stringtranslate.com

Кварцевые часы

Печатная плата электронного блока хронографа - наручных часов. Кварцевый генератор виден справа.

Кварцевые часы и кварцевые наручные часы — это часы, которые используют электронный генератор, регулируемый кварцевым кристаллом, чтобы поддерживать время. Этот кварцевый генератор создает сигнал с очень точной частотой , так что кварцевые часы и наручные 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 единицах часов, минут и секунд.

Начиная с 1980-х годов, когда появление твердотельной цифровой электроники позволило сделать их компактными и недорогими, кварцевые хронометры стали самой широко используемой технологией измерения времени в мире, применяемой в большинстве настенных и наручных часов , а также в компьютерах и других устройствах, отсчитывающих время.

Объяснение

Разобранный аналоговый кварцевый часовой механизм; кварцевый генератор (слева вверху), шаговый двигатель типа Lavet (слева) с черной звездочкой ротора и соединенными белыми и прозрачными шестернями (справа). Эти шестерни управляют движением секундной, минутной и часовой стрелок.
Базовый кварцевый механизм наручных часов. Справа внизу: кварцевый генератор , слева: батарейка для часов-таблеток, справа вверху: счетчик генератора, цифровой делитель частоты и драйвер для шагового двигателя (под черной эпоксидной смолой), слева вверху: катушка шагового двигателя , которая питает стрелки часов.

Химически кварц представляет собой особую форму соединения, называемого диоксидом кремния . Многие материалы могут быть сформированы в пластины, которые будут резонировать . Однако кварц также является пьезоэлектрическим материалом : то есть, когда кристалл кварца подвергается механическому напряжению, такому как изгиб, он накапливает электрический заряд по некоторым плоскостям. В обратном эффекте, если заряды помещаются поперек плоскости кристалла, кристаллы кварца будут изгибаться. Поскольку кварц может быть напрямую приведен в действие (изгибаться) электрическим сигналом, для его использования в резонаторе не требуется никакого дополнительного преобразователя . Похожие кристаллы используются в картриджах для фонографов низкого класса : движение иглы (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: его размер не сильно меняется при колебаниях температуры . Плавленый кварц часто используется для лабораторного оборудования, которое не должно менять форму вместе с температурой. Резонансная частота кварцевой пластины, в зависимости от ее размера, не будет существенно повышаться или понижаться. Аналогично, поскольку ее резонатор не меняет форму, кварцевые часы будут оставаться относительно точными при изменении температуры.

В начале 20 века радиоинженеры искали точный, стабильный источник радиочастот и начали сначала со стальных резонаторов. Однако, когда Уолтер Гайтон Кэди обнаружил в начале 1920-х годов, что кварц может резонировать с меньшим количеством оборудования и лучшей температурной стабильностью, стальные резонаторы исчезли в течение нескольких лет. Позже ученые из Национального института стандартов и технологий (тогда Национальное 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 подается обратно на вход усилителя, и резонатор гарантирует, что генератор работает на точной интересующей частоте. Когда схема включена, одиночный всплеск дробового шума (всегда присутствующий в электронных схемах) может каскадироваться, чтобы привести генератор в колебание на желаемой частоте. Если бы усилитель был совершенно бесшумным, генератор не запустился бы.

Частота, с которой колеблется кристалл, зависит от его формы, размера и кристаллической плоскости, на которой разрезается кварц. Положения, в которых размещены электроды, также могут немного изменить настройку. Если кристалл точно сформирован и расположен, он будет колебаться с желаемой частотой. Почти во всех кварцевых часах и наручных часах частота32 768  Гц , [1] и кристалл вырезается в форме небольшого камертона на определенной кристаллической плоскости. [2] Эта частота является степенью 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 позволять недорогим счетчикам получать 1-секундный импульс. [3] Выход линии данных от такого кварцевого резонатора становится высоким и низким32 768 раз в секунду. Это подается на триггер (который по сути является двумя транзисторами с небольшим количеством перекрестных соединений), который меняется с низкого на высокий или наоборот, когда линия от кристалла меняется с высокого на низкий. Выходной сигнал с него подается на второй триггер и так далее через цепочку из 15 триггеров, каждый из которых действует как эффективный делитель частоты степени 2 , деля частоту входного сигнала на 2. Результатом является 15-битный двоичный цифровой счетчик, управляемый частотой, которая будет переполняться один раз в секунду, создавая цифровой импульс один раз в секунду. Выходной импульс в секунду может использоваться для управления многими видами часов. В аналоговых кварцевых часах и наручных часах электрический выходной импульс в секунду почти всегда передается на шаговый двигатель типа Lavet , который преобразует электронные входные импульсы от счетного устройства триггеров в механический выходной сигнал, который может использоваться для перемещения стрелок.

