主题:【原创】时钟的故事(5)--本系列完 -- 安德的游戏
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家园 【原创】时钟的故事(5)--本系列完

系列前四篇的链接是

【原创】时钟的故事(1)

【原创】时钟的故事(2)

【原创】时钟的故事(3)

【原创】时钟的故事(4)

现代的计时工具,最便宜也是被最多采用的,就是石英钟和石英表。我最早认识石英这个词,就是从我们家的石英钟上认识的。我发现几乎所有的石英钟上都有一个很醒目的词“quartz”。机械式的石英钟和石英表,跟早期的机械钟表看起来并没有什么太多的不一样。只不过是将核心的计时装置从机械结构的摆和振子,变成了电子结构的石英晶体振荡器。

石英晶体振荡器(quartz oscillator,或者有些人更喜欢称crystal oscillator,因为水晶就是透明的石英晶体,而且叫起来更好听。我发现美国人喜欢用crystal,对什么事情非常清楚明白了,就要叫crystal clear。这个扯远了。不过我也习惯用crystal oscillator的叫法,因为芯片接时钟输入的引脚通常都标成XTAL。中文里这个东西通常简称为晶振,就没啥可区分的了)是用石英晶体的压电效应制成的。所谓的压电效应,就是说当石英晶体在受挤压形变的时候,就会在内部产生电场,而如果外部加上电场,晶体也会产生形变。所以一个经过特定方式切割的石英晶体,加上外部的辅助电路,就会在特定的频率上产生共振,这个共振频率就是石英晶体振荡器的输出频率。振荡器输出的信号,经过整形、分频和放大,驱动步进电机,进而驱动齿轮组,带动表针运行,就可以指示时间了。

第一台石英钟是在加拿大的贝尔实验室首先制造出来的

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石英钟的缺点是受温度影响很大。一般的石英表,经过调整在接近人的体温下的频率,可以做到一天差不到1秒。保存在恒温下的石英钟,经过跟原子钟的校对,可以达到每个月只差2秒钟,可以达到航海钟的要求。不过在温度变化比较大的情况下,就不容易做到很准确了。一般用ppm表示百万分之一。一般廉价晶振误差会超过20ppm,也就是一天可能差1.7秒。有一种晶振叫做温度补偿晶体振荡器(TCXO),有温度补偿电路来纠正石英晶体因为温度变化的偏差,可以保证在很广的温度范围内不超过0.5ppm,这样一个月的误差也就是大约一秒,而且比恒温箱要便宜多了。

石英钟表比起机械的钟表,好处是很明显的。首先第一是便宜,另外是不用上发条,一颗电池就可以用一年多或者更久。所以现在小孩都能有自己的手表,而且很多还有不止一块。

最准确的钟,目前来说就是原子钟了。第一台原子钟是美国国家标准局在1949年制造的,采用的是铯133。原子钟的原理就是原子的核外电子在进行能级跃迁的时候,会吸收或者发射一定频率的光子。而这个频率是非常精确的。目前国际单位制钟关于秒的定义,就是铯133原子能级跃迁对应辐射电磁波周期的9192631770倍。

现在通常采用的原子钟,用的是铷,铯或者氢。因为热运动会对原子的稳定性造成影响,所以原子钟温度越低也就越准确。现在最先进的原子钟,采用激光致冷,就是用激光的压力把原子的位置固定住,这样原子可以冷到跟绝对零度相差无几。这种情况下,原子钟的准确性可以达到将近十的负十五次方,也就是百万分之一的百万分之一的千分之一。这种原子钟要三千多万年才差一秒。原子钟因为其准确性,在航天领域应用很多。因为象卫星和飞船都是失之毫厘差差之千里的。

还有一种钟,本身没有精确的计时核心部件,而是靠外部的信号来做校准。比如有的地方会通过无线电在广播频率上发送准确报时信号,这样就可以用一个类似收音机的装置接收。很象:“刚才最后一响,是北京时间12点整”,只不过校对工作自动完成。类似的,还可以用GPS接收机。GPS接收机除了能提供位置信息,也能提供精确的时间信息,精度可以几乎和原子钟媲美,而价格比原子钟要低得多。而且只要能收到GPS卫星信号,就可以自动常年保持准确。我知道中国某平原省份的电力局,要采购一批GPS接收机,用做精确定时。怎么用呢?因为该地区经常有雷电打断输电线的情况发生,而定位断线的位置要花费大量人力。于是就在输电网覆盖的地区遍布GPS接收机。当某次闪电打断输电线时,就用闪电引起的电磁脉冲传到不同GPS接收机的时间差计算出到接收机的距离,从而给出闪电的位置,也就是断线的位置了。电磁波是光速传播的,由此可见对时间差的计算要精确到什么程度。

这个系列到这里就结束了,其实还有很多内容没有展开,尤其是关于历史方面的小故事。要全都加进来,恐怕要几倍的篇幅。也许等以后有机会,再写成其他的系列吧。

关键词(Tags): #时钟#石英钟#原子钟#GPS元宝推荐:不爱吱声,爱莲,holmers,海天, 通宝推:蚂蚁不爱搬家,
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