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什么是石英表?石英表好不好?

腕表之家2018-12-04 11:11:05

      就在上个月,腕表之家的微博进行了一个关于石英表的讨论,讨论的时候,我们发现大家对石英还是挺感兴趣的。我认为石英机芯并不是廉价的代名词,除了动力来源的不同,考究的石英机芯与机械机芯一样都要经过严苛的工艺打磨。唯一的分歧可能就是寿命的问题,由于微博所能表述的内容有限,所以我决定在今天和大家好好聊一聊关于石英表的话题,让大家对石英表有一个客观的了解。

       首先,让我们简单回顾一下石英电子技术的发展过程:1880年,时年21岁的法国物理学家 皮埃尔•居里 发现了石英晶体的压电效应;1921年,卡迪尔将石英晶体用于电子管的振荡器中,获得成功;1930年,世界上出现了第一个电子管电路、以石英振荡为基准的时钟,体积很大,电路部分约有两间房子大小;上世纪50年代,电子工业飞速发展,出现了晶体管技术;60年代,又发明了集成电路,这是20世纪最伟大的发明之一,集成电路成就了我们今天生活、工作以及工业的现代化,我们应当记住集成电路的发明者:罗伯特•诺伊斯(效力于美国硅谷的仙童公司)。60~70年代,又相继发明了高容量的微型电池和低功耗的步进马达……

       大约在1972年,美国、瑞士(现在的斯沃琪集团)等国先后研制成功了石英电子表石英手表从此诞生。但是,他们都放弃了将石英技术进行产业化,因为他们认为机械表才是正统。所以就给日本人留下了空子,于是日本企业后来居上,在上世纪70~80年代兴起了一场几乎破坏世界钟表业的“石英革命”,它将钟表从奢侈品变成了廉价的电子产品。虽然今天机械表又得到了复兴,但它已经完全脱离了计时工具的范畴。

        由于现在处于机械表的复兴阶段,所以经常会有人问我,到底是机械表准还是石英表准,我现在可以告诉大家,石英表的确比机械表准,但我想告诉大家,世界上最精准的计时工具并不是石英表,而是原子钟,国际度量衡委员会在1967年做出规定,从1972年1月1日零时起执行:“铯133原子”振动9,192,631,770次,为一个国际标准秒的秒长。这是由宏观的天体计时向微观的原子计时的一次大革命。据有关报道,它的准确度为100万年误差1秒钟。而国际上技术领先的精度则可以达到300万年误差一秒。但根据科学家们预计,目前的国际标准秒,最多还能够维持10年。因为更高精度的“锶”原子钟已经研制成功,它的精度达到了不可思议7000万年误差一秒钟,我认为在地球上实在是不需要那么精准的计时工具。


     下面我就讲一下石英表的组成与工作原理。指针式石英电子表由7部分所组成:   第一,源动系,电池提供动力能源,相当于机械手表的发条与发条盒;第二,集成电路,是电力的传导系统和技术处理系统;相当机械表里的传动齿轮;第三,石英晶振:产生时间的计量基准,相当于机械手表的摆轮游丝系统;第四,微调电容,它的作用相当于机械手表的快慢针,可以调整快慢;第五,机电换能器,电能——磁能——机械能,相当于机械手表的擒纵机构;第六,传动轮系,传递时间、指示“秒”;第七,走针系:指示“时、分”。

       现在很多人,都把关注点给了机械钟表,特别是机械复杂机构。但是我们发现现在一些大的钟表品牌不但没有放弃石英表的开发,相反,它们石英腕表的价格不仅不低于机械腕表,同时产量也相对稀少。我认为有以下一些原因,机械钟表的历史,少说也有三、四百年,可以说历经沧桑!但是一场石英革命,差一点就颠覆了世界钟表业!首先石英技术有着机械钟表不可比拟的优势:走时精确、使用方便、物廉价美,而且在复杂附加功能方面更是得天独厚。其次,当今石英钟表早已经占领了世界钟表市场的半壁江山,所以这些大品牌也没有放弃对石英机芯的开发!而且表示过拒绝石英表的品牌屈指可数。这就说明,谁也不希望被时代抛下。

