数字化便携式宝石鉴定系统的设计策略

李文龙

摘要：本文在众多的宝石评价指标体系中挑选出四级晶体结构、10个等级透明度和纯净度、16级宝石的重量、10级莫氏硬度等四个维度鉴定标准，并在宝石鉴定云服务器设置数据库设置四维度标准对比库，设计了光学检测单元及硬度自动检测单元，并通过主控制单元将其结合起来形成玻璃金属制成容器。玩家将宝石放置玻璃金属制成容器后，在智能手机上玩家APP上可实时分享鉴定过程宝石分类及总等级结果。

关键词：莫氏硬度;晶体结构;光学检测;自动检测

中图分类号：P575

文献标识码：A

文章编号：1672 -9129（2018）12 -0205 -03

1 背景技术

随着世界的经济的增长，人们对一些贵重的石头的需求越来越多，比如钻石，红宝石，蓝宝石，祖母绿等一些贵重宝石;还有一些中档宝石，比如尖晶石，石榴子石，电气石等;还有一些低档宝石水晶等。在少部分国家有机宝石例如珍珠珊瑚等也在国际舞台上大放光彩。但是世界上仍需要各种国际检验宝石的实验室来确定宝石的价值和宝石的特性（比如中国，NCTC，GIC等证书;在世界上，GIA，古柏林等），在世界上，宝石的地位已经巩固，随着西式婚礼佩戴宝石这种形式越来越受国人推崇，宝石在中国的地位蒸蒸日上。

本文主要研究市面流通中的宝石，以稀有宝石之外的宝石为研究对象，划分为贵重宝石、中档宝石、普通宝石。宝石玩家通过晶体结构、颜色，耐久度、稀有性，眼看、手摸、工具触照多途径获得对宝石的评估。晶体结构包括八面体、六方柱、六方双锥、十二面体、四角三八面体、基本的几何构型;[1]宝石也具有不同的颜色、透明度和纯净度、光泽、特殊的光学效应;耐久度包括莫氏硬度、耐酸耐碱的性、抗极热抗极压性、弹性限度;其中稀有性是宝石地基本特征之一。消费者及普通玩家不可能具备如此丰富的鉴定知识，面对价值千元萬元几十万元宝石，在购买或出让过程中，会有比较长鉴定时间，如果去大型机构大实验室鉴定过程冗长并并且费用不低。[2]如何从众多宝石特征中挑选出主要特征，设计一套高效的，经济的，便携的，数字化的，直观的装置，让宝石处于买卖鉴定装置中自动进行扫描，并自动生成相关宝石价值数据，供买卖双方参考，基于这种在线模式形成一套数字化便携式宝石价值鉴定系统，是本文的研究主题与内容。

2 系统框架

一种数字化便携式宝石鉴定系统，在如图l所示的系统框架下实现的;该系统框架包括三大部分：

第一部分：宝石鉴定云服务器由四维度数据库表及对比评估模块组成;数据库配置摩氏硬度10级、重量16级、纯净度和透明度共占10级、晶体的复杂结构占4级。

第二部分：通过硬度自动检测单元自动检测莫氏硬度及重量，通过光学检测单元自动检测晶体结构、透明度和纯净度;通过主控制单元操控宝石检测工具移动路径及采集检测阶段结果并上传至宝石鉴定云服务器;

第三部分：玩家APP，为智能手机应用功能。可实时分享鉴定过程显示宝石分类及总等级结果。

3 具体实施技术措施

3.1 四个维度分级参照体系设置。四个不同的维度分为不同的等级。等级越高代表宝石越好。

（1）宝石的晶体结构的复杂程度

第四级：双晶，宝石双晶结构复杂，而且一般很罕见，故在这个维度里，将双晶放在最高的等级，如尖晶石接触双晶（左），钠长石聚片双晶（右）

第三级：高级晶族单形，例如四面体，三角三四面体，四角三四面体，五角三四面体，六四面体，八面体，三角三八面体，四角三八面体，五角三八面体，六八面体，立方体，四六面体，菱形十二面体，五角十二面体，偏方复十二面体。（例图从左至右为八面体，四面体）

第二级：中级晶族单形：四方柱（左图），复四方柱，三方柱，复三方柱，六方柱，复六方柱，四方单锥，复四方单锥，三方单锥，复三方单锥，六方单锥，复六方单锥，四方双锥，复四方双锥，三方双锥（右图），复三方双锥，六方双椎，复六方双椎，四方偏方面体，三方偏方面体，六方偏方面体，四方偏三角面体，复三方偏三角面体，四方四面体，菱面体。 第一级：低级晶族单形，单面（左图），平行双面，双面，斜方柱，斜方四面体，斜方单锥（右图），斜方双锥等。

