Pdc、pcbn或其他硬質或超硬材料的聲發射韌性測試的制作方法

專利名稱：Pdc、pcbn或其他硬質或超硬材料的聲發射韌性測試的制作方法
技術領域：
本發明一般地涉及測試硬質或者超硬材料的固有強度或韌性的方法/裝置和軟件；更具體地涉及采用聲發射測試硬質或者超硬材料的固有強度或韌性的方法、裝置和軟件。
背景技術：
圖I示出了根據本發明的示例性實施例的能插入諸如鉆頭或鉆孔器之類的井下工具(未示出)的超硬材料100。超硬材料100的一個示例是如圖I所示的用于巖石鉆頭的切割器件100或切割器或插入件。然而，基于其應用，超硬材料100能被形成為其他結構。該切割器件100典型地包括具有接觸面115和切割臺120的襯底110。通過根據一個實施例的燒結エ藝，利用與該接觸面115接合的超硬層來制造該切割臺120。根據ー些實施例，該襯底110通常由碳化鎢鈷，或碳化鎢制成，而該切割臺120利用多晶超硬材料層，如多晶金剛石(“P⑶”)或聚晶立方氮化硼(“PCBN”)構成。這些切割原件100根據本領域中普通技術人員已知的エ藝和材料制造。盡管示出該切割臺120具有基本平面的外表面，但在其他實施方式中，該切割臺120可以有其他可替換的外表面形狀，如圓頂形、凹形或其他非平面的外表面。盡管提供了該切割元件100的示例組成，但根據應用也能使用本領域中普通技術人員已知的其他組成和結構。盡管超硬材料100能用于巖石鉆孔，并且在下文中也描述了巖石鉆孔，但該超硬材料100能用于多種其他應用，包括但不限于機器加工、木工和米石。不同的PCD，PCBN，硬和超硬材料等級能用于不同應用所使用的切割器100，如采用不同鉆頭設計對不同巖層鉆孔或加工不同金屬或材料的切割器100。這些切割器100的常見問題包括削片、散裂、部分壓裂、開裂和/或在使用時從該切割臺120剝落。這些問題導致該切割臺120和/或該襯底110的早期失效。典型地，在鉆孔期間該切割臺120與土層接觸的區域上產生的高強度應カ能導致這些問題。由干與維修、生產停エ期和勞カ相關的費用的原因，這些問題增加了鉆孔的費用。因此，最終用戶，如鉆頭設計者或預涂涂裝工程師，針對任何給定的鉆孔或加工任務來選擇切割器100的最佳實施級別以減少這些常見問題的發生。例如，作為決定采用的常規方法，最終用戶通過平衡該切割器100的耐磨性和耐沖擊性來選擇合適的切割器100。典型地，適合終端用戶在具體應用中來選擇合適級別的切割器100的信息是從歷史數據記錄推斷而來，這些歷史記錄數據顯示在具體領域和/或在模仿不同鉆孔或加工條件測試不同切割器100的實驗性功能測試的不同級別的PCD、PCBN、硬或超硬材料。用于鉆孔行業的實驗性功能測試有兩個主要分類，這些測試為磨損測試和碰撞測試。已經通過采用兩種常規測試方法測試了超硬材料100，包括多晶金剛石小型(“PDC”)切割器100的耐磨損性。該PDC切割器100包括由PCD制造的切割臺120。圖2示出了采用常規花崗巖鋸斷測試來測試耐磨性的車床200。盡管提供了該車床200的具體裝置構造，在不脫離具體實施例的范圍和精神下，也能采用本領域中普通技術人員已知的其他裝置結構。參考圖2，該車床200包括卡盤210、尾座220以及位于卡盤210及尾座220之間的刀座230。目標圓柱體250具有第一末端252、第二末端254,和從第一末端252延伸至第ニ末端254的ー側壁258。根據常規花崗巖鋸斷測試，在測試期間側壁 258為與該超硬部件100接觸的暴露面259。該第一末端252與該卡盤210耦合，同時該第二末端254與該尾座220耦合。該卡盤210構造為旋轉，因而使得該目標圓柱體250也沿著目標圓柱體250的中軸256旋轉。