stringtranslate.com

Кварцевые часы

Печатная плата электронного блока от хронографа -наручных часов. Кристалл кварцевого генератора справа.

Кварцевые часы и кварцевые часы — это часы, в которых для отсчета времени используется электронный генератор, регулируемый кристаллом кварца . Этот кварцевый генератор создает сигнал с очень точной частотой , так что кварцевые 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.

С 1980-х годов, когда появление полупроводниковой цифровой электроники позволило сделать их компактными и недорогими, кварцевые хронометры стали наиболее широко используемой в мире технологией измерения времени, используемой в большинстве часов, а также в компьютерах и других устройствах, отслеживающих время. .

Объяснение

Аналоговый кварцевый часовой механизм в разобранном виде; кварцевый генератор (вверху слева), шаговый двигатель типа Лаве (слева) с черной звездочкой ротора и соединенными белыми и прозрачными шестернями (справа). Эти шестеренки управляют движением секундной, минутной и часовой стрелок.
Базовый кварцевый механизм для наручных часов. Внизу справа: кварцевый генератор , слева: батарейка для часов, вверху справа: счетчик генератора, цифровой делитель частоты и драйвер шагового двигателя (под черной эпоксидной смолой), вверху слева: катушка шагового двигателя , питающего стрелки часов.

С химической точки зрения кварц представляет собой особую форму соединения, называемого диоксидом кремния . Из многих материалов можно сформировать 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 разместить поперек плоскости кристалла, кристаллы кварца будут изгибаться. Поскольку кварц может напрямую приводиться в движение (изгибаться) электрическим сигналом, для его использования в резонаторе не требуется никакого дополнительного преобразователя . Подобные кристаллы используются в картриджах для фонографов низкого класса : движение иглы (иглы) сгибает кристалл кварца, который создает небольшое напряжение, которое усиливается и воспроизводится через динамики. Кварцевые микрофоны все еще доступны, хотя и не распространены. [ нужна цитата ]

У кварца есть еще одно преимущество: его размер не сильно меняется при изменении температуры . Плавленый кварц часто используется для лабораторного оборудования, которое не должно менять форму под воздействием температуры. Резонансная частота кварцевой пластины, в зависимости от ее размера, не будет значительно повышаться или падать. Аналогичным образом, поскольку резонатор не меняет форму, кварцевые часы будут оставаться относительно точными при изменении температуры.

В начале 20 века радиоинженеры искали точный и стабильный источник радиочастот и сначала начали со стальных резонаторов. Однако, когда в начале 1920-х годов Уолтер Гайтон Кэди обнаружил, что кварц может резонировать при меньшем количестве оборудования и большей температурной стабильности, стальные резонаторы исчезли в течение нескольких лет. Позже ученые из Национального института стандартов и технологий (тогда Национального бюро стандартов США) обнаружили, что кварцевый генератор может быть более точным, чем маятниковые часы .

Электронная схема представляет собой генератор , усилитель , выходной сигнал которого проходит через кварцевый резонатор. Резонатор действует как электронный фильтр , устраняя все, кроме одной интересующей частоты. Выход резонатора возвращается на вход усилителя, и резонатор обеспечивает работу генератора на точной интересующей частоте. Когда схема включена, одиночный взрыв дробового шума (всегда присутствующий в электронных схемах) может каскадно привести генератор в колебание с желаемой частотой. Если бы усилитель был совершенно бесшумным, генератор не запустился бы.

Частота колебаний кристалла зависит от его формы, размера и плоскости кристалла, на которой огранен кварц. Положения, в которых расположены электроды, также могут немного изменить настройку. Если кристалл имеет правильную форму и расположение, он будет колебаться с желаемой частотой. Почти во всех кварцевых часах частота равна32 768  Гц , [1] и кристалл вырезается в форме небольшого камертона на определенной кристаллической плоскости. [2] Эта частота представляет собой степень двойки (32 768 = 2 15 ), достаточно высокий, чтобы превысить диапазон человеческого слуха , но достаточно низкий, чтобы поддерживать потребление электроэнергии , стоимость и размер на скромном уровне и позволить недорогим счетчикам получать 1-секундный импульс. [3] Выходной сигнал линии передачи данных такого кварцевого резонатора имеет то высокий, то низкий уровень.32 768 раз в секунду. Он подается на триггер (который по существу представляет собой два транзистора с небольшим количеством перекрестных соединений), который меняется от низкого уровня к высокому или наоборот, когда линия от кристалла переходит от высокого к низкому. Выходной сигнал подается на второй триггер и так далее через цепочку из 15 триггеров, каждый из которых действует как эффективный делитель частоты по степени 2, разделяя частоту входного сигнала на 2. Результат представляет собой 15-битный двоичный цифровой счетчик, управляемый частотой, которая переполняется один раз в секунду, создавая цифровой импульс один раз в секунду. Выходной сигнал «импульс в секунду» можно использовать для управления многими типами часов. В аналоговых кварцевых и наручных часах электрический выходной сигнал (количество импульсов в секунду) почти всегда передается на шаговый двигатель типа Лаве , который преобразует электронные входные импульсы от блока счета триггеров в механический выходной сигнал, который можно использовать для перемещения стрелок.

