計時儀器技術(shù)綜述

胡文月 國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作天津中心

1.引言

從古至今，基于生產(chǎn)生活的需要，人類制造出各式各樣的計時儀器。從原始的太陽鐘到現(xiàn)在的原子鐘，計時儀器也隨著人類進步的步伐，經(jīng)歷了從單一到多樣，從模糊到精確的蛻變。

2.基于自然現(xiàn)象的計時儀器

人類最早的計時儀器是以自然現(xiàn)象為基準(zhǔn)進行設(shè)計的。人們根據(jù)日影和時刻之間的關(guān)系，使用立桿測影的方法進行計時，形成了“日晷”。這類計時儀器的原理是通過太陽的投影和方位計時，一般通稱為太陽鐘。

為了擺脫太陽的限制，人們開始利用非天文的物理過程進行計時，例如利用水鐘、沙漏、香爐焚燒進行計時等。但是隨著水面降低，流水速度逐漸減小，水鐘的計時精度受到影響，不能解決測量標(biāo)度不統(tǒng)一的問題；而沙漏、火鐘也不宜用于長時間的連續(xù)計時。因此，早期基于自然現(xiàn)象的計時儀器是比較粗糙的。

雖然如此，這類計時裝置仍然存在在我們的生活中，或作為景觀，或作為裝飾，極大豐富了我們的生活。

3.機械鐘表

隨著人們對時間精確度的要求越來越高，逐漸出現(xiàn)了機械鐘表，并且其鐘面和指針的設(shè)計一直延續(xù)到今天?！皺C械鐘”專指含有擒縱機構(gòu)的計時裝置，雖然機械鐘表有多種不同的結(jié)構(gòu)形式，但其工作原理基本相同，主要包括動力源、傳動系統(tǒng)、擒縱調(diào)速機構(gòu)、指針和上條撥針等部分。

擒縱機構(gòu)是現(xiàn)代機械鐘表的核心，是一種間歇運動機構(gòu)，由擒縱輪、擒縱叉及游絲擺輪組成。擒縱輪受發(fā)條驅(qū)動而轉(zhuǎn)動，同時受擒縱叉上的左右卡瓦阻擋而停止，并通過游絲擺輪系統(tǒng)控制動停時間，從而實現(xiàn)周期性單向間歇運動。擒縱機構(gòu)的功能可以從兩方面理解：“擒”，將主傳動的運動鎖定、擒住，此時主傳動鏈鎖定；“縱”，開啟主傳動鏈運動，同時從主傳動鏈中取回一定的能量以維持震蕩系統(tǒng)的工作。

此外，機械鐘表還可以增加一些附加機構(gòu)以增加鐘表的功能，如自動上條機構(gòu)、日歷機構(gòu)、鬧時裝置和月相指示等。由于機械鐘表在其工作過程中會產(chǎn)生一定的摩擦，因此運動部分要求耐磨性好，但無論如何，許多內(nèi)部因素和外界條件都會影響鐘表的走時精度。因此，機械鐘表的精度始終有限。

機械鐘的發(fā)展經(jīng)歷了大型機械鐘時期，后來成為小巧精致的工具，懷表、手表的發(fā)明極大改變了人們的生活。雖然機械鐘表的精度有限，但其結(jié)構(gòu)極其精密、復(fù)雜，特別是機械鐘表有很大的藝術(shù)性，使機械鐘表仍廣泛存在于人們的生活中，甚至成為收藏品。

4.電子鐘表

電子表價格便宜，使用方便，能直接顯示時間及日期，自從20世紀(jì)50年代出現(xiàn)以后，便以極快的速度風(fēng)靡世界。

機械表是以發(fā)條的彈性變形作為動力，利用的是機械震動帶動表內(nèi)的計時器震動計時。電子表也利用了周而復(fù)始的連續(xù)振動，但它利用電池作為動力，將電能轉(zhuǎn)化成磁能，選用一種敏感器件（如石英晶體管）作為開關(guān)帶動計時器不停振動，磁能再轉(zhuǎn)換成機械能帶動表針轉(zhuǎn)動或出現(xiàn)數(shù)字變化，從而顯示時間。

根據(jù)結(jié)構(gòu)形式與出現(xiàn)的先后，電子表可分為四代：

（1）擺輪游絲電子手表，以微型電池為能源，以擺輪游絲作為振蕩器，通過電子線路驅(qū)動擺輪工作。

（2）音叉電子手表。1960年美國研制出音叉表，音叉具有穩(wěn)定的振動頻率，其頻率能達(dá)到300～720Hz，與擺輪的頻率相比有了很大的提高，大大提高了時間測量的精度。

（3）指針式石英電子手表。石英鐘利用石英晶體的壓電性質(zhì)，振蕩頻率高，驅(qū)動指針的工作都由電子完成，通過電子分頻器后驅(qū)動步進電機帶動輪系和指針，使時間測量的精度取得了突破性的進展。1969年，日本精工舍公司推出了世界上最早的石英電子表，石英電子表走時準(zhǔn)確，結(jié)構(gòu)簡單，立刻成為鐘表界的主流產(chǎn)品。

（4）數(shù)字式石英電子表。它也采用石英作為振蕩器，但采用大規(guī)模集成電路，是一種完全脫離了機械結(jié)構(gòu)的全電子手表。石英晶體的振動受外界環(huán)境影響很小，只要有電能供給，就可提供穩(wěn)定的脈沖波，因此可以保證很高的精度。

5.原子鐘

原子鐘是世界上已知最準(zhǔn)確的時間測量方式，在20世紀(jì)50年代出現(xiàn)，同樣利用固定周期的振蕩或擺動來測量時間[4]?，F(xiàn)在用在原子鐘里的元素有氫、銫、銣等，但這種時鐘中既沒有指針，也沒有齒輪，只有激光束、鏡子和原子氣體。原子鐘中的原子總是以不變的已知頻率振動，任意選取一個銫-133原子并令其振動，它的振動頻率和其他任何一個銫-133原子時完全一樣的。2010年，由美國國家標(biāo)準(zhǔn)局研制的鋁離子光鐘已達(dá)到37億年誤差不超過1秒的水平。

在對時間要求特別精確的場合，比如GPS系統(tǒng)以及互聯(lián)網(wǎng)的同步都采用了原子鐘，格林尼治時間和北京時間的基準(zhǔn)，均取自于原子鐘。但原子鐘體積龐大、耗費能量高，以前一直無法商用。但新型的原子鐘體積同一粒米差不多大小，可以應(yīng)用在計算機芯片以及商用手持設(shè)備中，具有廣泛的應(yīng)用前景。

[1]王福諄.古代大型計時儀器[J].鑄造設(shè)備與工藝,2015,(4):59-62

[2]曹維峰.機械手表的傳動系統(tǒng)[J].鐘表,2013, (4): 78-81

[3]陳滿沾.記石英表機心聯(lián)合設(shè)計[J].鐘表(最時間),2016,(6): 63

[4]張首剛.新型原子鐘發(fā)展現(xiàn)狀[J].時間頻率學(xué)報,2009,(2): 81-91