Кварцевые часы - Quartz clock

Базовые кварцевые часы

Кварцевые часы и кварцевые часы часы, которые используют электронный генератор регулируется кварц кристалл, чтобы держать время. Этот кварцевый генератор создает сигнал с очень точной частота, так что кварц часы и часы по крайней мере порядок величины точнее, чем механические часы. Как правило, некоторая форма цифровой логики подсчитывает циклы этого сигнала и предоставляет числовые время дисплей, 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 японским часовщиком. Seiko как Astron в декабре 1969 г.[1][2] С 1980-х годов, когда с появлением твердое состояние цифровая электроника позволила сделать их компактными и недорогими, кварцевые хронометры стали самой широко используемой в мире технологией хронометража, используемой в большинстве часов и часы а также компьютеры и другие устройства, отслеживающие время.

Объяснение

Химически, кварц это особая форма соединения, называемого диоксид кремния. Из многих материалов можно сделать пластины, которые будут резонировать. Однако кварц также пьезоэлектрический материал: 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, никаких дополнительных преобразователь требуется для использования в резонатор. Подобные кристаллы используются в low-end фонограф картриджи: движение стилуса (иглы) сгибает кристалл кварца, который производит небольшое напряжение, которое усиливается и воспроизводится через динамики. Кварцевые микрофоны все еще доступны, хотя и не распространены.[нужна цитата ]

Кварц имеет еще одно преимущество в том, что его размер не меняется. температура колеблется. Плавленый кварц часто используется для лабораторного оборудования, 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 «Астрохрон», Junghans, Шрамберг, 1967 (Немецкий музей часов, Инв. 1995-603)
Первый кварцевый механизм наручных часов, используемый в Seiko Astron, Калибр 35А, № 00234, Сейко, Япония, 1969 г. (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 обнаружили, что кварц может резонировать с меньшим количеством оборудования и лучшей температурной стабильностью, стальные резонаторы исчезли в течение нескольких лет. Позже ученые из NIST (тогда Национальное бюро стандартов США) обнаружило, что кварцевый генератор может быть более точным, чем маятниковые часы.

Электронная схема представляет собой осциллятор, усилитель мощности выход которого проходит через кварцевый резонатор. Резонатор действует как электронный фильтр, исключая все, кроме одной интересующей частоты. Выход резонатора возвращается на вход усилителя, и резонатор гарантирует, что осциллятор «завывает» с точной интересующей частотой. Когда цепь запускается, даже один выстрелил может каскадом доводить генератор до нужной частоты. Если усилитель слишком идеален, генератор не запустится.

Частота колебаний кристалла зависит от его формы, размера и плоскости кристалла, на которой кварц режется. Положения электродов также могут немного изменить настройку. Если кристаллу придать правильную форму и положение, он будет колебаться с желаемой частотой. Почти во всех кварцевых часах частота равна 32768 Гц,[3] и кристалл вырезан в форме небольшой камертона на определенной плоскости кристалла. Эта частота является степенью двойки (32768 = 215), достаточно высокой, чтобы превышать диапазон человеческого слуха, но достаточно низкий, чтобы позволить недорогим счетчикам выдавать 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 может использоваться для управления многими видами часов.

Хотя кварц имеет очень низкую коэффициент температурного расширения, изменения температуры являются основной причиной изменения частоты кварцевых генераторов. Наиболее очевидный способ уменьшить влияние температуры на частоту колебаний - поддерживать постоянную температуру кристалла. Для лабораторных генераторов кварцевый генератор с духовым управлением используется, в котором кристалл хранится в очень маленькой духовке, 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 -0,035промилле / ° C2 (более медленная) частота колебаний. Таким образом, отклонение температуры ± 1 ° C будет составлять (± 1)2 × -0,035 ppm = -0,035 ppm изменение скорости, что эквивалентно -1,1 секунде 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 носить свои часы регулярно, чтобы обеспечить наилучшую производительность. Регулярное ношение кварцевых часов значительно снижает величину колебаний температуры окружающей среды, поскольку правильно спроектированный корпус часов является целесообразным. хрустальная печь который использует стабильную температуру человеческого тела, чтобы поддерживать кристалл в наиболее точном температурном диапазоне.