（2）透明度和纯净度。该维度共分为10个等级

LC级别（第10级）：镜下无瑕疵，10倍放大镜下内外均无瑕疵

VVS1级别（第9级）：10倍放大镜下具有极微小的瑕疵，极难观察

VVS2级别（第8级）：10倍放大镜下具有极微小的瑕疵，很难观察

VS1级别（第7级）：10倍放大镜下具细小的瑕疵，难以观察

V52级别（第6级）：10倍放大镜下具细小的瑕疵，比较容易观察

SI1级别（第5级）：10倍放大镜下具用明显的瑕疵，镜下容易观察

SI2级别（第4级）：10倍放大镜下具用明显的瑕疵，很容易观察

Pl级别（第3级）：从表面观察，肉眼可见瑕疵

P2级别（第2级）：从表面观察，肉眼容易见瑕疵

P3级别（第1级）：从表面观察，肉眼非常容易见瑕疵

（3）宝石的重量。以克拉数为单位，设16级

第十六级：91ct-lOOct之间宝石，两端均含

第十五级：81ct-90ct之间宝石，两端均含

第十四级：71ct-80ct之间宝石，两端均含

第十三级：61ct-70ct之间宝石，两端均含

第十二级：51ct-60ct之间宝石，两端均含

第十一级：41ct-50ct之间宝石，两端均含

第十级：31ct-40ct之间宝石，两端均含

第九级：21ct-30ct之间宝石，两端均含

第八级：11ct-20ct之间宝石，两端均含

第七级：3ct-lOct之间宝石，左端不含，右端含

第六级：2.5ct-3ct之间宝石，左端不含，右端含

第五级：2ct-2.5ct之间宝石，左端不含，右端含

第四级：1.5ct-2ct之间宝石，左端不含，右端含

第三级：1ct-l.5ct之间宝石，左端不含，右端含

第二级：0.5ct-1ct之间宝石，左端不含，右端含

第一级：0ct-0.5ct之间宝石，左端不含，右端含

（4）宝石的硬度分级

第十级：摩氏硬度为10，例如金刚石，其化学组成为C

第九级：摩氏硬度为9，例如刚玉，其化学组成为Al2 03

第八级：摩氏硬度为8，例如托帕石，其化学组成为Al2SiO4（F，OH）2

第七级：摩氏硬度为7，例如石英，其化学组成为Si02

第六级：摩氏硬度为6，例如正长石，其化学组成为KAISi3 08

第五级：摩氏硬度为5，例如磷灰石，其化学组成为Cas（ P04）3（F，OH.Cl）

第四级：摩氏硬度为4，例如萤石，其化学组成为CaF2

第三级：摩氏硬度为3，例如方解石，其化学组成为CaC03

第二级：摩氏硬度为2，例如石膏，其化学组成为CaS04·2H20

第一级：摩氏硬度为1，例如为滑石，其化学组成为Mg3[Si4 O10]（OH）2

确定矿物或宝石的硬度时，应该遵循先软后硬的顺序，以使宝石表面留下尽可能少的痕迹。应该使用硬度笔进行验证。

3.2四个维度加权组成形成总价值

对宝石等级共分为40级

其中摩氏硬度共占10级，即占有25%

其中重量共占16级，即占有40%

其中纯净度和透明度共占10级，即共占有25%

其中晶体的复杂结构共占4级，即共占有10%

利用数学加权平均数对宝石进行分级。保证多次鉴赏后，宝石的分级不会出现非常大的变化。

3.3 硬度自动检测单元。硬度自动检测单元为宝石的力学性质检测。

该装置组成图如下

如图2所示，硬度自动检测单元箭头代表的为硬度分别为1～ 10的硬度笔，上箭头代表的是宝石所固定的位置，三角形代表一个稳定的三角形平台，中间的为圆形转盘，方便在进行鉴赏的时候，可以进行观察，避免在进行硬度检验的时候，看不到实物，为珍贵宝石提供了安全性。两个三角形的位置代表指示灯，左边为绿灯，右边为红灯，绿灯代表的在该硬度下，该硬度笔满足条件，红灯代表在该硬度笔下超过了该宝石的最大硬度范围，即刻切断电源。同时在宝石固定位置配置重力传感器，上传本宝石重量数据。现对圆形转盘进行平面投影图如下图所示