Каждый триггер уменьшает частоту в 2 раза.

Также возможно, что кварцевый кристалл в кварцевых часах и наручных часах будет колебаться с более высокой частотой, чем32 768 (= 2 15 ) Гц (высокочастотные кварцевые механизмы [4] ) и/или генерируют цифровые импульсы чаще одного раза в секунду, чтобы приводить в действие секундную стрелку, работающую от шагового двигателя, с большей мощностью 2, чем один раз в секунду, [5] но потребление электроэнергии (разряд батареи) увеличивается, поскольку более высокие частоты колебаний и любая активация шагового двигателя требуют энергии, что делает такие небольшие кварцевые часовые механизмы с питанием от батареи относительно редкими. Некоторые аналоговые кварцевые часы имеют вращающуюся секундную стрелку, перемещаемую нешаговой батареей или электродвигателем с питанием от сети, что часто приводит к снижению механического выходного шума.

Механизм

Изображение кварцевого резонатора, используемого в качестве компонента для измерения времени в кварцевых часах и настенных 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 вырезается в форме небольшого камертона ( XY-резка ), обрабатывается лазером или прецизионно шлифуется для вибрации с частотой32 768  Гц . Эта частота равна 2 15 циклам в секунду. Степень 2 выбрана таким образом, чтобы простая цепочка цифровых стадий деления на 2 могла вывести сигнал 1 Гц, необходимый для управления секундной стрелкой часов. В большинстве часов резонатор находится в небольшом цилиндрическом или плоском корпусе длиной около 4–6 мм. [6]Резонатор 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 батарейки часов .

Основная формула для расчета основной частоты ( f ) колебаний кантилевера в зависимости от его размеров (квадратичное поперечное сечение) имеет вид [7]

где

1,875104 (округленно) — наименьшее положительное решение уравнения cos( x ) cosh( x ) = −1, [8]
l — длина консоли,
а — его толщина вдоль направления 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 [9] ) длиной 3 мм и толщиной 0,3 мм имеет, таким образом, основную частоту около 33 кГц. Кристалл настроен точно на 2 15 =32 768  Гц или работает на несколько более высокой частоте с компенсацией торможения (см. ниже).

Точность

Относительная стабильность кварцевого резонатора и его схемы возбуждения намного лучше, чем его абсолютная точность. Стандартное качество32 768  Гц резонаторы этого типа гарантированно имеют долгосрочную точность около шести частей на миллион (0,0006%) при температуре 31 °C (87,8 °F): то есть типичные кварцевые часы или наручные часы будут спешить или отставать на 15 секунд за 30 дней (в нормальном диапазоне температур от 5 до 35 °C или от 41 до 95 °F) или менее чем на полсекунды в день при ношении рядом с телом.

Изменение температуры и частоты

Хотя кварц имеет очень низкий коэффициент теплового расширения , изменения температуры являются основной причиной изменения частоты в кварцевых генераторах. Наиболее очевидный способ уменьшения влияния температуры на частоту колебаний — поддерживать постоянную температуру кристалла. Для лабораторных генераторов используется кварцевый генератор с термостатическим управлением , в котором кристалл находится в очень маленькой печи, которая поддерживается при постоянной температуре. Однако этот метод непрактичен для потребительских кварцевых часов и наручных часовых механизмов.