Каждый триггер уменьшает частоту в 2 раза.

Также возможно, что в кварцевых часах кварцевый кристалл колеблется с более высокой частотой, чем32 768 (= 2 15 ) Гц (высокочастотные кварцевые механизмы [4] ) и/или генерировать цифровые импульсы чаще одного раза в секунду для приведения в действие секундной стрелки с приводом от шагового двигателя с более высокой мощностью 2, чем один раз в секунду, [5 ], но потребление электроэнергии (разряд батареи) возрастает, поскольку более высокие частоты колебаний и любая активация шагового двигателя требуют энергии, что делает такие маленькие кварцевые часы с питанием от батареи относительно редкими. Некоторые аналоговые кварцевые часы оснащены секундной стрелкой, приводимой в движение неступенчатой ​​батареей или электродвигателем с питанием от сети, что часто приводит к снижению механического выходного шума.

Механизм

Изображение кварцевого резонатора, используемого в качестве компонента хронометража в кварцевых часах, со снятым корпусом. Он выполнен в форме камертона. Большинство таких кварцевых часовых кристаллов вибрируют с частотой32 768  Гц .

В современных кварцевых часах стандартного качества кварцевый резонатор или генератор имеет форму небольшого камертона ( XY-срез ), подвергается лазерной обрезке или прецизионной притирке для обеспечения вибрации с частотой32 768  Гц . Эта частота равна 2 15 циклам в секунду. Степень 2 выбрана таким образом, чтобы простая цепочка цифровых ступеней деления на 2 могла получить сигнал частотой 1 Гц, необходимый для управления секундной стрелкой часов. В большинстве часов резонатор находится в небольшом цилиндрическом или плоском корпусе длиной от 4 до 6 мм. [6 ]Резонатор 32 768  Гц получил такое распространение из-за компромисса между большим физическим размером низкочастотных кристаллов для часов и большим потреблением тока высокочастотных кристаллов, что сокращает срок службы часовой батареи .

Основная формула для расчета основной частоты ( f ) вибрации кантилевера в зависимости от его размеров (квадратичного сечения) имеет вид [7]

где

1,875104 (округлено) — наименьшее положительное решение уравнения cos( x ) ch( x ) = −1, [8]
l – длина кантилевера,
а — его толщина по направлению движения,
E — его модуль Юнга ,
ρ — его плотность .

Таким образом , кантилевер из кварца ( E = 10 11 Н /м 2 = 100 ГПа и ρ = 2634 кг /м 3 [9] ) длиной 3 мм и толщиной 0,3 мм имеет основную частоту около 33 кГц. Кристалл настроен ровно на 2 15 =32 768  Гц или работает на несколько более высокой частоте с компенсацией ингибирования (см. ниже).

Точность

Относительная стабильность кварцевого резонатора и его схемы управления намного лучше, чем их абсолютная точность. Стандартное Качество32 резонатора 768  Гц этого типа гарантированно имеют долговременную точность около шести частей на миллион (0,0006%) при 31 ° C (87,8 ° F): то есть типичные кварцевые или наручные часы будут увеличивать или терять 15 секунд за 30 дней (в пределах нормального температурного диапазона от 5 до 35 °C или от 41 до 95 °F) или отклонение часов менее чем на полсекунды в день при ношении вблизи тела.

Изменение температуры и частоты

Хотя кварц имеет очень низкий коэффициент теплового расширения , изменения температуры являются основной причиной изменения частоты кварцевых генераторов. Самый очевидный способ уменьшить влияние температуры на скорость колебаний — поддерживать постоянную температуру кристалла. Для генераторов лабораторного класса используется кварцевый генератор с печным управлением , в котором кристалл хранится в очень маленькой печи, в которой поддерживается постоянная температура. Однако этот метод непрактичен для потребительских кварцевых и наручных часов.