Механизм

Базовый кварцевый механизм наручных часов. Внизу справа: кварц кварцевый генератор, слева: батарейка для часов, вверху справа: счетчик генератора, вверху слева: катушка из шаговый двигатель это приводит в действие стрелки часов.
Изображение резонатора из кварцевого кристалла, используемого в качестве компонента хронометража в кварцевых часах, со снятым корпусом. Он сформирован в виде камертона. Большинство таких кристаллов кварцевых часов колеблются с частотой 32768 Гц.

В современных кварцевых часах кристалл кварца резонатор или осциллятор имеет форму небольшого камертон (XY-разрез ), лазер -отрезанная или прецизионная притирка для вибрации при 32768 Гц. Эта частота равна 215 циклов в секунду. Степень 2 выбрана так, чтобы простая цепочка ступеней цифрового деления на 2 могла получить сигнал с частотой 1 Гц, необходимый для управления секундной стрелкой часов. В большинстве часов резонатор находится в небольшой банке или плоской упаковке длиной около 4 мм. В 32768 Гц резонатор стал настолько распространенным из-за компромисса между большим физическим размером низкочастотных кристаллов для часов и большим потреблением тока высокая частота кристаллы, что сокращает срок службы смотреть аккумулятор. В течение 1970-х годов введение металл – оксид – полупроводник (MOS) интегральные схемы позволил 12-месячный срок службы батареи от одного монетная ячейка при езде на механической Шаговый двигатель типа Лаве, плавно подметающий нешаговый двигатель или жидкокристаллический дисплей (в цифровых часах с ЖК-экраном). Светодиод (Светодиодные) дисплеи для часов стали редкостью из-за их сравнительно большого расхода заряда батареи.

Основная формула для расчета основная частота (ж) вибрации консоль как функция его размеров (квадратичное сечение)[5]

куда

1,875 · 104 (округлено) - наименьшее положительное решение уравнения cos (Икс) сш (Икс) = −1,[6]
л - длина кантилевера,
а - его толщина по направлению движения,
E это его Модуль для младших,
ρ это его плотность.

Консоль из кварц (E = 1011 N / м2 = 100 ГПа и ρ = 2634 кг / м3[7]) длиной 3 мм и толщиной 0,3 мм, таким образом, имеет основную частоту около 33 кГц. Кристалл настроен точно на 215 = 32768 Гц или работает с немного большей частотой с компенсацией запрета (см. ниже).

Точность

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 терять 15 секунд за 30 дней (в нормальном диапазоне температур от 5 до 35 ° C (от 41 до 95 ° F)) или менее чем на полсекунды часы дрейф в день при ношении рядом с телом.

Компенсация торможения

Многие недорогие кварцевые часы и часы используют технику, известную 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 настройку с шагом 7,91 секунды на 30 дней с 10-секундными интервалами (для 10-секундного измерительного строба) или запрограммированную настройку 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 хранения количества подавляемых импульсов в регистре энергонезависимой памяти на кристалле менее затратно, чем более старый метод подстройки частоты кварцевого камертона. Логика запрета-компенсации некоторых кварцевых механизмов может регулироваться сервисными центрами с помощью прецизионного таймера и регулировочного терминала после выхода с завода, хотя многие недорогие кварцевые механизмы не обладают этой функцией.

Внутренняя корректировка

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, вычисленное между эпоха заводские настройки и самое последнее время, установленное на часах. Эти часы становятся более точными с возрастом.[нужна цитата ]

Компьютеризированный высокоточный кварцевый механизм может измерять его температуру и приспосабливаться к ней. Обе аналог и цифровой Температурная компенсация использовалась 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. В COSC стандарт средней дневной ставки для официально сертифицированные кварцевые хронометры COSC составляет ± 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 от ± 5 до ± 25 секунд в год и могут использоваться в качестве морские хронометры определить долгота посредством небесная навигация.[9][10][11]

Внешняя регулировка

Если кварцевый механизм «оценивается» путем измерения его характеристик хронометража по сравнению с радио часы вещания времени, чтобы определить, сколько времени часы набирают или теряют в день, и вносятся корректировки в схему для «регулирования» хронометража, то скорректированное время будет легко быть точным в пределах ± 10 секунд в год. Этого более чем достаточно для выполнения небесная навигация.

