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这样将坚硬的石英炼化为时间

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ID:110653 发表于 2016-3-28 13:48 | 只看该作者 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式
摘要

绅士三大件:皮鞋、腰带、手表,一块做工精良的瑞士表一直是男士品位的重要小标签,自从石英表诞生以来一直广受青睐,那石英钟表为什么那么撩人?

石英钟表为什么那么撩人?因为准。


绅士三大件:皮鞋、腰带、手表,一块做工精良的瑞士表一直是男士品位的重要小标签,自从石英表诞生以来,就以其走时准,易保养而广受青睐,但石英表和石英有什么关系?


图1  男士石英表

1、为什么石英晶体能做成高贵的手表

石英晶体,是硅石的一种,其化学成分是二氧化硅(SiO2),也就是和沙子、水晶相同。从一块晶体上按一定的方位角切下的薄片称为晶片(可以是正方形、矩形或圆形等,专业术语常见AT cut、BT cut、CT cut、SC cut和X cut),然后在晶片的两个对应表面上涂敷银层并装上一对金属板,就构成一个石英晶体产品。大部分晶体都用金属外壳密封,近年来出现了陶瓷封装的晶振,能进一步缩小晶体的尺寸。


图2  石英晶体振荡器

一分钟等于60秒,一秒等于1000毫秒,能否在一秒里不多不少正好累计够固定单位的振动决定了手表的精度,而产生这种固定振荡的电路我们称之为振荡电路,而石英晶体正是制成振荡电路的振荡源。

2、石英晶体的正确打开方式

石英晶片之所以能做振荡电路是基于它的压电效应。从物理学可知,若在晶片的两个极板间加一电场,会使晶体产生机械变形;反之,若在极板间施加机械力,又会在相应的方向上产生电场,这种现象称为压电效应。


图3  压电效应

若在极板间施加交变电压,晶体就会产生机械变形振动,同时机械变形振动又会产生交变电压。一般来说,这种机械振动的振幅是比较小的,其振动频率则是很稳定的。但当外加交变电压的频率与晶片的固有频率(取决于晶片的尺寸)相等时,机械振动的幅度将急剧增加,这种现象称为压电谐振,因此石英晶体又称为石英晶体谐振器。


图4  压电振荡曲线

所以,石英晶体稳定优良的振荡特性奠定了其钟表精确准时的优势地位。

3、没有石英,又想要准时

如果我手上没有石英,只有一堆常规的电容、电阻、电感等元器件,怎么办?

石英晶体的压电谐振现象可以用下图的电路模型来表示。等效电路中的 为切片与金属板构成的静电电容, 和 分别模拟晶体的质量(代表惯性)和弹性,而晶片振动时,因摩擦而造成的损耗则用电阻 来等效。石英晶体的一个可贵的特点在于它具有很高的质量与弹性的比值(等效于 ),因而它的品质因数 处于高达10 000~500 000的范围内。

下图为石英晶体的代表符号、等效电路和电抗特性。


图5  石英晶体的电路模型与电抗特性

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