該尾座220構造為在該目標圓柱體250旋轉時將該第二末端254保持在適當的位置。該目標圓柱體250由単一勻質材料構成，典型的為花崗巖。然而，其他巖石類型也可用于該目標圓柱體，包括但不限于Jackforck沙巖、印度石灰石、庇哩亞(Berea)沙巖、迦太基(Carthage)大理石、尚普蘭(Champlain)黑大理石、伯克利(Berkley)花崗巖、塞拉利昂(Sierra)白花崗巖、德克薩斯(Texas)粉花崗巖和喬治亞(Georgia)灰花崗巖。該PDC切割器100被裝配在車床刀座230上，使得該PDC切割器100與該目標圓柱體250的暴露面259接觸并橫跨該暴露面259前后移動。該刀座230在該目標圓柱體250上具有向內進料率(inward feed rate)。該PDC切割器100的耐磨損性被確定為磨損率，該磨損率被定義成該目標圓柱體250被移除的體積與該PDC切割器100被移除的體積之比。可選擇地，測量該PDC切割器100穿過該目標圓柱體250的距離代替測量體積，并使用該距離來量化該PDC切割器100的耐磨性。可選擇地，本領域普通技術的人員已知的其他方法也能用在花崗巖鋸斷測試中測量該耐磨性。本領域普通技術的人員知道該車床200的操作和結構。在下文中能找到在這類測試的描述，即1975年5月出版在the Journal ofPetroleum Technology (石油技術期刊)上白勺 Eaton, B. A.，Bower, Jr.，A. B.和 Martis,J. A.所發表的"Manufactured Diamond Cutters Used In Drilling Bits.(經制造的用于鉆頭的金剛石切割器)"(Journal of Petroleum Technology, 1975 年 5 月，543-551，Society of Petroleum Engineers paper 5074-PA),以及 Maurer、William C 等人所著的Advanced Drilling Techniques (高級鉆孔技術)，第 22章，石油出版社，1980, 541-591 頁,在此引入作為參考。圖3示出了采用立式鏜床(“VBM”)測試或立式六角車床(“VTL”)測試測量耐磨損性的立式鏜床300。盡管提供了該VBM 300的具體裝置構造，在不脫離具體實施例的范圍和精神下，也能采用其他裝置結構。該立式鏜床300包括旋轉臺310和置于該旋轉臺310上方的刀座320。目標圓柱體350具有第一末端352、第二末端354和從第一末端352延伸至第二末端354的側壁358。根據常規VBM測試，在測試期間第二末端354為與該超硬材料100接觸的暴露面359。典型地，該目標圓柱體350的直徑為約30英寸到約60英寸；然而這一直徑可以更大或更小。該第一末端352安裝在VBM300中較低的旋轉臺310上，從而具有面向該刀座320的暴露面359。該PDC切割器100安裝在該刀座320中、位于該目標圓柱體的暴露面359之上并與該暴露面359接觸。在該刀座320使該PDC切割器100從該目標圓柱體350的暴露面359的中心到其邊緣然后再到該目標圓柱體350的暴露面359的中心循環切割時，該目標圓柱體350旋轉。該刀座320具有預定的向下出料率。該VBM方法允許在該PDC切割器100上放置較高荷載，且更大的目標圓柱體350提供了更大的巖石體積以供PDC切割器100作用。典型的，該目標圓柱體350由花崗巖構成；然而，目標圓柱體能由其他材料構成,包括但不限于Jackforck沙巖、印度石灰石、庇哩亞(Berea)沙巖、迦太基(Carthage)大理石、尚普蘭(Champlain)黑大理石、伯克利(Berkley)花崗巖、塞拉利昂(Sierra)白花崗巖、德克薩斯(Texas)粉花崗巖和喬治亞(Georgia)灰花崗巖。
