浅谈钟表的结构及原理

(东南大学 仪器科学与工程学院-------)
摘要:钟表在我们生活中随处可见，本文谈论了从古至今多种钟表的结构组成，以及它们记录时间的工作原理，并在最终阐述了时间和钟表的紧密关系。
关键词:钟表；时间；发展历史；结构原理
1.引言
钟表，是钟和表的统称，钟和表都是记录时间的仪器。从古至今，人类的生活方式发生了翻天覆地的改变，对时间准确度和获取方便度的要求是越来越苛刻。于是，钟表从笨重的大型钟演变成了灵巧的腕表；从零件繁多的机械钟转变成了简单普遍的石英表；从走时不稳的计时器发展到走时精准的原子钟……。如今，钟表种类甚多，功能多样，但钟表最主要和本质的功能依然是记录时间，而其结构与原理是钟表的灵魂所在。
公元1086年，北宋宰相苏颂主持建造了世界上最古老的天文钟——一台水运仪象台，它将钟表的机械原理与天文原理相结合，具有能发出“滴答”之声的擒纵器，可以说是完成了由时计向钟表的最初的转化。
第一个机械钟出现在14世纪初的意大利——一个机械打点塔钟，制作者叫丹蒂；1500～1510年，德国的亨莱思首先用钢发条代替重锤，创造了用冕状轮擒纵机构的小型机械钟；1582年前后，意大利的伽利略发明了重力摆；1657年，荷兰的惠更斯把重力摆引入机械钟，创立了摆钟；1660年英国的胡克发明游丝……一系列发展与应用令钟表逐渐摆脱雏形，成为精密的计时工具。
石英谐振器具有很高的品质因数，因而由它组成的石英振荡器有很高的稳定度，能大大提高钟表的走时精度。一般石英钟表的日差（见钟表日差）小于0.5秒/日，这个精度是一般机械钟表无法达到的。为了进一步提高走时稳定性，还可以采用双振子温度补偿电路或双振荡器温度补偿电路,它们可分别使走时误差缩小到5秒／月和5秒／年。
漏壶是以漏壶滴水在刻箭上表示出时刻的记时器,所以漏壶也叫漏刻。漏壶主要有泄水型和受水型两类。早期的漏壶多为泄水型，水从漏壶底部侧面流出，使浮在漏壶水面上的漏箭随水面下降，由漏箭上的刻度指示时间。后来创造出受水型，水从漏壶以恒定的流量注入受水壶，浮在受水壶水面上的漏箭随水面上升指示时间。然而，漏壶中的水并不是均匀流出的，随着漏壶中水的下降，水的流速会变小。如果要记录精确的时间，那么箭刻上的刻度就不能是均匀的，这样就会很麻烦。后来人们想到了一种简单的方法，是在漏水壶上另加一只漏水壶﹐用上漏壶流出的水来补充下漏壶的水量﹐可以使下面漏壶的水面保持不变，提高下漏壶流水的稳定性。这种办法只适用于受水型漏壶﹐因此泄水型漏壶很快便被淘汰了。
图1 机械手表工作原理图
2.2.1上条拨针系
上条拨针系的作用是上条和拨针。它由柄头、柄轴、立轮、离合轮、离合杆、离合杆簧、拉档、压簧、拨针轮、跨轮、时轮、分轮、大钢轮、小钢轮、棘爪、棘爪簧等组成。对于一般的机械表，上条和拨针都是通过柄头部件来实现的。上条时，立轮和离合轮处于啮合状态，当转动柄头时，离合轮带动立轮，立轮又经小钢轮和大钢轮，使条轴卷紧发条。棘爪则阻止大钢轮逆转。拨针时，拉出柄头，拉档在拉档轴上旋转并推动离合杆，使离合轮与立轮脱开，与拨针轮啮合。此时转动柄头便拨针轮通过跨轮带动时轮和分轮，达到校正时针和分针的目的。
1.1.2利用天文现象来设计的计时器的缺点
利用天文现象来设计的计时器基本都是根据日影方向测定时间的，所以，像日晷和圭表这类太阳钟在阴天或夜间就完全失去效用，给农事活动造成严重不便。
1.2流体力学计时器
由于日晷和圭表的先天缺陷,人们又发明了漏壶和沙漏、油灯钟和蜡烛钟等计时仪器。其中最具代表的是漏壶和沙漏。
2.2.4擒纵调速器
擒纵调速器是由擒纵机构和振动系统两部分组成，它依靠振动系统的周期性震动，使擒纵机构保持精确和规律性的间歇运动，从而取得调速作用。叉瓦式擒纵机构是应用最广的一种擒纵机构。它由擒纵轮、擒纵叉、双圆盘和限位钉等组成。它的作用是把原动系的能量传递给振动系统，以便维持振动系统作等幅振动，并把振动系统的振动次数传递给指示机构，达到计量时间的目的。
圭表是度量日影长度的一种天文仪器，由“圭”和“表”两个部件组成。直立于平地上测日影的标杆或石柱，叫做表；正南正北方向平放的测定表影长度的刻板，叫做圭。人们通过测定正午的日影长度以定节令，定回归年和阳历年。通过进一步研究计算，古代学者还掌握了二十四节气的圭表日影长度。这样，圭表不仅可以用来制定节令，而且还可以用来在历书中排出未来的阳历年以及二十四个二节令的日期，作为指导农事活动的重要依据。