Кристаллические плоскости и настройка резонаторов кварцевых часов потребительского класса, используемых в наручных часах, разработаны для минимальной температурной чувствительности к частоте и работают лучше всего в диапазоне температур от 25 до 28 °C (от 77 до 82 °F). Точная температура, при которой кристалл колеблется с наибольшей скоростью, называется «точкой оборота» и может быть выбрана в определенных пределах. [10] Правильно выбранная точка оборота может минимизировать негативное влияние дрейфа частоты, вызванного температурой, и, следовательно, улучшить практическую точность хронометража кварцевого генератора потребительского класса без существенного увеличения стоимости. [10] Более высокая или более низкая температура приведет к скорости колебаний −0,035  ppm /°C 2 (более медленной). Таким образом, отклонение температуры на ±1 °C будет учитывать изменение скорости (±1) 2 × −0,035 ppm = −0,035 ppm, что эквивалентно −1,1 секунды в год. Если же 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 наилучшие показатели хронометража. Регулярное ношение кварцевых часов значительно снижает величину колебаний температуры окружающей среды, поскольку правильно спроектированный корпус часов образует целесообразную кристаллическую печь , которая использует стабильную температуру человеческого тела для поддержания кварцевого генератора в наиболее точном диапазоне температур.

Повышение точности

Некоторые конструкции механизмов обладают функциями повышения точности или саморегулирования и саморегуляции. То есть, вместо того, чтобы просто подсчитывать вибрации, их компьютерная программа берет простой счет 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 точного таймера и регулировочного терминала после выхода с завода, также становятся более точными по мере старения их кварцевого кристалла и соответствующей компенсации несколько непредсказуемых эффектов старения.

Автономные высокоточные кварцевые механизмы, даже в наручных часах , могут быть точными в пределах от ±1 до ±25 секунд в год и могут быть сертифицированы и использоваться в качестве морских хронометров для определения долготы ( положения точки на поверхности Земли с востока на запад ) с помощью астрономической навигации . Когда время на нулевом меридиане (или другой начальной точке) известно достаточно точно, астрономическая 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]

Конденсатор триммера

Независимо от точности генератора, кварцевый аналоговый или цифровой часовой механизм может иметь подстроечный конденсатор . Они обычно встречаются в старых, винтажных кварцевых часах – даже во многих более дешевых. Подстроечный конденсатор или переменный конденсатор изменяет частоту, исходящую 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). Подстроечный конденсатор выглядит как небольшой винт, который был проложен проводами в печатной плате. Обычно поворот винта по часовой стрелке ускоряет движение, а против часовой стрелки замедляет его примерно на 1 секунду в день за 1 ⁄ 6 оборота винта. Немногие новые конструкции кварцевых механизмов оснащены механическим подстроечным конденсатором и полагаются на, как правило, цифровые методы коррекции.

Температурная компенсация

Кварцевые часы повышенной точности

Компьютеризированный высокоточный кварцевый механизм может измерять свою температуру и подстраиваться под нее. Для этого механизм автономно измеряет температуру кристалла от нескольких сотен до нескольких тысяч раз в день и компенсирует это с помощью небольшого расчетного смещения. 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 для торможения в зависимости от выходного сигнала температурного датчика. Средний стандарт дневной ставки COSC для официально сертифицированных кварцевых хронометров COSC составляет ±25,55 секунд в год при 23 °C или 73 °F. Чтобы получить маркировку хронометра COSC, кварцевый прибор должен обладать термокомпенсацией и строгой инкапсуляцией. 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 как хронометры. [15] Эти сертифицированные хронометром COSC механизмы могут использоваться в качестве морских хронометров для определения долготы с помощью астронавигации. [16] [17] [18]

Дополнительные методы повышения точности

С 2019 года в продажу поступил автономный высокоточный кварцевый часовой механизм, работающий на свету , который, как утверждается, обеспечивает точность до ± 1 секунды в год. [19] [20] Ключевыми элементами для получения высокой заявленной точности являются применение кварцевого кристалла необычной формы (для часов) ( AT-огранка ), работающего на частоте 2,23 илиЧастота 8 388 608  Гц , термокомпенсация и ручной отбор предварительно состаренных кристаллов. [21] Изменения AT-среза позволяют достичь больших температурных допусков, 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 существенными. [22] [23]