       我相信大部分人喜欢机械表,都是因为它代表着永恒,可以传承几百年。而石英表的寿命也就一二十年,但事实是这样的吗?其实石英机芯寿命的概念有二点,一是电池寿命,一般可达2~3年,如果是两针手表,可达4~5年,前些年曾经有过10年电池寿命的手表!二是机芯的寿命,应该不少于20年,(主要指电路部分,如果一直有配件可以更换呢。)至于机械部分的磨损,应该是机械机芯的几百分之一、甚至上千分之一,从磨损角度分析,它的寿命应该比机械机芯长寿许多倍!石英钟表的历史只有20多年,而且技术、工艺和材料在不断进步,所以传说20年报废是没有根据的。


当然石英机芯也是有好坏之分的,下面我就告诉大家一些辨别的方法,石英机芯有两部分组成:电路部分和机械部分。第一,看电路板所使用的电路基板材质如何,其次看其电路的布线是否合理、规范(其实和看电脑主板差不多,就是PCB板的材质、厚度和做工);第二,看机械部分主夹板和其它小夹板的加工和打磨的水平,以及各个齿轮的加工工艺是否精细(这个与看机械表的标准一样)。第三,较高档次的机芯都会有机芯编号和其它文字标记,主要看文字是否清晰、规范。第4,通过观察机芯注油的情况,也可以说明机芯的质量和档次。

        最后,我说一下关于石英机芯的保养,就拿百达翡丽的石英表来说,它更换线路板和钱圈的费用是2000元,其它零部件更换的费用全算在保养费用里是4600元。我想其它品牌的价格应该不会超过它,所以石英表的保养价格非常公道,如果保养到位,石英表的寿命也会很长。当然石英表确实有一个比较令人头疼的问题,就是电池, 手表长期不戴,电池有可能造成漏液。电池泄露的电解液,有很强的腐蚀性,极有可能对机芯造成无法挽回的损失。所以长期不戴的手表,电池应该取出来。

      20世纪70年代的一场几乎摧毁世界钟业的“石英革命”它将钟表从奢侈品变成为了廉价的微电子产品。尽管瑞士传统制表业界对石英表可以说恨得咬牙切齿,但从计时与实用的角度上看,这的确是一场伟大的革命。上集中主要讲了网友比较关心的一些有关石英表的常识问题,在本集中我们将从技术的角度深入地剖析一下石英表。

       我们首先还是要讲一下电子钟表的发展过程以及它们各自的特点,我认为石英钟表的发展过程应该分为五代。第一代为摆轮游丝式电子钟表,主要以半导体钟的形式出现,在七、八十年代比较常见,而这样的手表则比较少见,它具有如下特点:利用电池的电能代替发条;利用三极管开关电路进行电磁转换;依然使用摆轮游丝振荡器,频率与机械表相同,为2.5赫兹,18,000次/时;该计时器零件较多,走时精度提高不明显。


 第二代是音叉式电子钟表,欧米茄有过,汉密尔顿有过,天津表厂、北京表厂都试制过,但其发展的过程只是昙花一现,存世量极少。它的特点是走时精度较高(+/- 2 秒/天);采用金属音叉振荡器,频率为 300~720赫兹;零件数量相对较少,但其棘爪磨损大,寿命短。


       第三代就是现在常见的指针式石英钟表,也是目前市场占有率非常大的腕表,其特点是走时精度高(15 秒/月、0.5秒/天,高级的年差10秒内);采用石英晶体振荡器,常用频率32,768赫兹;机心零件比较少,大约在50~60件,普通机械表大约在130件左右,自动表机械在150件以上,带有日历功能的约200件;改类型石英表工时少、成本低,大概只有300多道工序,而机械表最少需要1300多道工序;这种腕表使用方便,一颗电池可以走2~3年,稳定性好,没有位差;更重要的是机芯薄、直径小,外观造型可随意变化。
   第四代是数字显示式石英钟表,该类型为数字式显示时间,采用大规模集成电路,几乎没有机械零件,可实现功能多样化;它同样采用石英晶体振荡器,频率为32,768赫兹,适合大规模生产,自动化装配效率高,而且成本低廉;但寿命不高,主要是因为液晶显示板的寿命短,约7~10年。


     第五代就是现在西铁城主推的电波表,电波表的走时精度极高,在接收到信号情况下,10万年误差1秒钟。由于传统钟表是“单兵作战”,一只表一个样、百只表百个样;而电波表是“集团作战”,所有钟表的时间都一模一样!