Кристаллические плоскости и настройка кварцевых резонаторов потребительского уровня, используемых в наручных часах, рассчитаны на минимальную температурную чувствительность к частоте и лучше всего работают в диапазоне температур от 25 до 28 ° C (от 77 до 82 ° F). Точная температура, при которой кристалл колеблется наиболее быстро, называется «точкой оборота» и может выбираться в определенных пределах. [10] Правильно выбранная точка поворота может минимизировать негативный эффект температурного дрейфа частоты и, следовательно, улучшить практическую точность хронометража кварцевого генератора потребительского уровня без значительного увеличения стоимости. [10] Более высокая или более низкая температура приведет к снижению скорости колебаний -0,035  ppm /°C 2 (более медленной). Таким образом, отклонение температуры на ± 1 ° C приведет к изменению скорости (± 1) 2 × -0,035 ppm = -0,035 ppm, что эквивалентно -1,1 секунды в год. Если вместо этого кристалл испытывает отклонение температуры на ± 10 ° C, то изменение скорости составит (± 10) 2 × -0,035 ppm = -3,5 ppm, что эквивалентно -110 секундам в год. [11]

Производители кварцевых часов используют упрощенную версию метода кварцевого генератора с печным управлением, рекомендуя регулярно носить свои часы, чтобы обеспечить наилучшее хронометрирование. Регулярное ношение кварцевых часов значительно снижает величину колебаний температуры окружающей среды, поскольку правильно спроектированный корпус часов образует удобную кристаллическую печь , которая использует стабильную температуру человеческого тела для поддержания кварцевого генератора в наиболее точном температурном диапазоне.

Повышение точности

Некоторые конструкции механизмов имеют функции повышения точности или саморегулирования и саморегуляции. 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 установки часов. Часы, которые иногда регулируются сервисными центрами с помощью прецизионного таймера и терминала регулировки после выпуска с завода, также становятся более точными, поскольку возраст их кристаллов кварца и несколько непредсказуемые эффекты старения соответствующим образом компенсируются.

Автономные высокоточные кварцевые механизмы, даже в наручных часах , могут иметь точность от ±1 до ±25 секунд в год и могут быть сертифицированы и использованы в качестве морских хронометров для определения долготы ( положение точки на земном шаре с востока на запад ). поверхности) посредством небесной навигации . Когда время на нулевом меридиане (или другой отправной точке) известно достаточно точно, небесная навигация может определить долготу, и чем точнее известно время, тем точнее определение широты. На широте 45° одна секунда времени эквивалентна по долготе 1077,8  фута (328,51  м ), или одна десятая секунды означает 107,8 фута (32,86 м). [12]

Триммерный конденсатор

Независимо от точности генератора, кварцевый аналоговый или цифровой часовой механизм может иметь подстроечный конденсатор . Обычно они встречаются в старых винтажных кварцевых часах, даже во многих более дешевых. Подстроечный конденсатор или переменный конденсатор изменяют частоту, поступающую от кварцевого генератора, при изменении его емкости. [13] Делители частоты остаются неизменными, поэтому подстроечный конденсатор можно использовать для регулировки выходного электрического импульса в секунду (или другого желаемого интервала времени). Конденсатор триммера выглядит как небольшой винт, вмонтированный в печатную плату. Обычно поворот винта по часовой стрелке ускоряет движение вверх, а против часовой стрелки замедляет его примерно на 1 секунду в день на 1/6 оборота винта . Лишь немногие новые конструкции кварцевых механизмов оснащены механическим подстроечным конденсатором и в основном полагаются на цифровые методы коррекции.

Термическая компенсация

Кварцевые часы повышенной точности

Компьютеризированный высокоточный кварцевый механизм может измерять температуру и корректировать ее. Для этого механизм автономно измеряет температуру кристалла от нескольких сотен до нескольких тысяч раз в день и компенсирует это небольшим расчетным смещением. В кварцевых часах высокого класса используются как аналоговая , так и цифровая температурная компенсация. В более дорогих кварцевых часах высокого класса термокомпенсация может быть реализована путем изменения количества циклов блокировки в зависимости от выходного сигнала датчика температуры. Стандарт средней дневной скорости COSC для официально сертифицированных кварцевых хронометров COSC составляет ± 25,55 секунды в год при температуре 23 ° C или 73 ° F. Чтобы получить знак хронометра COSC, кварцевый инструмент должен обладать термокомпенсацией и строгой герметизацией. Каждый кварцевый хронометр тестируется в течение 13 дней в одном положении при 3 различных температурах и 4 различных уровнях относительной влажности. [14] Только около 0,2% кварцевых часов швейцарского производства сертифицированы COSC для хронометров. [15] Эти механизмы, сертифицированные хронометром COSC, могут использоваться в качестве морских хронометров для определения долготы с помощью астронавигации. [16] [17] [18]