Старение кристаллов кварца

Кристаллы часового кварца производятся в сверхчистой среде и защищены инертной средой сверхвысокого вакуума в герметично закрытых контейнерах. Тем не менее, частота кристалла кварца может медленно меняться со временем, вызывая увеличение или уменьшение частоты с течением времени. 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. Факторами, которые могут вызвать небольшой дрейф частоты с течением времени, являются снятие напряжений в монтажной конструкции, потеря герметичности, загрязнения, содержащиеся в кристаллической решетке, поглощение влаги, изменения в кристалле кварца или на нем, сильные удары и вибрации, воздействие очень сильных ударов. высокие температуры.[12] Старение кристаллов 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 кристаллов. 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 более высоких характеристик старения. Иногда предварительно состаренные кристаллы выбираются вручную для выполнения движения.[14]

Хронометры

Кварцевый хронометры разработанные как стандарты времени, часто включают хрустальная печь, чтобы поддерживать кристалл при постоянной температуре. Некоторые самостоятельно оценивают и включают "кристаллические фермы", чтобы часы могли средний набора измерений времени.

История

Четыре прецизионных кварцевых генератора 100 кГц в Бюро стандартов США (сейчас NIST ), который стал первым кварцевым стандартом частоты для Соединенных Штатов в 1929 году. Хранится в термостатированных печах, чтобы предотвратить дрейф частоты из-за теплового расширения или сжатия больших кварцевых резонаторов (установленных под стеклянными куполами наверху блоков), которые они достигли. точность 10−7, примерно 1 секунда ошибки за 4 месяца.
Первые швейцарские кварцевые часы, изготовленные после Второй мировой войны (слева), выставлены в Международный музей часового искусства в La Chaux-de-Fonds

Пьезоэлектрические свойства кварца были открыты Жак и Пьер Кюри в 1880 г. Первый кварц кварцевый генератор был построен Уолтер Дж. Кэди в 1921 г. В 1923 г. Д. В. Дай на Национальная физическая лаборатория в Великобритания и Уоррен Маррисон 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 с вакуумные трубки, ограничили 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 г. Исаак Кога разработали срез кристалла, который давал частоту колебаний со значительно меньшей температурной зависимостью.[18][19][20] Национальное бюро стандартов (ныне NIST ) основал американский стандарт времени на кварцевых часах между 1930-ми и 1960-ми годами, после чего он перешел на атомные часы.[21] Более широкому использованию кварцевых часов пришлось ждать появления дешевых полупроводник цифровая логика в 1960-е гг. Пересмотренное 14-е издание Британская энциклопедия[когда? ] заявили, что кварцевые часы, вероятно, никогда не станут достаточно доступными для использования внутри страны.[нужна цитата ]

Первый в мире прототип аналогового кварца наручные часы были открыты в 1967 году: Beta 1 была представлена ​​Центром электроники часов (CEH) в Невшателе, Швейцария,[22][23] и прототип Astron показано Seiko в Японии (Seiko работает над кварцевыми часами с 1958 года).[22]

В декабре 1969 г. Seiko выпустила первые в мире кварцевые наручные часы, Seiko-Quartz Astron 35SQ[24] который теперь удостоен IEEE Milestone.[25] Astron имел кварцевый осциллятор с частотой 8192 Гц и имел точность 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 того времени привели к быстрому распространению кварцевых часов. К 1980-м годам кварцевая технология захватила такие области применения, как кухня. таймеры, будильники, банковское хранилище временные замки, и время взрыватели по боеприпасам, от более ранних механических балансир движения, переворот, известный в часовом деле как кварцевый кризис.