       因为电波表将传统钟表技术与现代时频技术、微电子技术、通讯技术、计算机技术等多项技术相结合,通过接收国家授时中心以无线电长波传送的标准时间信号,经过内置微处理器解码处理后,自动校准计时器走时,使所有电波钟表显示的时间与国家的标准时间自动保持精确同步。而且中国已经成为世界上继德国、美国、英国、日本之后第五个实现长波授时技术民用化的国家。另外电波表还可在信号盲区的时候可作为普通石英钟表使用,进入信号覆盖区域可以自动校正时间。

    下面我说一下石英振荡器的构成,石英振荡器由石英振子和振荡电路两部分所组成。振荡频率一般采用32,768赫兹/ 每秒,指针式石英表经过16级的二分频,最后输出每秒0.5赫兹正负交变的窄脉冲信号。液晶显示表则是经过15级二分频,输出的是1赫兹每秒的脉冲信号。(分频就是用同一个时钟信号通过一定的电路结构转变成不同频率的时钟信号。二分频就是通过有分频作用的电路结构,在时钟每触发2个周期时,电路输出1个周期信号。比如用一个脉冲时钟触发一个计数器,计数器每计2个数就清零一次并输出1个脉冲,那么这个电路就实现了二分频功能。来自百度百科)。

        我相信大家看到上面的物理描述,大多数人都会一头雾水,下面我将用语文的方式描述一下其工作原理,由稳定度很高的石英振子与CMOS集成电路的一部分,组成石英振荡电路,产生32,768赫兹的高频振荡频率,通过CMOS电路的技术处理,最后产生正、负交变的脉冲信号,输入线圈,电流在定子内产生可变磁场,与充磁转子的永磁场发生作用,使转子部件定向转动,转子齿轴带动传动轮系指示秒,并通过走针系指示时、分。整个工作过程中所消耗的能量由电池来补充。石英振荡频率的漂移,可以通过微调电容来调整,或者在集成电路内采用逻辑调频电路来解决。

       接下来我就要讲一下机械腕表机芯与指针式石英表机心各部分性能的优缺点。动力系统方面,机械表的发条不可避免地会有力矩落差,进而影响等时差,对走时精度影响大。而石英表只需将电池放电平稳,对走时影响很小。传动轮系方面,机械表既传递力矩又传递时间,而且是增速传动,对走时影响大。而石英表只传递时间不传递力矩,而且是减速传动,对走时影响小。

       在调速机构方面,机械表的摆轮游丝的加工、装配都很复杂,影响振动周期的因素很多,一般都会有位置误差,振动频率:3~4赫兹,日差一般在20~30秒。精准的机械表在10秒左右。石英表高精度,无位差,振动频率32768赫兹,日差完全保证在0.5秒以内。走针系方面二者基本相同,但是机械手表的秒针力矩大,石英表的秒针力矩小,两者相差40~60倍。在调校方面,机械表需要拨动快慢针的位置,改变游丝的长度,或改变摆轮的转动惯量,手工操作难度很大。而石英表只需采用逻辑调频的方法调整快慢,工业化程度高。另外机械表还会受到温度影响,温度高表走慢,温度低表走快(温度系数标准:1秒/天/度),而石英表除拐点温度25℃以外,温度升高、降低都走慢(温度系数标准:0.1秒/天/度)。


       机械表的自动机构可以收集人体的动能,免去每天用手上条的麻烦;虽然石英表的优点是走时精确,每天小于0.5秒,但缺点是每隔两三年就需要更换一次电池。而人动电能手表的设计思路,就是把二者的优点结合在一起。日本把“人动电能”注册了专利,瑞士就把此类结构称为“自动石英”。其工作原理通过人体手臂的自然运动,引导表机内的飞陀转动,带动微型发电机产生电流,并将电能存入电容储电器中,为石英机心提供电力能源。当电容量充足时,手表可连续运走3个月以上,电容的理论使用寿命可长达10年。这种类型的手表日本称人动电能;瑞士称自动石英。

        相信大家看完上面的文字一定会有石英表完胜的想法,觉得机械表真的没用,但我想说,你要是买用来看时间,肯定是石英表准,但你要是追求高超的工艺,精美的打磨与文化的价值,那么机械表永远是不可替代的


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