Дополнительные методы повышения точности

В 2019 году в продажу поступил автономный высокоточный кварцевый механизм для часов с питанием от света , точность которого, как утверждается, составляет ± 1 секунда в год. [19] [20] Ключевыми элементами для достижения высокой заявленной точности является применение в часах кварцевого кристалла необычной формы ( AT-огранки ), работающего при 2,23 илиЧастота 8 388 608  Гц , термокомпенсация и ручной отбор предварительно состаренных кристаллов. [21] Помимо того, что вариации AT-среза допускают более высокие температурные допуски, особенно в диапазоне от -40 до 125 ° C (от -40 до 257 ° F), они демонстрируют меньшие отклонения, вызванные изменениями гравитационной ориентации. В результате ошибки, вызванные пространственной ориентацией и позиционированием, становятся менее опасными. [22] [23]

Компенсация торможения

Многие недорогие кварцевые часы используют метод оценки и компенсации, известный как компенсация торможения . [1] Кристалл намеренно создан для более быстрой работы. После производства 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 регулярные промежутки времени, например, 10 секунд или 1 минуту. Для типичного кварцевого механизма это позволяет запрограммировать настройки с шагом 7,91 секунды каждые 30 дней для 10-секундных интервалов (для 10-секундных измерительных ворот) или запрограммировать настройки с шагом 1,32 секунды каждые 30 дней для 60-секундных интервалов (для 60-секундных часовых механизмов). -вторые измерительные ворота). Преимущество этого метода состоит в том, что использование цифрового программирования для сохранения количества импульсов, подлежащих подавлению, в регистре энергонезависимой памяти на кристалле обходится дешевле, чем старый метод подстройки частоты кварцевого камертона. Логика торможения-компенсации некоторых кварцевых механизмов может регулироваться в сервисных центрах с помощью профессионального точного таймера и терминала настройки после выпуска с завода, хотя многие недорогие кварцевые механизмы для часов не имеют такой функции.

Коррекция внешнего сигнала времени

Если кварцевый механизм ежедневно «оценивается» путем измерения его характеристик измерения времени по радиосигналу или спутниковому сигналу времени , чтобы определить, сколько времени механизм выигрывает или теряет между приемами сигнала времени, и в схему вносятся корректировки для «регулирования» хронометража, то скорректированное время будет точным в пределах ±1 секунды в год. Этого более чем достаточно для определения долготы с помощью астрономической навигации . Эти кварцевые механизмы со временем становятся менее точными, если внешний сигнал времени не был успешно получен и внутренне обработан для автоматической установки или синхронизации их времени, и без такой внешней компенсации обычно прибегают к автономному хронометрированию. Национальный институт стандартов и технологий США (NIST) опубликовал рекомендации, в которых рекомендуется, чтобы эти механизмы сохраняли время между синхронизациями с точностью до ±0,5 секунды, чтобы время было точным при округлении до ближайшей секунды. [24] Некоторые из этих движений могут сохранять время между синхронизациями с точностью до ±0,2 секунды, синхронизируя их более одного раза в течение дня. [25]

Старение кристаллов кварца

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 меняться с течением времени. Однако эффект старения гораздо меньше, чем эффект изменения частоты, вызванный изменениями температуры, и производители могут оценить его последствия. Как правило, эффект старения в конечном итоге снижает частоту данного кристалла, но может также увеличить частоту данного кристалла. [26]

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 кварцевом кристалле или на нем, сильные удары и вибрации, а также воздействие очень высокие температуры. [27] Старение кристалла имеет тенденцию быть логарифмическим , то есть максимальная скорость изменения частоты происходит сразу после изготовления, а затем затухает. Большая часть старения произойдет в течение первого года срока службы кристалла. Кристаллы со временем перестают стареть ( асимптотически ), но на это может уйти много лет. Производители механизмов могут предварительно состарить кристаллы перед сборкой их в часовые механизмы. Чтобы ускорить старение, кристаллы подвергают воздействию высоких температур. [28] Если кристалл предварительно состарен, производитель может измерить скорость его старения (точнее, коэффициенты в формуле старения) и поручить микроконтроллеру рассчитать поправки с течением времени. Первоначальная калибровка механизма будет оставаться точной дольше, если кристаллы предварительно состарены. Преимущество закончится после последующего регулирования, которое сбрасывает любую совокупную ошибку старения до нуля. Причина, по которой более дорогие механизмы имеют тенденцию быть более точными, заключается в том, что кристаллы предварительно состариваются дольше и отбираются с учетом лучших характеристик старения. Иногда предварительно состаренные кристаллы отбираются вручную для исполнения механизма. [29]

Хронометры

Кварцевые хронометры , разработанные как эталоны времени, часто включают в себя кристаллическую печь , поддерживающую постоянную температуру кристалла. Некоторые из них имеют самооценку и включают «фермы кристаллов», чтобы часы могли измерять среднее значение набора измерений времени.