Компенсация торможения

Многие недорогие кварцевые часы и наручные часы используют метод оценки и компенсации, известный как компенсация торможения . [1] Кристалл намеренно сделан так, чтобы работать немного быстрее. После изготовления каждый модуль калибруется по прецизионным часам на заводе и настраивается для поддержания точного времени путем программирования цифровой логики для пропуска небольшого количества циклов кристалла через регулярные интервалы, например, 10 секунд или 1 минуту. Для типичного кварцевого механизма это позволяет запрограммировать корректировки с шагом 7,91 секунды в 30 дней для 10-секундных интервалов (на 10-секундном измерительном стробе) или запрограммировать корректировки с шагом 1,32 секунды в 30 дней для 60-секундных интервалов (на 60-секундном измерительном стробе). Преимущество этого метода заключается в том, что использование цифрового программирования для сохранения количества подавляемых импульсов в энергонезависимом регистре памяти на чипе менее затратно, чем старая техника подстройки частоты кварцевого камертона. Логику торможения-компенсации некоторых кварцевых часов можно отрегулировать в сервисных центрах с помощью профессионального прецизионного таймера и регулировочного терминала после выпуска с завода, хотя многие недорогие кварцевые часовые механизмы не обладают такой функцией.

Коррекция внешнего сигнала времени

Если кварцевый механизм ежедневно «оценивается» путем измерения его хронометрических характеристик по радиосигналу времени или спутниковому сигналу времени , чтобы определить, сколько времени механизм выиграл или потерял 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, когда 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 руководящие принципы, рекомендующие, чтобы эти механизмы поддерживали время между синхронизациями в пределах ±0,5 секунд, чтобы время оставалось правильным при округлении до ближайшей секунды. [24] Некоторые из этих механизмов могут поддерживать время между синхронизациями в пределах ±0,2 секунды, синхронизируясь более одного раза в течение дня. [25]

Старение кварцевого кристалла

Часовые кварцевые кристаллы производятся в сверхчистой среде, затем защищены инертным сверхвысоким вакуумом в герметичных контейнерах. Несмотря на эти меры, частота кварцевого кристалла может медленно меняться с течением времени. 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, но он также может увеличить частоту данного кристалла. [26]

Факторами, которые могут вызвать небольшой дрейф частоты с течением времени, являются снятие напряжения 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 высоких температур. [27] Старение кристалла имеет тенденцию быть логарифмическим , то есть максимальная скорость изменения частоты происходит сразу после изготовления и затухает после этого. Большая часть старения произойдет в течение первого года службы кристалла. Кристаллы в конечном итоге прекращают стареть ( асимптотически ), но это может занять много лет. Производители механизмов могут предварительно старить кристаллы перед сборкой их в часовые механизмы. Для ускорения старения кристаллы подвергаются воздействию высоких температур. [28] Если кристалл предварительно стареет, производитель может измерить его скорость старения (строго говоря, коэффициенты в формуле старения) и заставить микроконтроллер вычислить поправки с течением времени. Первоначальная калибровка механизма будет оставаться точной дольше, если кристаллы предварительно стареют. Преимущество закончится после последующей регулировки, которая сбрасывает любую накопленную ошибку старения до нуля. Причина, по которой более дорогие механизмы, как правило, более точны, заключается в том, что кристаллы предварительно стареют дольше и выбираются для лучшей производительности старения. Иногда предварительно состаренные кристаллы вручную выбираются для производительности механизма. [29]

Хронометры

Кварцевые хронометры, разработанные как стандарты времени, часто включают в себя кристаллическую печь , чтобы поддерживать кристалл при постоянной температуре. Некоторые саморегулируются и включают в себя «кристаллические фермы», так что часы могут брать среднее значение набора измерений времени.

