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石英手表晶體為何能準確定義一秒鐘?-賓爵手表官方網站

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石英手表晶體為何能準確定義一秒鐘?
2020-08-12 16:13

通過(guo)(guo)對(dui)其性質的(de)利用(yong),研(yan)制出(chu)諧振(zhen)器等器件,在工業(ye)生(sheng)(sheng)產(chan)中(zhong)(zhong)發揮巨大的(de)作用(yong)。例(li)如(ru)石(shi)英(ying)(ying)表(biao)(biao),就(jiu)是利用(yong)其逆(ni)壓電(dian)效應制成石(shi)英(ying)(ying)晶體振(zhen)蕩器,通過(guo)(guo)石(shi)英(ying)(ying)表(biao)(biao)中(zhong)(zhong)裝有的(de)紐扣電(dian)池為(wei)石(shi)英(ying)(ying)晶體振(zhen)蕩器與集成電(dian)路(lu)提供(gong)能量(liang),從而(er)穩定產(chan)生(sheng)(sheng)32768HZ的振蕩頻率,經過集成電路進行16級分頻和整形,最終輸出周期為2s的對稱方波(半個周期為1s),脈沖直接驅動電機,使電機轉子每秒轉動一步,有了一秒這個時間的“原材料”,就能驅動鐘表,從而帶動輪系、針系來指示時間。


普通石英表每日誤差小于0.5秒,是機械表的幾十分之一,這主要歸功于石英表中石英振蕩器高而穩定的振蕩頻率。人們在長期研究如何提高鐘表走時準確的過程中發現了一個原理,振蕩器的頻率越高,振蕩越穩定,抗干擾能力越強,手表就越準確。石英表的振蕩頻率為32768Hz,要比普通快擺機械表每秒3Hz的頻率高1萬倍。


看到(dao)這里,你肯定(ding)疑問石英(ying)晶(jing)體高而穩(wen)定(ding)的(de)振蕩(dang)頻率是怎么來的(de)吧?接下(xia)來,我(wo)們就了解下(xia)石英(ying)晶(jing)體的(de)壓電效應與石英(ying)晶(jing)體其他的(de)運(yun)用。

石英(ying)晶(jing)體(ti)(ti)的壓電效應(ying)

當石英晶體(ti)在某個方向受(shou)到機械應(ying)(ying)力(li)(li)的(de)作用而變(bian)(bian)形時(shi),其內部就會(hui)產(chan)生(sheng)極(ji)化現(xian)象(xiang),同時(shi)在其表面會(hui)產(chan)生(sheng)極(ji)性(xing)相反的(de)電荷(he);當外(wai)力(li)(li)消(xiao)失時(shi),又恢復到不帶電狀態,當外(wai)力(li)(li)方向改(gai)變(bian)(bian)時(shi),電荷(he)極(ji)性(xing)也隨之(zhi)改(gai)變(bian)(bian),這種現(xian)象(xiang)稱之(zhi)為壓電效(xiao)應(ying)(ying)。


反之(zhi),當石英(ying)晶體受到交變電場作(zuo)(zuo)用時,晶體將在一定方向上產生機(ji)械變形(xing)(機(ji)械振動);當外加電場撤去后(hou),該變形(xing)也(ye)隨之(zhi)消失。這種現象稱為逆壓電效(xiao)應,也(ye)稱作(zuo)(zuo)電致(zhi)伸縮效(xiao)應。


具有壓(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)效應的(de)(de)晶(jing)體(ti)稱之為壓(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)晶(jing)體(ti),典型的(de)(de)壓(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)晶(jing)體(ti)就是(shi)石英晶(jing)體(ti),壓(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)效應就是(shi)在石英晶(jing)體(ti)中被發現的(de)(de)。


石英晶體(ti)的運用

石英晶(jing)體振蕩器(qi)

石(shi)英晶(jing)(jing)體(ti)振蕩(dang)器是使(shi)用石(shi)英晶(jing)(jing)體(ti)作(zuo)為諧振選頻電(dian)路的振蕩(dang)器。將(jiang)石(shi)英晶(jing)(jing)體(ti)按一(yi)定的角切成(cheng)薄片,在晶(jing)(jing)體(ti)切片的表面上裝(zhuang)上一(yi)對金屬極板,這樣就(jiu)制(zhi)成(cheng)了石(shi)英晶(jing)(jing)體(ti)振蕩(dang)器。


石(shi)(shi)英(ying)晶體(ti)(ti)(ti)振蕩器(qi)是基于逆壓電效(xiao)應(ying)原理(li)制成(cheng)的。當石(shi)(shi)英(ying)晶體(ti)(ti)(ti)受到(dao)交變電場(chang)(chang)時,石(shi)(shi)英(ying)晶體(ti)(ti)(ti)便會產生(sheng)(sheng)機械振動。由(you)于石(shi)(shi)英(ying)晶體(ti)(ti)(ti)具有(you)一定(ding)的固有(you)振動頻率,當外加電場(chang)(chang)頻率等于其固有(you)頻率時,便會產生(sheng)(sheng)諧振。這就是石(shi)(shi)英(ying)晶體(ti)(ti)(ti)可(ke)以作為諧振選頻電路的基本原因(yin)。石(shi)(shi)英(ying)晶體(ti)(ti)(ti)振蕩器(qi)具有(you)極高(gao)的頻率穩定(ding)度,因(yin)而廣泛使用于要求頻率穩定(ding)度高(gao)的設備中,例如標(biao)準頻率發生(sheng)(sheng)器(qi)、脈沖(chong)計(ji)數器(qi)、石(shi)(shi)英(ying)鐘等。


石英晶體微(wei)天平

石英晶體微天平(Quartz?Crystal?Microbalance-QCM)是一種基于石英晶體的壓電效應對其電極表面質量變化進行測量的儀器。其發展始于上世紀60年代初期,是一種非常靈敏的質量檢測儀器,其測量精度可達納克級。

石英晶體微天平就是(shi)利用(yong)了石英晶體諧振器(qi)的壓電特(te)性,將石英晶振電極(ji)表(biao)面質量(liang)的變化轉化為石英晶體振蕩電路輸出電信(xin)號的頻(pin)率變化,進而(er)通過計算機等其他輔(fu)助設備獲得高精度(du)的數據。


石英晶體(ti)微(wei)天平在醫療(liao)、化工、食品、生物(wu)醫學、環境(jing)監測、工業、軍事等(deng)領域中(zhong)均得(de)到了廣泛的應用。