Кварцевые часы доминируют в наручные часы и часовой рынок с 1980-х годов. Из-за высокого Добротность и низкий температурный коэффициент кристалла кварца, они более точны, чем лучшие механические часы, а отсутствие всех движущихся частей делает их более прочными и устраняет необходимость периодического обслуживания.

Кварцевые часы на стене

Коммерческие аналоговые и цифровые настенные часы стали доступны в 2014 году, 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 каких-либо дополнительных корректировок времени в течение всего срока службы часов.[нужна цитата ]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ 10 октября Джо Томпсон; 2017 г. "Четыре революции: Часть 1: Краткая история кварцевой революции". HODINKEE. Получено 2019-03-03.CS1 maint: числовые имена: список авторов (связь)
  2. ^ «Кварцевый кризис и восстановление швейцарских часов. Отношения между часами и обществом». МУЗЕЙ СЕЙКО. Получено 2019-03-03.
  3. ^ а б «Точность и стабильность кварцевых часов» Майкла Ломбарди (2008).
  4. ^ Ашихара, Каору (1 сентября 2007 г.). «Пороги слышимости для чистых тонов выше 16 кГц». Журнал акустического общества Америки. 122 (3): EL52 – EL57. Bibcode:2007ASAJ..122L..52A. Дои: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 Х., Аошима Ю., Сакагути Ю. (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 г. IEEE International: 145–151. Дои:10.1109 / FREQ.2002.1075871. ISBN  978-0-7803-7082-1. S2CID  123587688.CS1 maint: использует параметр авторов (связь)
  6. ^ Уитни, Скотт (1999-04-23). «Колебания консольных балок: отклонение, частота и исследовательское использование». Университет Небраски – Линкольн. Архивировано из оригинал на 2011-10-31. Получено 2011-11-09.
  7. ^ «плотность кварца». Wolframalpha.com. Получено 2010-03-25.
  8. ^ Кварцевые механизмы COSC
  9. ^ Читай, Александр. «Высокоточные часы, которые можно использовать как морской хронометр». Получено 2007-09-22.
  10. ^ В погоне за совершенством: кварцевые часы с термокомпенсацией и их механизм
  11. ^ Мейер, Д. «Высокоточные наручные часы как морские хронометры». Получено 2013-04-21.
  12. ^ Введение в стандарты частоты кварца - старение
  13. ^ Старение кристаллов кварца
  14. ^ Citizen Caliber 0100 - самые точные часы в мире?
  15. ^ Marrison, W. A .; Дж. У. Хортон (февраль 1928 г.). «Точное определение частоты». Труды IRE. 16 (2): 137–154. Дои: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. Дои:10.1002 / j.1538-7305.1948.tb01343.x. Архивировано из оригинал на 2007-05-13.
  17. ^ Маррисон В архиве 2011-07-17 на 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:1958ПхРв..109,1467К. Дои:10.1103 / PhysRev.109.1467.
  19. ^ Кога, И. (1936). «Заметки о пьезоэлектрических кристаллах кварца». Труды IRE. 24 (3): 510–531. Дои:10.1109 / JRPROC.1936.226840. S2CID  51674194.
  20. ^ Учино, К. (2010). Современные пьезоэлектрические материалы. Эльзевир. п. 174. ISBN  978-1-84569-534-7.
  21. ^ Салливан, Д. Б. (2001). «Измерение времени и частоты в NIST: первые 100 лет» (PDF). Отдел времени и частоты, Национальный институт стандартов и технологий. п. 5.
  22. ^ а б Карлин Стивенс и Мэгги Деннис Время инженерии: изобретение электронных наручных часов.
  23. ^ «От корней до сегодняшних достижений». Федерация швейцарской часовой промышленности. Архивировано из оригинал на 2007-11-28. Получено 2007-12-06.
  24. ^ "Seiko Quartz Astron 35SQ декабрь 1969 г." (PDF).
  25. ^ "Вехи развития: электронные кварцевые наручные часы, 1969 год".

дальнейшее чтение

внешняя ссылка