее размера не будет значительно повышаться или понижаться. Точно так же, поскольку его резонатор не меняет форму, кварцевые часы будут оставаться относительно точными при изменении температуры.

Первые европейские кварцевые часы для потребителей "Astrochron", Junghans , Schramberg, 1967 ( Немецкий музей часов , инв. 1995-603)
Первый кварцевый механизм наручных часов, используемый в Seiko Astron , Calibre 35A, Nr. 00234, Сейко, Япония, 1969 ( Немецкий музей часов , инв. 2010-006)

В начале 20 века радиоинженеры искали точный, стабильный источник радиочастот и сначала начали со стальных резонаторов. Однако, когда Уолтер Гайтон Кэди обнаружил, что кварц может резонировать с меньшим количеством оборудования и с лучшей температурной стабильностью, стальные резонаторы исчезли в течение нескольких лет. Позже ученые из Национального института стандартов и технологий (тогда еще Национального бюро стандартов США) обнаружили, что кварцевый генератор может быть более точным, чем маятниковые часы .

Электронная схема представляет собой генератор , усилитель , выход которого проходит через кварцевый резонатор. Резонатор действует как электронный фильтр , устраняя все, кроме одной интересующей частоты. Выход резонатора возвращается на вход усилителя, и резонатор гарантирует, что осциллятор «воет» с точной интересующей частотой. Когда на схему подается питание, одиночный всплеск дробового шума (всегда присутствующий в электронных схемах) может каскадом привести к генерации колебаний с желаемой частотой. Если бы усилитель был абсолютно бесшумным, генератор не запускался бы.

Частота колебаний кристалла зависит от его формы, размера и плоскости кристалла, на которой кварц режется. Положения электродов также могут немного изменить настройку. Если кристалл правильно сформирован и расположен, он будет колебаться с желаемой частотой. Почти во всех кварцевых часах частота равна32 768  Гц , [3] и кристалл вырезан в форме небольшой камертона на определенной плоскости кристалла. Эта частота является степенью двойки (32 768 = 2 15 ), достаточно высокой, чтобы превышать диапазон человеческого слуха , но достаточно низкой, чтобы позволить недорогим счетчикам определять 1-секундный импульс. [4] 15-битный двоичный цифровой счетчик, управляемый частотой, будет переполняться один раз в секунду, создавая цифровой импульс один раз в секунду. Выход импульсов в секунду можно использовать для управления многими видами часов.

Хотя кварц имеет очень низкий коэффициент теплового расширения , изменения температуры являются основной причиной изменения частоты в кварцевых генераторах. Наиболее очевидный способ уменьшить влияние температуры на частоту колебаний - поддерживать постоянную температуру кристалла. Для лабораторных генераторов используется кварцевый генератор, управляемый печью , в котором кристалл содержится в очень маленькой печи, в которой поддерживается постоянная температура. Однако этот метод непрактичен для потребительских кварцевых часов и механизмов наручных часов.

Кристаллические плоскости и настройка часового кристалла потребительского уровня рассчитаны на минимальную температурную чувствительность с точки зрения их влияния на частоту и лучше всего работают при температуре от 25 до 28 ° C (от 77 до 82 ° F). При этой температуре кристалл колеблется максимально быстро. Более высокая или более низкая температура приведет к скорости колебаний -0,035  ppm / ° C 2 (более медленной). Таким образом, отклонение температуры ± 1 ° C будет составлять (± 1) 2 × -0,035 ppm = -0,035 ppm, что эквивалентно -1,1 секунды в год. Если вместо этого кристалл испытывает отклонение температуры ± 10 ° C, то изменение скорости будет (± 10) 2 × -0,035 ppm = -3,5 ppm, что эквивалентно -110 секундам в год.

Производители кварцевых часов используют упрощенную версию метода кварцевого генератора с духовым управлением, рекомендуя регулярно носить свои часы для обеспечения наилучшей производительности. Регулярное ношение кварцевых часов значительно снижает величину колебаний температуры окружающей среды, поскольку правильно спроектированный корпус часов образует подходящую кристаллическую печь, которая использует стабильную температуру человеческого тела, чтобы поддерживать кристалл в наиболее точном температурном диапазоне.

Механизм [ править ]

Базовый кварцевый механизм наручных часов. Внизу справа: кварцевый кварцевый генератор , слева: кнопка ячейки часы батареи, в правом верхнем углу: счетчик генератора, вверху слева: на катушку от шагового двигателя , который питает часы руки.
Изображение кварцевого резонатора, используемого в качестве компонента хронометража в кварцевых часах и часах, со снятым корпусом. Он сформирован в виде камертона. Большинство таких кристаллов кварцевых часов колеблются с частотой32 768  Гц .