Внешние магнитные помехи

Шаговые двигатели типа Lavet, используемые в механизмах аналоговых кварцевых часов, которые сами по себе приводятся в действие магнитным полем (генерируемым катушкой), могут быть подвержены влиянию внешних (близлежащих) источников магнетизма , и это может повлиять на выход звездочки ротора . В результате механический выход аналоговых кварцевых часовых механизмов может временно остановиться, двигаться вперед или назад и отрицательно влиять на правильность хронометража. Поскольку сила магнитного поля почти всегда уменьшается с расстоянием, перемещение аналогового кварцевого часового механизма от мешающего внешнего магнитного источника обычно приводит к возобновлению правильного механического выхода. Некоторые тестеры кварцевых наручных часов имеют функцию магнитного поля для проверки того, может ли шаговый двигатель обеспечивать механический выход и позволять зубчатой ​​передаче и стрелкам преднамеренно вращаться слишком быстро, чтобы очистить мелкие 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 механизмы кварцевых часов. [31]

История

Четыре прецизионных кварцевых генератора частотой 100 кГц в Бюро стандартов США (ныне NIST ), которые стали первым кварцевым стандартом частоты для Соединенных Штатов в 1929 году. Их хранили в печах с контролируемой температурой, чтобы предотвратить дрейф частоты из-за теплового расширения или сжатия больших кварцевых резонаторов (установленных под стеклянными куполами в верхней части устройств), и они достигли точности 10−7 , примерно 1 секунды ошибки за 4 месяца.
Одни из первых экспериментальных кварцевых часов, построенных Уорреном Маррисоном в Bell Labs в 1927 году. Генератор вакуумной лампы, управляемый кварцевым кристаллом 100 кГц ( под куполом наверху ), делится счетчиками вакуумных ламп и запускает синхронные часы на передней панели. Точность составляла 0,01 секунды в день
Первые кварцевые часы для потребителей
Кварцевые часы на стене, 2005 г.

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

В октябре 1927 года Джозеф У. Хортон и Уоррен А. Маррисон из Bell Telephone Laboratories описали и построили первые кварцевые часы . [34] [a] [36] [37] Часы 1927 года использовали блок кристалла, стимулируемый электричеством, для создания импульсов с частотой 50 000 циклов в секунду. [38] Затем генератор с дольной контролируемой частотой делил его на пригодный для использования регулярный импульс, который приводил в действие синхронный двигатель . [38]

В течение следующих 3 десятилетий кварцевые часы стали точным эталоном времени в лабораторных условиях; громоздкая чувствительная счетная электроника, построенная на вакуумных лампах , ограничивала их использование в других местах. В 1932 году кварцевые часы смогли измерять крошечные изменения скорости вращения Земли за периоды, составляющие всего несколько недель. [39] В Японии в 1932 году Исаак Кога разработал огранку кристалла, которая давала частоту колебаний со значительно сниженной температурной зависимостью. [40] [41] [42] Национальное бюро стандартов (ныне NIST ) основывало эталон времени США на кварцевых часах между 1930-ми и 1960-ми годами, после чего оно перешло на атомные часы . [43] В 1953 году Longines выпустила первый кварцевый механизм. [44] Более широкое использование технологии кварцевых часов пришлось ждать разработки дешевой полупроводниковой цифровой логики в 1960-х годах. В пересмотренном 14-м издании Британской энциклопедии 1929 года говорилось, что кварцевые часы, вероятно, никогда не станут достаточно доступными для использования в домашних условиях. [ необходима цитата ]

Их присущая физическая и химическая стабильность и точность привели к последующему распространению, и с 1940-х годов они стали основой для точных измерений времени и частоты во всем мире. [45]

Разработка кварцевых часов для потребительского рынка происходила 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 для марафонов на летних Олимпийских играх 1964 года в Токио. [46] В 1966 году прототипы первых в мире кварцевых карманных часов были представлены Seiko и Longines на конкурсе Невшательской обсерватории 1966 года. [47] В 1967 году и CEH, и Seiko представили прототипы кварцевых наручных часов на конкурсе Невшательской обсерватории. [46] [48] Первые в мире прототипы аналоговых кварцевых наручных часов были представлены в 1967 году: Beta 1, представленная Centre Electronique Horloger (CEH) в Невшателе, Швейцария, [49] [50] и прототип Astron, представленный Seiko в Японии (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 был точен до 0,2 секунды в день, 5 секунд в месяц или 1 минуты в год. Astron был выпущен менее чем за год до появления Swiss Beta 21, который был разработан 16 швейцарскими производителями часов и использовался 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 достигнутая низкая стоимость производства привели к распространению кварцевых часов и наручных часов с того времени.