2.2.3传动系
传动系是将原动系的能量传至擒纵调速器的一组传动齿轮，它是由二轮(中心轮)、三轮(过轮)、四轮(秒轮)和擒纵轮齿轴组成，其中轮片是主动齿轮，齿轴是从动齿轮。钟表传动系的齿形绝大部分是根据理论摆线的原理，经过修正而制作的修正摆线齿形（这种齿形是接线齿形演变而来的，因纯摆线齿形加工很难，故用圆弧来代替摆线，也叫做修正摆线齿形，能使齿轴的最少齿数为6，从而在轮片齿数不太多的条件下能取得大的传动比，这对减小机心直径、对高频手表中极为有利。）。
2.天文现象与流体力学的利用——早期计时器
原始社会，人们通过观察日月星辰的运转来估测时间，把地球自转一圈看作一天，其实就是把地球看作了一座钟。后来人们发明了一些工具来记录时间，这些早期计时器主要可分为两类:利用天文现象来设计的计时器和利用流体物质的连续运动来设计的流体力学计时器，除此之外，人们也会用烧香计时。
利用它的正负压电效应并与电子线路连接，使得石英晶体的固有频率等于电路频率达到共振，即可形成作为时间基准的石英振荡器。一般石英手表使用的是X+5°切型、弯曲振动模式、频率为32768Hz的音叉形石英谐振器。它的体积小，温度拐点（在拐点附近频率随温度的变化最小）选在常温，适宜戴在手腕上。石英钟常用的是AT切型、厚度切变振动模式、频率为4.194304MHz的双凸透镜形石英谐振器。它的温度特性好,能适应室内外温度变化较大的环境。
日晷通常由铜制的晷针和石制的晷面组成。晷针垂直地穿过晷面中心，起着“立竿见影”的作用，晷面安放在石台上，呈南高北低，平行于天赤道面，这样，晷针的上端正好指向北天极，下端正好指向南天极。在晷面的正反两面刻划出12个不均匀的大格，每个大格代表两个小时。当太阳光照在日晷上时，晷针的影子就会投向晷面，随着太阳的移动，晷针影子好像是现代钟表的指针在晷面上转动，以此来显示时刻。
1.1利用天文现象来设计的计时器
1.1.1日ຫໍສະໝຸດ Baidu和圭表
古埃及人发现太阳射影的长度和方向会随时间而发生有规律的变化，6000多年前，古巴比伦人就利用太阳射影的方向变化发明了日晷，同样，人们利用了太阳射影长短的变化发明了圭表。日晷是用来测量白天的时间；而圭表则是通过测量正午日影长度来定四季和辨方位。它们是人类最早使用的计时仪器。
直接压电效应由居里兄弟在 1880 年发现的。他们指出，当把一重物放在一石英晶体上时，在晶体表面上出现了电荷，电荷量和重物的质量成正比。1881 年，用图解说明了反压电效应；当把电压加到晶体上时，由于压电效应引起的晶格应变而使晶体产生变形。当把电压反向时，应变也反向。因此，压电效应起到了电路与晶体机械特性之间的耦合作用。
4.晶振的利用——石英钟表
3.1石英钟表出现的历史背景
18～19世纪，钟表制造业已逐步实现工业化生产，并达到相当高的水平。20世纪，随着电子工业的迅速发展，电池驱动钟、交流电钟、电机械表、指针式石英电子钟表、数字式石英电子钟表相继问世，钟表的日差已小于0.5秒，钟表进入了微电子技术与精密机械相结合的石英化新时期。
3.2.2集成电路
CMOS集成电路是石英钟表内最关键的部件之一。石英手表要求微功耗（1µA）、小体积和低电压(1.5V)，为此须采用特制的中大规模CMOS集成电路。在指针式和数字式石英手表中，CMOS所完成的功能不完全相同。在指针式石英手表中，需要完成振荡、分频、驱动步进电机等项工作，一般采用中等规模CMOS集成电路；而在数字式石英手表中，除要完成振荡、分频、升压、驱动液晶显示等功能外，往往还要完成闹时、秒表等多种功能，所以采用大规模CMOS集成电路。石英钟内的集成电路基本上与石英手表内的相似，但因为石英钟要求输出较大功率，电路的功耗（由几十微安至几百微安）也远大于石英手表，故集成电路的功耗也较大。
沙漏的制造原理与漏壶大体相同,它是根据流沙从一个容器漏到另一个容器的数量来计量时间。这种采用流沙替水的方法，是因为我国北方冬天空气寒冷，水容易结冰的缘故。并且由于无水压限制,沙漏比漏刻更精确。但流沙易阻塞，所以并不普遍。
3.机械振动的利用——机械钟表
2.1机械钟表的发展历程
