具有可移除式探针的宝石万用测试仪设备的制作方法

本文的各不同实施例总体上涉及用于鉴定宝石和人造石的测试仪。本文的各不同实施例尤其涉及用于基于物理传导性、光学特性和电学特性区分宝石(如钻石、莫桑石、立方氧化锆、蓝宝石、红宝石、祖母绿、翡翠和合成钻石cvd/hpht)和金属的宝石测试仪。

背景技术：

1、诸如立方氧化锆(cz)、白色蓝宝石、合成莫桑石和天然钻石等宝石具有相似的物理性能，难以肉眼区分。这种相似性导致了将假宝石与真钻石混合以达到利润最大化的欺诈行为。为了打击这种欺诈性销售和误售行为，需要能够检验天然钻石的先进宝石测试仪。

2、钻石自古就因为其稀缺性、硬度和闪亮光芒而被视为珍贵宝石，这使其成为地位的象征。除了作为宝石的吸引力外，钻石还具有让材料科学家和工程师为之着迷的非凡特性。钻石是已知最坚硬的材料，具有化学惰性并在室温下表现出最高导热性。在宝石材料中，钻石也是可压缩性最小且刚度最高的。除了独特的力学性能外，钻石的热学特性也非比寻常。钻石兼具独特的力学性能和特点显著的热学特性。钻石强大的原子间键合使其具有异常低的热胀性和更高的声学频率(产生高达2220k的德拜温度)。此外，钻石在室温下表现出显著的低热容。最值得注意的是，钻石在室温下具有异常高的导热性，比银或铜等金属的导热性高出五倍多。这种出色的导热性赋予钻石对热冲击和热透镜现象的更高抵抗力。

3、钻石的鉴别和认证至关重要，因为与天然钻石非常相似的合成和处理钻石愈发普遍。高压高温(hpht)工艺被用于增强天然钻石的颜色，而化学气相沉积(cvd)合成钻石通常被秘密出售。这些合成和处理钻石可能与天然钻石混淆，导致在不知情的情况下购买。传统的验证方法，例如将钻石送往实验室进行分析，可能相对于钻石价值来说过于昂贵和繁琐。

4、钻石完全由碳组成，在宝石材料中独树一帜。合成钻石最早在20世纪中期成功制造，使用的工艺允许生长出更大的宝石级钻石。此外，cvd技术是在20世纪80年代发展起来的，允许生产出高质量多晶钻石薄膜。

5、宝石测试实验室需要能够在这些新型钻石出现时对其进行检测。目视检查和光谱技术被用来鉴定合成钻石和经处理的钻石。此外，彩色钻石也越来越受欢迎，而hpht工艺能生产出各种颜色艳丽的合成钻石。天然钻石的颜色也可以通过hpht处理被改变，从而实现颜色增强。

6、合成莫桑石是一种碳化硅(sic)的加工形式，主要用于装饰和宝石用途。最初，具有彩光效应的不透明晶体簇在宝石和矿物展上十分常见。但近年来的技术发展使合成各种透明品种成为可能。虽然合成莫桑石在许多特性上与钻石很相似，但宝石学家可以使用基本设备轻易区分两者。合成莫桑石表现出钻石中缺少的双折射，可以显示出近乎平行的针状结构、垂直于台面的条带、圆润的刻面边缘和单向抛光线，据此将合成莫桑石与钻石区分开。合成莫桑石的宝石特性包括9.25的硬度、2.648至2.691的折射率(ri)、0.043的双折射率、单轴正性和0.104的色散度(是钻石的两倍多)。合成莫桑石的比重(sg)为3.22，而钻石的比重为3.52。检测合成莫桑石可通过多种手段完成，包括反射率计和导热性测试仪。与钻石一样，合成莫桑石是一种半导体材料，但在化学成分上有微小差异，含有少量的氮和硼取代。合成莫桑石在空气中表现出高稳定性，即使在高温下也是如此，并且对于除了氟、氯、熔融碱和某些熔融金属以外的大多数化学物质都具有惰性。与钻石首饰类似，安装合成莫桑石在原位焊接时不会出现问题，但可能表现出略低的亮度、较高的色散、较低的比重、较高的折射率和较低的硬度。钻石和合成莫桑石都表现出相似的热惯性反应，允许其在热学探针下呈现类“钻石”反应。

7、立方氧化锆是一种具有立方晶体结构的合成宝石材料。立方氧化锆的折射率在2.15～2.18之间，略低于钻石2.42的恒定折射率。立方氧化锆的色散度约为0.060，大于钻石的分散度0.044。立方氧化锆的莫氏硬度为7.5至8.5，被广泛用作合成宝石材料。