Girard-Perregaux представила Caliber 350 в 1971 году с заявленной точностью около 0,164 секунды в день, который имел кварцевый генератор с частотой 32 768 Гц, что было быстрее, чем у предыдущих кварцевых часовых механизмов, и с тех пор стало частотой колебаний, используемой большинством кварцевых часов. [57] [58] Внедрение в 1970-х годах интегральных схем металл-оксид-полупроводник (МОП) позволило обеспечить 12-месячный срок службы батареи от одной монетной ячейки при управлении либо механическим шаговым двигателем типа Лаве , либо плавным нешаговым двигателем, либо жидкокристаллическим дисплеем (в цифровых часах с ЖК-дисплеем). Светодиодные (LED) дисплеи для часов стали редкими из-за сравнительно высокого потребления батареи. Эти нововведения сделали технологию пригодной для принятия на массовом рынке. В лабораторных условиях атомные часы заменили кварцевые часы в качестве основы для точных измерений времени и частоты, что привело к появлению Международного атомного времени .

К 1980-м годам кварцевая технология вытеснила более ранние механические механизмы с балансирным колесом в такие приложения, как кухонные таймеры , будильники , банковские часовые замки и взрыватели с часовым механизмом на боеприпасах. Этот переворот в часовом деле известен как кварцевый кризис .

Кварцевые часы доминируют на рынке наручных часов и домашних часов с 1980-х годов. Благодаря высокому коэффициенту добротности и низкому температурному коэффициенту кварцевого кристалла они точнее лучших механических часов, а отсутствие всех подвижных частей и значительно меньшая чувствительность к внешним воздействиям, таким как магнетизм и удары, делают их более прочными и устраняют необходимость периодического обслуживания.

Стандартные кристаллы часов или часов реального времени (RTC) стали дешевыми изделиями массового производства на рынке электронных деталей. [59]