В современных кварцевых часах резонатор или генератор из кварцевого кристалла имеет форму небольшой камертонной вилки ( XY-срез ), с лазерной подстройкой или прецизионной притиркой для вибрации при32 768  Гц . Эта частота равна 2 15 циклам в секунду. Степень 2 выбрана таким образом, чтобы простая цепочка этапов цифрового деления на 2 могла получить сигнал частотой 1 Гц, необходимый для управления секундной стрелкой часов. В большинстве часов резонатор находится в небольшой банке или плоской упаковке длиной около 4 мм. ВРезонатор 32 768  Гц стал настолько распространенным из-за компромисса между большим физическим размером низкочастотных кристаллов для часов и большим потреблением тока высокочастотными кристаллами, что сокращает срок службы батареи часов . В течение 1970-х годов появление интегральных схем металл-оксид-полупроводник (МОП) позволило обеспечить 12-месячный срок службы батареи от одного монетного элемента при приводе в действие либо механического шагового двигателя типа Лаве , либо плавно подметающего нешагового двигателя, либо жидкокристаллический дисплей (в цифровых часах LCD). Светодиод (LED) дисплеи для часов стали редкостью из-за их сравнительно большого расхода заряда батареи.

Основная формула для расчета основной частоты ( f ) колебаний кантилевера в зависимости от его размеров (квадратичное сечение): [5]

куда

1,875104 (округлено) - наименьшее положительное решение уравнения cos ( x ) ch ( x ) = −1, [6]
l - длина кантилевера,
а - его толщина по направлению движения,
E - его модуль Юнга ,
ρ - его плотность .

Кантилевер из кварца ( E = 10 11  Н / м 2 = 100  ГПа и ρ = 2634  кг / м 3 [7] ) длиной 3 мм и толщиной 0,3 мм, таким образом, имеет основную частоту около 33 кГц. Кристалл настроен ровно на 2 15 =32 768  Гц или работает на несколько более высокой частоте с компенсацией запрета (см. Ниже).

Точность [ править ]

Относительная стабильность кварцевого резонатора и его схемы управления намного лучше, чем его абсолютная точность. Резонаторы этого типа стандартного качества с частотой 32 768 Гц гарантируют долгосрочную точность около шести частей на миллион (0,0006%) при 31 ° C (87,8 ° F): то есть обычные кварцевые часы или наручные часы будут лучше. или потеря 15 секунд за 30 дней (в пределах нормального диапазона температур от 5 до 35 ° C или от 41 до 95 ° F) или отклонение часов менее чем на полсекунды в день при ношении рядом с телом.

Компенсация торможения [ править ]

Многие недорогие кварцевые часы и часы используют метод, известный как компенсация торможения . [3]Кристалл намеренно заставлен работать несколько быстрее. После изготовления каждый модуль калибруется на заводе по точным часам и настраивается для поддержания точного времени путем программирования цифровой логики на пропуск небольшого количества кварцевых циклов через равные промежутки времени, например, 10 секунд или 1 минуту. Для типичного кварцевого механизма это позволяет запрограммировать регулировку с шагом 7,91 секунды на 30 дней с 10-секундными интервалами (для 10-секундного измерительного строба) или запрограммированные регулировки с шагом 1,32 секунды с шагом 30 дней с 60-секундными интервалами (на 60-секундном интервале). второй измерительный вентиль). Преимущество этого метода заключается в том, что использование цифрового программирования для сохранения количества подавляемых импульсов в энергонезависимой памяти.Регистрация на микросхеме менее затратна, чем старая методика подстройки частоты кварцевого камертона. Логика запрета-компенсации некоторых кварцевых механизмов может регулироваться сервисными центрами с помощью точного таймера и регулировочного терминала после выхода с завода, хотя многие недорогие кварцевые часовые механизмы не обладают этой функцией.