8、因此，鉴于上述情况，由于很难仅凭物理性质来区分如立方氧化锆、白色蓝宝石、合成莫桑石和天然钻石等宝石，故需要一种先进的宝石测试仪来鉴定天然钻石。

技术实现思路

1、在本文的一个实施例中，描述一种用于鉴定宝石和人造石的设备。该设备包括一个附接有探针的手持器械。探针包括铜管和尖端，铜管装有至少一根光纤，尖端与被测宝石的表面接触。光纤向宝石发射光线。手持器械与探针电子连接。探针可拆卸和更换。手持器械包括热学测试组件和光学测试组件，热学测试组件连接至铜管并被配置成向铜管供热并感测铜管温度，光学测试组件被配置为产生短波和长波紫外线并用短波紫外线和长波紫外线中的至少一种照射被测宝石。手持器械还包括微控制器，微控制器连接至热敏电阻并执行计算以确定传热量和宝石特性，例如电学、热学和光学特性。微控制器基于这些特性来鉴定宝石类型，并且可操作地连接到微控制器的目视指示器以指示被测宝石的类型。

2、附加地或可选地，手持壳体还包括标准化接口，探针还包括形状互补的标准化接口，并且通过使用标准化接口和形状互补的标准化接口，探针被可移除地连接到手持器械。

3、附加地或可选地，标准化接口是母接头，而形状互补的标准化接口则是公接头。探针适于在不使用任何外部工具情况下从手持器械上移除。在一个实施例中，标准化接口包括通用串行总线(usb)接口。

4、附加地或可选地，该设备包括检测开关，其配置成检测探针和被测宝石之间的接触。检测开关包括以下两者之一：电子微型开关和压敏传感器。

5、附加地或可选地，当检测开关检测到探针和被测宝石之间的接触时产生短波紫外线和长波紫外线中的至少一种。

6、附加地或可选地，热学测试组件包括连接到铜管并配置成向铜管供热的加热元件以及可操作地连接到铜管且配置成感测铜管温度的热敏电阻。

7、附加地或可选地，光学测试组件包括紫外线发光二极管(led)光源和至少一根光纤，所述紫外线发光二极管光源被配置成产生短波紫外线和长波紫外线中的至少一种，所述至少一根光纤与紫外线led光源光学耦合并且被配置成用短波紫外线和长波紫外线中的至少一种照射被测宝石。

8、附加地或可选地，该设备可以测试和鉴定各种类型的宝石，包括天然开采的钻石、iia型hpht钻石、iia型cvd钻石、仿制宝石和莫桑石。

9、附加地或可选地，该设备还包括附接到手持器械的导电把手。微控制器利用把手和探针通过建立闭合电路来确定被测宝石或区域是否是金属，由此表明宝石的导电性。

10、附加地或可选地，为了评估宝石电学特性，该设备还包括连接到微控制器的电压倍增器和一组继电器。这种设置允许宝石的高压导电性测试。

11、附加地或可选地，该设备允许同时进行高压导电性测试和将宝石暴露于短波紫外线或长波紫外线。因此允许确定宝石的电学特性。此外，在一些替代实施例中，这允许并行地确定宝石的电学和光学特性。

12、附加地或可选地，微控制器被配置成并行地确定宝石特性中的至少两种，例如热学特性、光学特性和电学特性。

13、附加地或可选地，目视指示器可以是多个光源。多个光源中的每个单独光源都可以表示多于一种类型的宝石。

14、附加地或可选地，该设备还包括连接到微控制器以提供音频信息的扬声器。微控制器可以选择用于通过扬声器输出音频信息的语言。

15、附加地或可选地，紫外线led光源包括smd封装，其发射在250nm至275nm之间的短波紫外线和在350nm至375nm之间的长波紫外线。

16、附加地或可选地，该设备还包括连接到微控制器的蓝牙收发器，允许通过蓝牙与智能手机或平板电脑通信。

17、附加地或可选地，可使用该设备鉴定的宝石类型包括玻璃或立方氧化锆以及祖母绿、坦桑石、石榴石、碧玺、翡翠、尖晶石、红宝石和蓝宝石。

18、在本文的一个实施例中，提供一种使用手持式测试设备来鉴定宝石的方法。该方法包括：将可移除式探针连接至手持式测试设备；用加热元件加热该设备内的铜管；用热敏电阻感测铜管温度；将加热的铜管与被测宝石接触；确定从铜管到宝石的传热；产生短波紫外线或长波紫外线；用紫外线照射宝石；确定宝石的一个或多个特性(电学、热学和光学)，其中包括基于传热来确定；鉴定宝石类型；并且通过目视指示器指示结果。

19、本文的不同实施例所提供的设备都有利地具有用于测试和鉴定宝石的多项优点。首先，该设备提供一种全面的便携式解决方案，其具有手持壳体和探针，允许方便且随时随地进行宝石分析。加热元件、热敏电阻和光纤等装备的集成允许精确测量传热以及精确检测宝石导电性。紫外线led光源的使用有助于评估光学特性。微控制器的功能允许并行地确定多种特性，包括电学、热学和光学特性，实现高效全面的宝石分析。可由多个光源组成的目视指示器提供清晰直观的方式来指示所鉴定的宝石类型。此外，该设备支持多语言功能和音频信息输出，增强用户便利性和易用性。蓝牙收发器的集成允许与智能手机或平板电脑无缝通信，扩展设备能力和数据管理选项。总之，这些功能相结合，提供一种通用的、用户友好的、技术领先的宝石测试和鉴定设备。