Внешние магнитные помехи

Шаговые двигатели типа Лаве, используемые в аналоговых кварцевых часах, которые сами приводятся в движение магнитным полем (генерируемым катушкой), могут подвергаться воздействию внешних (ближайших) источников магнетизма , и это может повлиять на выходную мощность звездочки ротора . В результате механическая работа аналоговых кварцевых часов может временно останавливаться, двигаться вперед или назад и отрицательно влиять на правильность хронометража. Поскольку сила магнитного поля почти всегда уменьшается с расстоянием, перемещение аналоговых кварцевых часов от мешающего внешнего источника магнитного поля обычно приводит к возобновлению правильной механической работы. Некоторые тестеры кварцевых наручных часов оснащены функцией магнитного поля, позволяющей проверить, может ли шаговый двигатель обеспечить механическую мощность и позволить зубчатой ​​передаче и стрелкам намеренно вращаться слишком быстро, чтобы устранить незначительные загрязнения. В целом магнетизм, встречающийся в повседневной жизни, не оказывает влияния на механизмы цифровых кварцевых часов, поскольку в этих механизмах нет шаговых двигателей. [30] Мощные источники магнетизма, такие как магниты МРТ , могут повредить кварцевые механизмы часов. [31]

История

Четыре прецизионных кварцевых генератора с частотой 100 кГц в Бюро стандартов США (ныне NIST ), которые стали первым кварцевым стандартом частоты в Соединенных Штатах в 1929 году. Хранились в печах с контролируемой температурой, чтобы предотвратить дрейф частоты из-за теплового расширения или сжатия большого кварца. резонаторов (установленных под стеклянными куполами наверху агрегатов) они достигли точности 10 −7 , погрешность примерно 1 секунда за 4 месяца.
Ранние кварцевые часы для потребителей
Кварцевые часы на стене, 2005 год.

Пьезоэлектрические свойства кварца были открыты Жаком и Пьером Кюри в 1880 году. В 1912 году был изобретен ламповый генератор. [32] Электрический осциллятор впервые был использован для поддержания движения камертона британским физиком Уильямом Экклсом в 1919 году; [33] его достижение устранило большую часть демпфирования, связанного с механическими устройствами, и максимизировало стабильность частоты вибрации. [33] Первый кварцевый генератор был построен Уолтером Дж. Кэди в 1921 году. В 1923 году Д. У. Дай из Национальной физической лаборатории в Великобритании и Уоррен Маррисон из Bell Telephone Laboratories создали последовательности точных сигналов времени с помощью кварцевых генераторов.

В октябре 1927 года первые кварцевые часы были описаны и изготовлены Джозефом У. Хортоном и Уорреном А. Маррисоном в Bell Telephone Laboratories . [34] [a] [36] [37] В часах 1927 года использовался кристаллический блок, стимулируемый электричеством, для генерации импульсов с частотой 50 000 циклов в секунду. [38] Генератор контролируемой частоты, кратный дроби, затем разделил полученный сигнал на полезный регулярный импульс, который приводил в действие синхронный двигатель . [38]

В следующие три десятилетия были разработаны кварцевые часы как точные эталоны времени в лабораторных условиях; громоздкая и хрупкая 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 в несколько недель. [39] В 1932 году в Японии Иссак Кога разработал огранку кристалла, которая давала частоту колебаний со значительно уменьшенной температурной зависимостью. [40] [41] [42] Национальное бюро стандартов (ныне NIST ) основало стандарт времени США на кварцевых часах в период с 1930-х по 1960-е годы, после чего оно перешло на атомные часы . [43] В 1953 году компания Longines представила первый кварцевый механизм. [44] Более широкое использование технологии кварцевых часов пришлось ждать разработки дешевой полупроводниковой цифровой логики в 1960-х годах. В переработанном 14-м издании Британской энциклопедии 1929 года говорилось, что кварцевые часы, вероятно, никогда не будут достаточно доступными для использования внутри страны. [ нужна цитата ]

Присущая им физическая и химическая стабильность и точность привели к последующему распространению, и с 1940-х годов они легли в основу точных измерений времени и частоты во всем мире. [45]