Внутренняя корректировка [ править ]

Морской хронометр Omega 4,19 МГц, выпущенный ВМС Франции

Некоторые механизмы премиум-класса имеют автоматическую скорость и саморегуляцию. То есть, вместо того, чтобы просто подсчитывать вибрации, их компьютерная программа берет простой подсчет и масштабирует его, используя соотношение, рассчитанное между эпохой, установленной на заводе, и самым последним временем, когда были установлены часы. Эти часы становятся более точными с возрастом. [ необходима цитата ]

Компьютеризированный высокоточный кварцевый механизм может измерять его температуру и приспосабливаться к ней. Как аналоговая, так и цифровая температурная компенсация используются в высококачественных кварцевых часах. В более дорогих кварцевых часах высокого класса тепловая компенсация может быть реализована путем изменения количества циклов, которые необходимо запретить, в зависимости от выходного сигнала датчика температуры. Стандарт COSC для официально сертифицированных кварцевых хронометров COSCсоставляет ± 25,55 секунды в год при 23 ° C. Чтобы получить этикетку хронометра COSC, кварцевый прибор должен иметь термокомпенсацию и строгую герметизацию. Каждый кварцевый хронометр тестируется в течение 13 дней в одном положении при 3 различных температурах и 4 различных уровнях относительной влажности. [8] Кварцевые механизмы с термокомпенсацией, даже в наручных часах, могут иметь точность в пределах от ± 5 до ± 25 секунд в год и могут использоваться в качестве морских хронометров для определения долготы с помощью астрономической навигации . [9] [10] [11]

Внешняя корректировка [ править ]

Если кварцевый механизм «оценивается» путем измерения его характеристик хронометража относительно времени, передаваемого по радиочасам , чтобы определить, сколько времени часы набирают или теряют в день, и вносятся корректировки в схему для «регулирования» хронометража, тогда скорректированное время будет точным в пределах ± 10 секунд в год. Этого более чем достаточно для астрономической навигации .

Старение кристаллов кварца [ править ]

Кристаллы часового кварца производятся в сверхчистой среде, а затем защищаются инертным сверхвысоким вакуумом в герметично закрытых контейнерах. Несмотря на эти меры, частота кристалла кварца может медленно изменяться со временем, вызывая ее увеличение или уменьшение. Однако эффект старения намного меньше, чем эффект изменения частоты, вызванный изменениями температуры, и производители могут оценить его влияние. Как правило, эффект старения в конечном итоге снижает частоту данного кристалла.

Факторами, которые могут вызвать небольшой дрейф частоты с течением времени, являются снятие напряжений в монтажной конструкции, потеря герметичности, загрязнение кристаллической решетки , поглощение влаги, изменения в кристалле кварца или на нем, сильные удары и вибрации, а также воздействие очень сильных ударов. высокие температуры. [12] Старение кристалла имеет тенденцию быть логарифмическим , что означает, что максимальная скорость изменения частоты происходит сразу после изготовления и затем уменьшается. Большая часть старения происходит в течение первого года срока службы кристалла. Кристаллы в конечном итоге перестают стареть ( асимптотически), но на это может уйти много лет. Производители механизмов могут предварительно состарить кристаллы перед сборкой из них в часовой механизм. Для ускорения старения кристаллы подвергаются воздействию высоких температур. [13] Если кристалл предварительно состарен, производитель может измерить скорость его старения (строго, коэффициенты в формуле старения) и попросить микроконтроллер вычислить поправки с течением времени. Первоначальная калибровка механизма будет оставаться точной дольше, если кристаллы предварительно состарены. Преимущество прекратится после последующего регулирования, которое сбрасывает любую совокупную ошибку старения на ноль. Причина, по которой более дорогие механизмы имеют тенденцию быть более точными, заключается в том, что кристаллы предварительно выдерживаются дольше и отбираются для лучших характеристик старения. Иногда предварительно состаренные кристаллы выбираются вручную для выполнения движения. [14]

Хронометры [ править ]

Кварцевые хронометры, разработанные как эталоны времени, часто включают в себя хрустальную печь , чтобы поддерживать постоянную температуру кристалла. Некоторые из них имеют собственный рейтинг и включают «кристаллические фермы», так что часы могут принимать среднее значение набора измерений времени.

История [ править ]

Четыре прецизионных кварцевых генератора 100 кГц в Бюро стандартов США (ныне NIST ), которые стали первым кварцевым стандартом частоты в США в 1929 году. Хранятся в термостатированных печах для предотвращения дрейфа частоты из-за теплового расширения или сжатия большого кварца. с резонаторами (установленными под стеклянными куполами наверху блоков) они достигли точности 10 −7 , что составляет примерно 1 секунду погрешности за 4 месяца.
Первые швейцарские кварцевые часы, изготовленные после Второй мировой войны (слева), выставлены в Международном часовом музее в Ла-Шо-де-Фон.