前面所说的早期计时器虽然发展带较为精细的程度，但依然谈不上精确。后来人们发现，，可测的小间隔比流动的水或沙子更适合表示时间。
全自动机械表与普通手表唯一不同之处是在表内设置一个可绕发条齿轮转动的重锤，当人的手在运动的时候，重锤就做小幅度的圆周运动带动发条上紧。
2.2.2原动系
原动系是储存和传递工作能量的机构，通常由条盒轮、条盒盖、条轴、发条和发条外钩组成。发条在自由状态时是一个螺旋形或S形的弹簧，它的内端有一个小孔，套在条轴的钩上。它的外端通过发条外钩，钩在条盒轮的内壁上。上条时，通过上条拨针系使条轴旋转将发条卷紧在条轴上。发条的弹性作用使条盒轮转动，从而驱动传动系。
2.3克服重力的影响——陀飞轮手表
陀飞轮是瑞士钟表大师路易·宝玑先生在1795年发明的一种钟表调速装置。陀飞轮机构，是为了校正地心引力对钟表机件造成的误差。由于游丝是总是以一定方向卷动，所以手表的放置姿势变化时，轴承所受到的摩擦力也会发生变化，从而产生一种“位置差”的精度误差。路易·宝玑发明了一种绝妙的方法消除这种误差，他把擒纵调速系统安放在一个不断打转的方框内。虽然手表的摆放姿势发生变化，但是由于方框在不停的旋转，使得各部分收到相同的影响，即各部分所受影响相互抵消，等于没有影响。即使在当今的手表上，陀飞轮也属于复杂时计的豪华配置，它代表最高水准的技术。
四、与报告相关的后续研学材料：
□读书报告 □评论 □文献综述■其他
五、后续研学材料名称：
聆听钟表的心跳——浅谈钟表的结构及原理
六、对后续研学材料的审查意见：
1、内容和形式为□好 □一般 □不足
2、是否有抄袭现象 □是 □否
审查人职称 所属院（系）
审查人签字年 月 日
七、院（系）课外研学活动指导小组关于学分认定的意见：
3.2石英钟表的结构及原理
石英钟表可以分为指针式和数字式两类。主要由石英谐振器、集成电路、步进电机(用于指针式)、液晶显示屏（用于数字式）、手表电池或交流电源组成，此外还包括导电橡胶、微调电容、照明灯泡、蜂鸣器等元件。
3.2.1石英谐振器
石英振荡器是石英钟表的核心部件。石英谐振器又称晶振，由化学成分为SiO2的人造石英晶体，按照一定的切割形式并经特殊加工制成的。晶振具有一个重要的性质——压电效应。
2.2机械钟表的结构及原理
如今机械钟表有多种结构形式，可以分为半自动和全自动两种：半自动机械表动力来自手工上发条，全自动机械表动力是通过振臂甩动手腕带动表中的偏心块旋转上发条。一般机械钟表由上条拨针系、原动系、传动系、擒纵调速器和指针系等部分组成。机械钟表利用发条作为动力的原动系，经过一组齿轮组成的传动系来推动擒纵调速器工作；再由擒纵调速器反过来控制传动系的转速；传动系在推动擒纵调速器的同时还带动指针机构，传动系的转速受控于擒纵调速器，所以指针能按一定的规律在表盘上指示时刻；上条拨针系是上紧发条或拨动指针的机件。此外，还有一些附加机构，可增加钟表的功能，如自动上条机构、日历(双历)机构、闹时装置、月相指示和测量时段机构等。
□0.4学分 □0.2学分 □0学分
组长签字年 月 日
注：1、要求将研学材料与本表格装订在一起。
2、表头及第一、二、三、四、五项由学生填写。
3、审阅老师所作的评价：“好”为0.4学分，“一般”为0.2学分，“不足”为0学分，或第二项为“是”，即认定为0学分。
聆听钟表的心跳
——浅谈钟表的结构及原理
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振动系统主要由摆轮、摆轴、游丝、活动外桩环、快慢针等组成。游丝的内外端分别固定在摆轴和摆夹板上；摆轮受外力偏离其平衡位置开始摆动时，游丝便被扭转而产生位能，称为恢复力矩。擒纵机构完成前述两动作的过程，振动系在游丝位能作用下，进行反方向摆动而完成另半个振动周期，这就是机械钟表在运转时擒纵调速器不断和重复循环工作的原理。
东南大学本科生聆听科技、学术报告学分分值认定表
学生姓名：----学号：-------所在院（系）：仪器科学与工程学院
一、科技、学术报告名称：从纳米科学看科学的历史发展观
二、报告人资料
姓名
单位
职务/职称
报告日期
巴龙
东南大学
教授
2014.02~2014.05
三、报告内容简介：
从纳米技术看科学的历史发展观，从哲学、宗教等多方面分析分析了科学历史发展，并谈论纳米科学及在各方面的应用。