Разработка кварцевых часов для потребительского рынка произошла в 1960-х годах. Одним из первых успехов стали портативные кварцевые часы под названием Seiko Crystal Chronometer QC-951 . Эти портативные часы использовались в качестве резервного таймера во время марафонских забегов на летних Олимпийских играх 1964 года в Токио. [46] В 1966 году прототипы первых в мире кварцевых карманных часов были представлены компаниями Seiko и Longines на конкурсе Невшательской обсерватории 1966 года. [47] В 1967 году CEH и Seiko представили прототипы кварцевых наручных часов на конкурсе Невшательской обсерватории. [46] [48] Первый в мире прототип аналоговых кварцевых наручных часов был представлен в 1967 году: Beta 1, представленная Центром электронного часового искусства (CEH) в Невшателе, Швейцария, [49] [50] и прототип Astron, представленный Seiko в 1967 году. Япония (Seiko работала над кварцевыми часами с 1958 года). [49] [46] [47] [51] Первые швейцарские кварцевые часы – Ebauches SA Beta 21 – прибыли на Базельскую ярмарку 1970 года . [47] [52] В декабре 1969 года Seiko выпустила первые в мире коммерческие кварцевые наручные часы Seiko Quartz-Astron 35SQ [53] [54] , которые теперь удостоены награды IEEE Milestone . [55] [56] Astron имел кварцевый генератор с частотой 8192 Гц и точностью до 0,2 секунды в день, 5 секунд в месяц или 1 минуту в год. Astron был выпущен менее чем за год до появления Swiss Beta 21, которая была разработана 16 производителями швейцарских часов и использовалась Rolex, Patek и Omega в своих электрокварцевых моделях. Эти первые кварцевые часы были довольно дорогими и продавались как часы класса люкс. Присущая им точность и, в конечном итоге, низкая себестоимость производства привели с тех пор к распространению кварцевых часов.

Girard-Perregaux представила калибр 350 в 1971 году с заявленной точностью около 0,164 секунды в день, который имел кварцевый генератор с частотой 32 768 Гц, которая была быстрее, чем предыдущие кварцевые механизмы часов, и с тех пор стала частотой колебаний, используемой большинство кварцевых часов. [57] [58] Внедрение в 1970-х годах интегральных схем металл-оксид-полупроводник (МОП) позволило обеспечить 12-месячный срок службы батареи от одной монеты при управлении либо механическим шаговым двигателем типа Лаве , либо плавным нерегулируемым двигателем. шаговый двигатель или жидкокристаллический дисплей (в цифровых часах с ЖК-дисплеем). Светодиодные (LED) дисплеи для часов стали редкостью из-за сравнительно высокого расхода заряда батареи. Эти инновации сделали технологию пригодной для внедрения на массовом рынке. В лабораторных условиях атомные часы заменили кварцевые часы в качестве основы для точных измерений времени и частоты, в результате чего появилось Международное атомное время .

К 1980-м годам кварцевая технология взяла на себя такие приложения, как кухонные таймеры , будильники , замки времени в банковских хранилищах и взрыватели времени на боеприпасах, из более ранних механизмов механического балансового колеса , переворот, известный в часовом деле как кварцевый кризис .

Кварцевые часы доминируют на рынке наручных и отечественных часов с 1980-х годов. Благодаря высокой добротности и низкотемпературному коэффициенту кварцевого кристалла они более точны, чем лучшие механические часы, а отсутствие всех движущихся частей и значительно более низкая чувствительность к помехам от внешних причин, таких как магнетизм и удары, делают их более прочными. и исключает необходимость периодического обслуживания.

Стандартные кристаллические блоки «Часы» или часы реального времени (RTC) стали дешевыми изделиями массового производства на рынке электронных компонентов. [59]

Смотрите также

Примечания

  1. ^ Кварцевые резонаторы могут вибрировать с очень малой амплитудой , которой можно точно управлять, и эти свойства позволяют им иметь замечательную степень стабильности частоты . [35]