Пьезоэлектрические свойства кварца были обнаружены Жаком и Пьером Кюри в 1880. первый кварцевый кварцевый генератор был построен Вальтер Г. Кэди в 1921 г. В 1923 году DW Dye в Национальной физической лаборатории в Великобритании и Уоррен Marrison в Bell Telephone Laboratories производил последовательности сигналов точного времени с кварцевыми генераторами. В 1927 году первые кварцевые часы были построены Уорреном Маррисоном и Дж. У. Хортоном в Bell Telephone Laboratories. [15] [16]В следующие три десятилетия кварцевые часы стали эталоном точного времени в лабораторных условиях; громоздкая и деликатная счетная электроника, построенная на электронных лампах , ограничивала их использование в других местах. В 1932 году кварцевые часы смогли измерить крошечные изменения скорости вращения Земли за периоды всего несколько недель. [17] В Японии в 1932 году Иссак Кога разработал огранку кристалла, которая давала частоту колебаний со значительно меньшей температурной зависимостью. [18] [19] [20] Национальное бюро стандартов (ныне NIST ) основало американский стандарт времени на кварцевых часах между 1930-ми и 1960-ми годами, после чего перешло на атомные часы .[21] Более широкому использованию технологии кварцевых часов пришлось ждать развития дешевой полупроводниковой цифровой логики в 1960-х годах. Пересмотренное 14-е издание Британской энциклопедии [ когда? ] заявил, что кварцевые часы, вероятно, никогда не станут достаточно доступными для использования внутри страны. [ необходима цитата ]

Первые в мире прототипы аналоговых кварцевых наручных часов были представлены в 1967 году: Beta 1, представленная Центром электроники часов (CEH) в Невшателе, Швейцария [22] [23], и прототип Astron, представленный Seiko в Японии (Seiko работал на кварцевых часах с 1958 г.). [22]

В декабре 1969 года Seiko выпустила первые в мире коммерческие кварцевые наручные часы Seiko-Quartz Astron 35SQ [24], которые теперь удостоены награды IEEE Milestone . [25] Astron имел кварцевый генератор с частотой 8192 Гц и был точным до 0,2 секунды в день, 5 секунд в месяц или 1 минуту в год. Astron были выпущены менее чем за год до появления Swiss Beta 21, разработанной 16 производителями швейцарских часов и использовавшейся Rolex, Patek и Omega в своих электрокварцевых моделях. Присущая себе точность и низкая стоимость производства с тех пор привели к быстрому распространению кварцевых часов и наручных часов. К 1980-м годам кварцевая технология захватила такие области применения, как кухня.таймеры , будильники , замки времени в хранилищах банков и предохранители времени на боеприпасах, от более ранних механических механизмов баланса , переворот, известный в часовом производстве как кварцевый кризис .

Кварцевые часы доминируют на рынке наручных часов и часов с 1980-х годов. Благодаря высокой добротности и низкому температурному коэффициенту кварцевого кристалла они более точны, чем лучшие механические часы, а отсутствие всех движущихся частей делает их более прочными и устраняет необходимость в периодическом обслуживании.

Кварцевые часы на стене

В 2014 году стали доступны коммерческие аналоговые и цифровые настенные часы, в которых используется кварцевый генератор с двойной печью, точность до 0,2  ppb . Эти часы синхронизируются на заводе с атомным стандартом времени и обычно не требуют дополнительных корректировок времени в течение всего срока службы часов. [ необходима цитата ]

См. Также [ править ]

  • Автоматический кварц
  • Часы на солнечной батарее
  • Электрические часы
  • Кварцевый кризис
  • Шаговый двигатель типа Лаве
  • Осциллятор Пирса

Ссылки [ править ]

