计时仪器技术综述

胡文月 国家知识产权局专利局专利审查协作天津中心

1.引言

从古至今，基于生产生活的需要，人类制造出各式各样的计时仪器。从原始的太阳钟到现在的原子钟，计时仪器也随着人类进步的步伐，经历了从单一到多样，从模糊到精确的蜕变。

2.基于自然现象的计时仪器

人类最早的计时仪器是以自然现象为基准进行设计的。人们根据日影和时刻之间的关系，使用立杆测影的方法进行计时，形成了“日晷”。这类计时仪器的原理是通过太阳的投影和方位计时，一般通称为太阳钟。

为了摆脱太阳的限制，人们开始利用非天文的物理过程进行计时，例如利用水钟、沙漏、香炉焚烧进行计时等。但是随着水面降低，流水速度逐渐减小，水钟的计时精度受到影响，不能解决测量标度不统一的问题；而沙漏、火钟也不宜用于长时间的连续计时。因此，早期基于自然现象的计时仪器是比较粗糙的。

虽然如此，这类计时装置仍然存在在我们的生活中，或作为景观，或作为装饰，极大丰富了我们的生活。

3.机械钟表

随着人们对时间精确度的要求越来越高，逐渐出现了机械钟表，并且其钟面和指针的设计一直延续到今天。“机械钟”专指含有擒纵机构的计时装置，虽然机械钟表有多种不同的结构形式，但其工作原理基本相同，主要包括动力源、传动系统、擒纵调速机构、指针和上条拨针等部分。

擒纵机构是现代机械钟表的核心，是一种间歇运动机构，由擒纵轮、擒纵叉及游丝摆轮组成。擒纵轮受发条驱动而转动，同时受擒纵叉上的左右卡瓦阻挡而停止，并通过游丝摆轮系统控制动停时间，从而实现周期性单向间歇运动。擒纵机构的功能可以从两方面理解：“擒”，将主传动的运动锁定、擒住，此时主传动链锁定；“纵”，开启主传动链运动，同时从主传动链中取回一定的能量以维持震荡系统的工作。

此外，机械钟表还可以增加一些附加机构以增加钟表的功能，如自动上条机构、日历机构、闹时装置和月相指示等。由于机械钟表在其工作过程中会产生一定的摩擦，因此运动部分要求耐磨性好，但无论如何，许多内部因素和外界条件都会影响钟表的走时精度。因此，机械钟表的精度始终有限。

机械钟的发展经历了大型机械钟时期，后来成为小巧精致的工具，怀表、手表的发明极大改变了人们的生活。虽然机械钟表的精度有限，但其结构极其精密、复杂，特别是机械钟表有很大的艺术性，使机械钟表仍广泛存在于人们的生活中，甚至成为收藏品。

4.电子钟表

电子表价格便宜，使用方便，能直接显示时间及日期，自从20世纪50年代出现以后，便以极快的速度风靡世界。

机械表是以发条的弹性变形作为动力，利用的是机械震动带动表内的计时器震动计时。电子表也利用了周而复始的连续振动，但它利用电池作为动力，将电能转化成磁能，选用一种敏感器件（如石英晶体管）作为开关带动计时器不停振动，磁能再转换成机械能带动表针转动或出现数字变化，从而显示时间。

根据结构形式与出现的先后，电子表可分为四代：

（1）摆轮游丝电子手表，以微型电池为能源，以摆轮游丝作为振荡器，通过电子线路驱动摆轮工作。

（2）音叉电子手表。1960年美国研制出音叉表，音叉具有稳定的振动频率，其频率能达到300～720Hz，与摆轮的频率相比有了很大的提高，大大提高了时间测量的精度。

（3）指针式石英电子手表。石英钟利用石英晶体的压电性质，振荡频率高，驱动指针的工作都由电子完成，通过电子分频器后驱动步进电机带动轮系和指针，使时间测量的精度取得了突破性的进展。1969年，日本精工舍公司推出了世界上最早的石英电子表，石英电子表走时准确，结构简单，立刻成为钟表界的主流产品。

（4）数字式石英电子表。它也采用石英作为振荡器，但采用大规模集成电路，是一种完全脱离了机械结构的全电子手表。石英晶体的振动受外界环境影响很小，只要有电能供给，就可提供稳定的脉冲波，因此可以保证很高的精度。

5.原子钟

原子钟是世界上已知最准确的时间测量方式，在20世纪50年代出现，同样利用固定周期的振荡或摆动来测量时间[4]。现在用在原子钟里的元素有氢、铯、铷等，但这种时钟中既没有指针，也没有齿轮，只有激光束、镜子和原子气体。原子钟中的原子总是以不变的已知频率振动，任意选取一个铯-133原子并令其振动，它的振动频率和其他任何一个铯-133原子时完全一样的。2010年，由美国国家标准局研制的铝离子光钟已达到37亿年误差不超过1秒的水平。

在对时间要求特别精确的场合，比如GPS系统以及互联网的同步都采用了原子钟，格林尼治时间和北京时间的基准，均取自于原子钟。但原子钟体积庞大、耗费能量高，以前一直无法商用。但新型的原子钟体积同一粒米差不多大小，可以应用在计算机芯片以及商用手持设备中，具有广泛的应用前景。

[1]王福谆.古代大型计时仪器[J].铸造设备与工艺,2015,(4):59-62

[2]曹维峰.机械手表的传动系统[J].钟表,2013, (4): 78-81

[3]陈满沾.记石英表机心联合设计[J].钟表(最时间),2016,(6): 63

[4]张首刚.新型原子钟发展现状[J].时间频率学报,2009,(2): 81-91