Рекомендации

  1. ^ ab «Точность и стабильность кварцевых часов». Архивировано 13 декабря 2017 г. в Wayback Machine Майклом Ломбарди (2008).
  2. ^ «Представление кристаллов камертонного кварца» (PDF) . Архивировано (PDF) из оригинала 8 мая 2021 г. Проверено 26 октября 2021 г.
  3. ^ Ашихара, Каору (1 сентября 2007 г.). «Пороги слышимости для чистых тонов выше 16 кГц». Журнал Акустического общества Америки . 122 (3): EL52–EL57. Бибкод : 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 звуки частотой до 28 кГц, когда их уровень превышает примерно 100 дБ SPL.
  4. ^ "262144 (= 218) Гц, секундная развертка (аналоговая секундная стрелка с шагом 0,125 с), кварцевый механизм часов Bulova Caliber 8136 на сайте Calibercorner.com" . Архивировано из оригинала 26 января 2022 г. Проверено 13 марта 2022 г.
  5. ^ «Секундная развертка TMI VH31 (аналоговая секундная стрелка с шагом 0,25 с), кварцевый механизм часов» . Архивировано из оригинала 11 ноября 2020 г. Проверено 13 марта 2022 г.
  6. ^ «Кристаллический блок камертона (цилиндрического типа)» (PDF) . Архивировано (PDF) из оригинала 27 ноября 2021 г. Проверено 28 ноября 2021 г.
  7. ^ Ито Х., Аошима Ю., Сакагути Ю. (2002). «Модель кварцевого камертона с пластинчатой ​​пружиной, приближенной к торсионной пружине, принятой в месте соединения рычага и основания». Материалы Международного симпозиума по управлению частотой IEEE и выставки КПК 2002 г. (Кат. № 02CH37234) . стр. 145–151. дои : 10.1109/FREQ.2002.1075871. ISBN 978-0-7803-7082-1. S2CID  123587688.
  8. ^ Уитни, Скотт (23 апреля 1999 г.). «Вибрации консольных балок: отклонение, частота и использование в исследованиях». Университет Небраски-Линкольн. Архивировано из оригинала 31 октября 2011 г. Проверено 9 ноября 2011 г.
  9. ^ «Плотность кварца». Wolframalpha.com . Проверено 25 марта 2010 г.
  10. ^ ab «Использование типичных температурных характеристик кристалла с частотой 32 кГц для компенсации последовательных часов реального времени M41T83 и M41T93» (PDF) . st.com . СТМикроэлектроника - . Проверено 17 сентября 2023 г.
  11. ^ «Введение в кварцевые стандарты частоты - статическая частота в зависимости от температурной стабильности» . Архивировано из оригинала 17 июля 2021 г. Проверено 12 октября 2021 г.
  12. ^ «Ошибки в определении долготы, широты и азимута-I Ф.А. МакДиармида, Королевское астрономическое общество Канады, 1914» . Архивировано из оригинала 16 октября 2021 г. Проверено 13 октября 2021 г.
  13. ^ Схема транзисторного кварцевого генератора
  14. ^ "Кварцевые механизмы COSC" . Архивировано из оригинала 26 августа 2019 г. Проверено 26 августа 2019 г.
  15. ^ "Интервью Пьера-Ива Согеля, директора COSC" . Архивировано из оригинала 8 декабря 2010 г. Проверено 10 октября 2021 г.
  16. ^ Читай, Александр. «Высокоточные часы, которые можно использовать в качестве морского хронометра» . Проверено 22 сентября 2007 г.
  17. ^ «В поисках совершенства: кварцевые часы с термокомпенсацией и их механизмы» . Архивировано из оригинала 4 ноября 2012 г. Проверено 6 октября 2012 г.
  18. ^ Мейер, Д. «Высокоточные наручные часы как морские хронометры» . Проверено 21 апреля 2013 г.
  19. ^ «Гражданин представляет механизм Eco-Drive Cal.0100 с годовой точностью ± 1 секунда» . 21 марта 2018 г. Архивировано из оригинала 25 апреля 2018 г. Проверено 25 апреля 2018 г.
  20. ^ «Кризис? Какой кризис? Краткая история высокочастотных сверхточных кварцевых часов» . 17 октября 2019 г. Архивировано из оригинала 26 июля 2021 г. Проверено 26 июля 2021 г.
  21. ^ «Является ли Citizen Caliber 0100 самыми точными часами в мире?» Архивировано из оригинала 06 августа 2020 г. Проверено 14 июня 2019 г.
  22. ^ «Кристаллические блоки / Техническое руководство по кварцевым генераторам» . Архивировано из оригинала 12 июня 2018 г. Проверено 25 апреля 2018 г.
  23. ^ «Citizen представляет самый точный в мире механизм Cal.0100 Eco-Drive с годовой точностью ± 1 секунда на BASELWORLD 2018» . Архивировано из оригинала 25 апреля 2018 г. Проверено 25 апреля 2018 г.
  24. ^ «Насколько точны радиоуправляемые часы?» Архивировано 16 октября 2021 г. в Wayback Machine Майклом Ломбарди (2010).
  25. ^ «Руководство по эксплуатации настенных радиоуправляемых часов» (PDF) . Архивировано (PDF) из оригинала 16 октября 2021 г. Проверено 16 октября 2021 г.