  1. ↑ 10 октября, Джо Томпсон; 2017. «Четыре революции: Часть 1: Краткая история кварцевой революции» . HODINKEE . Проверено 3 марта 2019 .CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )
  2. ^ «Кварцевый кризис и восстановление швейцарских часов Связь между часами и обществом» . МУЗЕЙ СЕЙКО . Проверено 3 марта 2019 .
  3. ^ a b «Точность и стабильность кварцевых часов» Майкла Ломбарди (2008).
  4. ^ Ашихара, Каору (2007-09-01). «Пороги слышимости для чистых тонов выше 16 кГц» . Журнал акустического общества Америки . 122 (3): EL52 – EL57. Bibcode : 2007ASAJ..122L..52A . DOI : 10.1121 / 1.2761883 . ISSN 0001-4966 . PMID 17927307 . Абсолютный порог обычно начинает резко увеличиваться, когда частота сигнала превышает примерно 15 кГц. ... Настоящие результаты показывают, что некоторые люди могут воспринимать тоны до 28 кГц, когда их уровень превышает примерно 100 дБ SPL.  
  5. ^ Ито H., Aoshima Y., Сакагучи Y. (2002). «Модель камертона из кварцевого кристалла с тарельчатой ​​пружиной, приближенной к торсионной пружине, принятой на стыке рычага и основания». Симпозиум по контролю частоты и выставка КПК, 2002. IEEE International : 145–151. DOI : 10.1109 / FREQ.2002.1075871 . ISBN 978-0-7803-7082-1. S2CID  123587688 .CS1 maint: использует параметр авторов ( ссылка )
  6. ^ Уитни, Скотт (1999-04-23). «Колебания консольных балок: прогиб, частота и исследовательское использование» . Университет Небраски – Линкольн. Архивировано из оригинала на 2011-10-31 . Проверено 9 ноября 2011 .
  7. ^ "плотность кварца" . Wolframalpha.com . Проверено 25 марта 2010 .
  8. ^ Кварцевые механизмы COSC
  9. ↑ Читай, Александр. «Часы высокой точности, которые можно использовать как морской хронометр» . Проверено 22 сентября 2007 .
  10. ^ В погоне за совершенством: кварцевые часы с термокомпенсацией и их механизм
  11. ^ Мейер, Д. "Высокоточные наручные часы как морские хронометры" . Проверено 21 апреля 2013 .
  12. ^ Введение в стандарты частоты кварца - Старение
  13. ^ Старение кристаллов кварца
  14. ^ Являются ли Citizen Caliber 0100 самыми точными часами в мире?
  15. ^ Маррисон, Вашингтон; Дж. У. Хортон (февраль 1928 г.). «Прецизионное определение частоты». Труды ИРЭ . 16 (2): 137–154. DOI : 10.1109 / JRPROC.1928.221372 . S2CID 51664900 . 
  16. ^ Маррисон, Уоррен (1948). «Эволюция кварцевых хрустальных часов» . Технический журнал Bell System . AT&T. 27 (3): 510–588. DOI : 10.1002 / j.1538-7305.1948.tb01343.x . Архивировано из оригинала на 2007-05-13.
  17. ^ Marrison архивации 2011-07-17 в Wayback Machine , 1948.
  18. ^ Кога, Иссак; Аруга, Масанао; Ёсинака, Ёитиро (1958). «Теория плоских упругих волн в пьезоэлектрической кристаллической среде и определение упругих и пьезоэлектрических постоянных кварца». Физический обзор . 109 (5): 1467–1473. Bibcode : 1958PhRv..109.1467K . DOI : 10.1103 / PhysRev.109.1467 .
  19. Перейти ↑ Koga, I. (1936). «Заметки о пьезоэлектрических кристаллах кварца». Труды ИРЭ . 24 (3): 510–531. DOI : 10.1109 / JRPROC.1936.226840 . S2CID 51674194 . 
  20. ^ Uchino, К. (2010). Современные пьезоэлектрические материалы . Эльзевир. п. 174. ISBN 978-1-84569-534-7.
  21. Перейти ↑ Sullivan, D. B. (2001). «Измерение времени и частоты в NIST: первые 100 лет» (PDF) . Отдел времени и частоты, Национальный институт стандартов и технологий. п. 5.
  22. ^ a b Карлин Стивенс и Мэгги Деннис Инженерное время: изобретение электронных наручных часов .
  23. ^ «От корней до сегодняшних достижений». Федерация швейцарской часовой промышленности. Архивировано из оригинала на 2007-11-28 . Проверено 6 декабря 2007 .
  24. ^ "Seiko Quartz Astron 35SQ декабрь 1969" (PDF) .
  25. ^ «Вехи: электронные кварцевые наручные часы, 1969» .

Дальнейшее чтение [ править ]

  • Повар А. (2001). «Время и Королевское общество». Примечания и отчеты Лондонского королевского общества . 55 (1): 9–27. DOI : 10.1098 / RSNR.2001.0123 . S2CID  120948178 .
  • Маррисон WA (1948). «Эволюция кварцевых часов» . Технический журнал Bell System . 27 (3): 510–588. DOI : 10.1002 / j.1538-7305.1948.tb01343.x . Архивировано из оригинала на 2007-05-13.

Внешние ссылки [ править ]

  • Статья TimeZone.com о разработке кварцевых часов
  • Объясни это: как работают кварцевые часы
  • Современные кварцевые «аналоговые» часы и часы с анимацией.
  • Дуглас Двайер. Как работают кварцевые часы в HowStuffWorks
  • Horology 101 - часто задаваемые вопросы о кварце
  • Короткая грунтовка по кристаллам кварца АТ-огранки