使用三槽位使其稳定的固定在圆形卡槽中，其卡槽的支持力为圆周运动提供向心力，防止在检测的过程中掉落使其损害。硬度自动检测单元原理及其操作过程：接通电源，将宝石放人圆形卡槽内，圆盘开始以以一定的角速度转动，lOs后，将硬度为l的硬度笔转至硬度笔圆盘的中央，Ss后放下，若绿灯亮，则将硬度为1的数据传至宝石鉴定云服务器，lOs后，进行第二次检测，将硬度为2的硬度笔转至硬度笔圆盘中央，5s后，进行第二次检测，随后将硬度为2的硬度笔放下，若绿灯亮，则将硬度为2的数据传至宝石鉴定云服务器，进行第N次检测后（N<11，N为正整数），红灯亮，则迅速将硬度笔弹起，避免外力过大导致宝石破损。然后将（N-1）次的数据传至宝石鉴定云服务器，进行资料的汇总。

3.4 光学检测单元。光学检测单元光学器件配置为：

十倍放大镜（专业珠宝鉴定的10倍放大镜）;

灯光（黄光，白光，365 nm紫外灯，395 nm紫外灯）四种光源可以进行变换

其中，十倍放大镜型号TRIPLET 10X - 21MM，具有数字输出接口;

灯光型号CLowicsR JY - 88，

光学检测单元示意图如下：

其中，三角形为灯光，园形为10倍放大镜。

光学检测单元是整个装置由玻璃金属制成，整个装置是双开门的形式，可以完全展现光学检测单元内部结构。光学检测单元配有4个灯光（光强可以调控），四个灯光分别位于长方体模型的面心上（非开门面与其对面），4盏灯既可以保证有充足的光源，宝石位于长方体体心之上，8个十倍放大镜可以沿着箭头方向移动，8个放大镜可以从不同角度鉴赏宝石，满足三百六十度全方位观察宝石的纯净程度与宝石的包裹体类型，十倍放大镜。

3.5 主控制单元。依据上述原理，可将光学检测单元及硬度自动检测单元可制作在同一个玻璃金属制成容器內，主控制单元位于该玻璃金属制成容器底部。主控制单元为嵌入式控制器，输入输出端口操控硬度笔及10倍放大镜沿指定路径运动，同时主控制单元串行数据接口与10倍放大镜数据端口连接，主控制单元通过4C无线网络接口与宝石鉴定云服务器数据连接。

3.6 宝石鉴定云服务器四维度标准对比分析模块。本文主要研究内容为设计光学检测单元及硬度自动检测单元，然而需在宝石鉴定云服务器设置数据库并对不断充实优化四维度标准对比模块。主要是建立如文中3.1所示的宝石颜色，洁净程度，宝石的晶体结构及硬度等级对比标准库;可主控制单元采集光学检测单元及硬度自动检测单元原始数据与标准比对，形成等级评定。

3.7 玩家APP。玩家将宝石放置玻璃金属制成容器后，打开智能手机上玩家APP，可实时分享鉴定过程等级结果。依次是摩氏硬度10级、重量16级、纯净度和透明度共占10级、晶体的复杂结构占4级，及加权平均后总值宝石等级40级。不再需玩家拿传统工具触照，仅仅是共同把宝石放置玻璃金属制成容器后固定处，由本系统自动检测并显示宝石分类及总等级。

4 本系统积极意义与改进

在人民群众生活日益提升的今天，宝石能带来不同人的物质文明与精神享受。在消费者及普通玩家不具备丰富的宝石鉴定知识状态下，本系统设计了由光学检测单元、硬度自动检测单元、主控制单元组成的玻璃金属制成容器，是一套高效的，经济的，便携的，数字化的，直观的装置，让宝石该处于玻璃金属制成容器自动进行扫描，形成宝石价值供买卖双方参考。[3]该玻璃金属制成容器可在短时间得到具有一定权威的评判，目前可支持四维度的宝石鉴赏仪，未来还将加入更多维度，比如特殊光学性质，光泽，其稀有程度等多方位的鉴赏，不停的修改四维度标准，变成完整的n维度的宝石鉴赏。

参考文献：

[1]黄作良.《宝石学》天津大学出版社.2010

[2] James E.Shigley，Taijin Lu，Wuyi Wang，张辉.在珠宝首饰界准确鉴定宝石的重要性[J].宝石和宝石学杂志，2004（ 02）：14 - 17.

[3]郭立鹤，韩景仪，罗红宇.宝石的红外反射光谱及红外光谱鉴定系统[J].岩石矿物学杂志，2006（ 04）：349 - 356.