  26. ^ «Введение в кварцевые стандарты частоты - старение». Архивировано из оригинала 10 июля 2021 г. Проверено 10 июля 2021 г.
  27. ^ «Введение в кварцевые стандарты частоты - старение». Архивировано из оригинала 17 июня 2019 г. Проверено 13 июня 2019 г.
  28. ^ «Старение кристаллов кварца» (PDF) . Архивировано (PDF) из оригинала 6 августа 2020 г. Проверено 13 июня 2019 г.
  29. ^ «Является ли Citizen Caliber 0100 самыми точными часами в мире?» Архивировано из оригинала 06 августа 2020 г. Проверено 14 июня 2019 г.
  30. ^ «Как магнетизм влияет на часы?». Архивировано из оригинала 21 января 2022 г. Проверено 21 января 2022 г.
  31. ^ «Безопасные часы для МРТ в рамках вашего бюджета!». Архивировано из оригинала 22 января 2022 г. Проверено 22 января 2022 г.
  32. ^ Маррисон 1948, с. 526.
  33. ^ аб Маррисон 1948, с. 527.
  34. ^ Маррисон 1948, с. 538.
  35. ^ Маррисон 1948, с. 533.
  36. ^ Маррисон, Вашингтон; Дж. У. Хортон (февраль 1928 г.). «Прецизионное определение частоты». Труды ИРЭ . 16 (2): 137–154. дои : 10.1109/JRPROC.1928.221372. S2CID  51664900.
  37. ^ Маррисон, Уоррен (1948). «Эволюция кварцевых часов». Технический журнал Bell System . АТ&Т. 27 (3): 510–588. doi :10.1002/j.1538-7305.1948.tb01343.x. Архивировано из оригинала 13 мая 2007 г.
  38. ^ аб Маррисон, Вашингтон «Эволюция кварцевых часов». IEEE UFFC .
  39. ↑ Маррисон. Архивировано 17 июля 2011 г. в Wayback Machine , 1948.
  40. ^ Кога, Иссак; Аруга, Масанао; Ёсинака, Ёитиро (1958). «Теория плоских упругих волн в пьезоэлектрической кристаллической среде и определение упругих и пьезоэлектрических констант кварца». Физический обзор . 109 (5): 1467–1473. Бибкод : 1958PhRv..109.1467K. дои : 10.1103/PhysRev.109.1467.
  41. ^ Кога, И. (1936). «Заметки о пьезоэлектрических кристаллах кварца». Труды ИРЭ . 24 (3): 510–531. дои : 10.1109/JRPROC.1936.226840. S2CID  51674194.
  42. ^ Учино, К. (2010). Усовершенствованные пьезоэлектрические материалы. Эльзевир. п. 174. ИСБН 978-1-84569-534-7.
  43. ^ Салливан, DB (2001). «Измерение времени и частоты в NIST: первые 100 лет» (PDF) . Отдел времени и частоты, Национальный институт стандартов и технологий. п. 5.
  44. ^ Джуди, Дин (2008). Часы: Warman’s Companion. Иола, Висконсин: F + W Media. ISBN 9781440219085. Проверено 19 октября 2023 г.
  45. ^ Маррисон 1948, стр. 531–532.
  46. ^ abc «Кварцевый кризис и восстановление швейцарских часов | Связь между часами и обществом». Музей Сейко . Проверено 3 марта 2019 г.
  47. ^ abc «1969: Год прорыва Seiko». 20 декабря 2009 г. Архивировано из оригинала 29 января 2022 г. Проверено 24 января 2022 г.
  48. ^ «Пятьдесят лет кварцевых наручных часов - Журнал FHH» . Journal.hautehorlogerie.org . Проверено 5 марта 2019 г.
  49. ^ ab Карлин Стивенс и Мэгги Деннис Инженерное время: изобретение электронных наручных часов. Архивировано 1 декабря 2017 г. в Wayback Machine .
  50. ^ «От истоков до сегодняшних достижений». Федерация швейцарской часовой промышленности. Архивировано из оригинала 28 ноября 2007 г. Проверено 6 декабря 2007 г.
  51. ^ Часы: шедевры хронометрии. Дэвид Кристиансон. Архивировано 5 декабря 2022 г. в Wayback Machine , стр. 144
  52. ^ Фрей, Армин Х., «Из первых рук: первые кварцевые наручные часы». Архивировано 27 марта 2014 г. в Wayback Machine , Сеть глобальной истории IEEE , 2009 г.
  53. ^ "Seiko Quartz Astron 35SQ, декабрь 1969 г." (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 16 марта 2022 г. Проверено 3 декабря 2013 г.
  54. ^ Фаулер, Сюзанна (23 июля 2021 г.). «Возвращение ко времени на Олимпийских играх в Токио 1964 года». Нью-Йорк Таймс . ISSN  0362-4331 . Проверено 25 ноября 2021 г.
  55. ^ "Вехи: электронные кварцевые наручные часы, 1969" . 31 декабря 2015 г.
  56. ↑ Томпсон, Джо (10 октября 2017 г.). «Четыре революции: Часть 1: Краткая история кварцевой революции». Ходинки . Проверено 3 марта 2019 г.
  57. ^ Коллекционер часов с ограниченным бюджетом? Начните с винтажного кварца
  58. ^ Реставрация калибра Girard-Perregaux 350, самых важных кварцевых часов, о которых вы никогда не слышали
  59. ^ "Кристаллические камертоны" . Архивировано из оригинала 24 октября 2021 г. Проверено 24 октября 2021 г.

дальнейшее чтение

Внешние ссылки