Смотрите также

Примечания

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

Ссылки

  1. ^ ab «Точность и стабильность кварцевых часов» Архивировано 13 декабря 2017 г. на Wayback Machine Майклом Ломбарди (2008).
  2. ^ "Введение в кварцевые кристаллы Tuning Fork" (PDF) . Архивировано (PDF) из оригинала 2021-05-08 . Получено 2021-10-26 .
  3. ^ 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. ... Представленные результаты показывают, что некоторые люди могут воспринимать тоны по крайней мере 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 часовой механизм Bulova Caliber 8136 на calibrecorner.com". Архивировано из оригинала 2022-01-26 . Получено 2022-03-13 .
  5. ^ "TMI VH31 sweep second (аналоговая секундная стрелка, приводимая в движение с шагом 0,25 с) кварцевый часовой механизм". Архивировано из оригинала 2020-11-11 . Получено 2022-03-13 .
  6. ^ "Tuning Fork Crystal Unit (Cylinder Type)" (PDF) . Архивировано (PDF) из оригинала 2021-11-27 . Получено 2021-11-28 .
  7. ^ Itoh H, Aoshima Y, Sakaguchi Y (2002). "Модель кварцевого камертона с использованием пластинчатой ​​пружины, приближенной к торсионной пружине, принятой в соединении рычага и основания". Труды Международного симпозиума IEEE по управлению частотой и выставки PDA 2002 года (Кат. № 02CH37234) . стр. 145–151. doi :10.1109/FREQ.2002.1075871. ISBN 978-0-7803-7082-1. S2CID  123587688.
  8. ^ Уитни, Скотт (1999-04-23). ​​"Вибрации консольных балок: отклонение, частота и исследовательское использование". Университет Небраски–Линкольн. Архивировано из оригинала 2011-10-31 . Получено 2011-11-09 .
  9. ^ "плотность кварца". Wolframalpha.com . Получено 2010-03-25 .
  10. ^ ab "Использование типичных температурных характеристик кристалла 32 кГц для компенсации последовательных часов реального времени M41T83 и M41T93" (PDF) . st.com . STMicroelectronics - . Получено 17 сентября 2023 г. .
  11. ^ "Введение в кварцевые стандарты частоты – статическая частота в зависимости от температурной стабильности". Архивировано из оригинала 2021-07-17 . Получено 2021-10-12 .
  12. ^ "Ошибки в определении долготы, широты и азимута-I" Ф. А. Мак-Диармида, Королевское астрономическое общество Канады, 1914 г. Архивировано из оригинала 16.10.2021 . Получено 13.10.2021 .
  13. ^ Схема транзисторного кварцевого генератора
  14. ^ "COSC quartz movements". Архивировано из оригинала 2019-08-26 . Получено 2019-08-26 .
  15. ^ "Интервью Пьера-Ива Согеля, директора COSC" . Архивировано из оригинала 8 декабря 2010 г. Проверено 10 октября 2021 г.
  16. ^ Читайте, Александр. "Высокоточные часы, которые можно использовать как морской хронометр" . Получено 22.09.2007 .
  17. ^ "В погоне за совершенством: термокомпенсированные кварцевые часы и их механизмы". Архивировано из оригинала 2012-11-04 . Получено 2012-10-06 .
  18. ^ Мейер, Д. "Высокоточные наручные часы как морские хронометры" . Получено 21 апреля 2013 г.
  19. ^ "Citizen представляет механизм Cal.0100 Eco-Drive с годовой точностью ±1 секунду". 21 марта 2018 г. Архивировано из оригинала 25-04-2018 . Получено 25-04-2018 .
  20. ^ "Кризис? Какой кризис? Краткая история высокочастотных, сверхточных кварцевых часов". 17 октября 2019 г. Архивировано из оригинала 2021-07-26 . Получено 2021-07-26 .
  21. ^ «Is Citizen Caliber 0100 The World’s Most Accurate Watch?». Архивировано из оригинала 2020-08-06 . Получено 2019-06-14 .
  22. ^ "Crystal Units / Crystal Oscillators Technical Guide". Архивировано из оригинала 2018-06-12 . Получено 2018-04-25 .
  23. ^ "Citizen представляет самый точный в мире механизм Cal.0100 Eco-Drive с годовой точностью ±1 секунду на выставке BASELWORLD 2018". Архивировано из оригинала 25-04-2018 . Получено 25-04-2018 .
  24. ^ «Насколько точны радиоуправляемые часы?» Архивировано 16 октября 2021 г. на Wayback Machine Майклом Ломбарди (2010).
  25. ^ "Руководство по эксплуатации настенных радиоуправляемых часов" (PDF) . Архивировано (PDF) из оригинала 2021-10-16 . Получено 2021-10-16 .
  26. ^ "Введение в кварцевые стандарты частоты – старение". Архивировано из оригинала 2021-07-10 . Получено 2021-07-10 .
  27. ^ "Введение в кварцевые стандарты частоты - старение". Архивировано из оригинала 2019-06-17 . Получено 2019-06-13 .
  28. ^ "Старение кварцевого кристалла" (PDF) . Архивировано (PDF) из оригинала 2020-08-06 . Получено 2019-06-13 .
  29. ^ «Is Citizen Caliber 0100 The World’s Most Accurate Watch?». Архивировано из оригинала 2020-08-06 . Получено 2019-06-14 .
  30. ^ "Как магнетизм влияет на часы?". Архивировано из оригинала 2022-01-21 . Получено 2022-01-21 .
  31. ^ "Безопасные часы для МРТ, которые вписываются в ваш бюджет!". Архивировано из оригинала 2022-01-22 . Получено 2022-01-22 .
  32. ↑ Маррисон 1948, стр. 526.
  33. ^ ab Marrison 1948, стр. 527.
  34. ↑ Маррисон 1948, стр. 538.
  35. ↑ Маррисон 1948, стр. 533.
  36. ^ Marrison, WA; JW Horton (февраль 1928). «Точное определение частоты». Труды IRE . 16 (2): 137–154. doi :10.1109/JRPROC.1928.221372. S2CID  51664900.
  37. ^ Маррисон, Уоррен (1948). «Эволюция кварцевых часов». Bell System Technical Journal . 27 (3). AT&T: 510–588. doi :10.1002/j.1538-7305.1948.tb01343.x. Архивировано из оригинала 2007-05-13.
  38. ^ ab Marrison, WA "Эволюция кварцевых часов". IEEE UFFC .
  39. ↑ Маррисон. Архивировано 17 июля 2011 г. в Wayback Machine , 1948 г.
  40. ^ Кога, Иссак; Аруга, Масанао; Ёсинака, Ёитиро (1958). «Теория плоских упругих волн в пьезоэлектрической кристаллической среде и определение упругих и пьезоэлектрических констант кварца». Physical Review . 109 (5): 1467–1473. Bibcode :1958PhRv..109.1467K. doi :10.1103/PhysRev.109.1467.
  41. ^ Кога, И. (1936). «Заметки о пьезоэлектрических кварцевых кристаллах». Труды IRE . 24 (3): 510–531. doi :10.1109/JRPROC.1936.226840. S2CID  51674194.
  42. ^ Uchino, K. (2010). Advanced Piezoelectric Materials. Elsevier. стр. 174. ISBN 978-1-84569-534-7.
  43. ^ Салливан, Д. Б. (2001). «Измерение времени и частоты в NIST: первые 100 лет» (PDF) . Отделение времени и частоты, Национальный институт стандартов и технологий. стр. 5.
  44. ^ Джуди, Дин (2008). Часы: Warman's Companion. Айола, Висконсин: F+W Media. ISBN 9781440219085. Получено 19 октября 2023 г. .
  45. ^ Маррисон 1948, стр. 531–532.
  46. ^ abc "Кризис кварца и восстановление швейцарских часов | Связь между часами и обществом". Музей Seiko . Получено 2019-03-03 .
  47. ^ abc "1969: Seiko's Breakout Year". 20 декабря 2009 г. Архивировано из оригинала 29.01.2022 . Получено 24.01.2022 .
  48. ^ "Пятьдесят лет кварцевым наручным часам – FHH Journal". journal.hautehorlogerie.org . Получено 05.03.2019 .
  49. ^ ab Карлин Стивенс и Мэгги Деннис Инженерное время: изобретение электронных наручных часов Архивировано 01.12.2017 на Wayback Machine .
  50. ^ "От корней до сегодняшних достижений". Федерация швейцарской часовой промышленности. Архивировано из оригинала 28.11.2007 . Получено 06.12.2007 .
  51. ^ Часы: шедевры хронометрии Дэвида Кристиансона Архивировано 05.12.2022 в Wayback Machine , стр. 144
  52. ↑ Фрай, Армин Х., «Из первых рук: первые кварцевые наручные часы». Архивировано 27 марта 2014 г. на Wayback Machine , IEEE Global History Network, 2009 г.
  53. ^ "Seiko Quartz Astron 35SQ December 1969" (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 2022-03-16 . Получено 2013-12-03 .
  54. ^ Фаулер, Сюзанна (2021-07-23). ​​«Возвращаясь ко времени на Олимпийских играх в Токио 1964 года». The New York Times . ISSN  0362-4331 . Получено 2021-11-25 .
  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». Hodinkee . Получено 03.03.2019 .
  57. ^ Коллекционер часов с ограниченным бюджетом? Начните с винтажных кварцевых часов
  58. ^ Реставрация калибра Girard-Perregaux 350, самых важных кварцевых часов, о которых вы никогда не слышали
  59. ^ "Tuning Fork Crystal Units". Архивировано из оригинала 2021-10-24 . Получено 2021-10-24 .

Дальнейшее чтение

Внешние ссылки