該PDC切割器100的耐磨損性被確定為磨損率，該磨損率被定義成該目標圓柱體350被移除的體積與該PDC切割器100被移除的體積之比。可選擇地，測量該PDC切割器100穿過該目標圓柱體350的距離代替測量體積，并使用該距離來量化該PDC切割器100的耐磨損性。可選擇地，本領域普通技術的人員已知的其他方法也能用在VBM測試中測量該耐磨性。本領域普通技術的人員知道該VBM300的操作和結構。在下文中能找到關于這一類型測試的描述，Bertagnolli> Ken和Vale、Roger所發表的“Understandingand Controlling Residual Dtresses in ThicK Polycrystalline Diamond Cutters forEnhanced Durability (理解和控制厚的多晶金剛石切割器中的殘余應カ以便獲得增強的耐久度)”，美國合成公司，2000，在此全文引入作為參考。除了測量耐磨損性，還能測量PDC切割器100的沖擊負荷耐力。圖4示出了采用“落錘”測試測量超硬部件的耐沖擊性的落塔裝置400，該“落錘”測試將金屬砝碼450懸掛在該切割器100上然后再落下。該“落錘”測試是為了模擬當PDC切割器100從ー個部件到另一部件移動或者經歷橫向和軸向振動時可能遇到的負荷類型。基于它們的沖擊強度，該沖擊測試的結果可以用于切割器分級；然而，這一分級并不能對在實際情況下該切割器100如何工作提供預測。參考圖4，該落塔裝置400包括超硬材料100 (如PDC切割器)、目標固定裝置420和位于超硬材料100之上的沖擊板450。該PDC切割器100鎖入該目標固定裝置420中。典型地，該沖擊板450或砝碼由鋼構成并且位于該PDC切割器100之上。然而，該沖擊板450也能由本領域普通技術的人員已知的其他替代材料構成。典型地，以該PDC切割器100的金剛石臺120與該沖擊板450所呈的后傾角415固定該PDC切割器100。本領域普通技術人員知道該后傾角415的范圍。該沖擊板450重復落在該PDC切割器100的刀ロ上直至該PDC切割器100的刀ロ脫離或剝離。這ー測試也能稱為“側面沖擊”測試，因為該沖擊板450沖擊該金剛石臺120的暴露刀ロ。典型地，在該金剛石臺120中或該金剛石臺120與硬質襯底110的接觸面115處將出現破壞。該“落錘”測試對該金剛石臺120的刀ロ位置十分靈敏。如果該臺120稍微傾斜，測試結果也會明顯改變。記錄使該金剛石臺120的最初構造變化的總能量，用焦耳表達。對于耐沖擊性更高的切割器100，該沖擊板450能根據預設計劃增加下落高度從而以更大的沖擊能量沖擊該切割器100以達到破壞。然而，這一“落錘”測試體現了ー些缺點，缺點包括這ー方法要求測試大量切割器100以達到能比較ー種切割器型與另ー種切割器型間的相關耐沖擊性的有效的統計采樣。這ー測試不足以提供在向下鉆孔環境中的沖擊負荷下反映整個切割器100的實際耐沖擊性的結果。該測試顯示了靜態沖擊效應，而實際的沖擊為動態的。每秒的沖擊次數能達到100赫茲(“Hz”)高。同時，該切割器的損傷量由訓練有素的人主觀地評價并與其他切割器發生的損傷進行比較。盡管市面上存在的不同磨損測試的結果形成了與實際現場性能大致上一致的合理度，但常規沖擊測試的結果并不相同。盡管常規沖擊測試的結果和實際現場性能之間存在一定的相關度，但該數據的分散常常十分大，因此導致難以/或不準確地預見在實際現場性能中切割器如何表現。同吋，采用這些常規方法并不檢測切割器內發生的其他裂痕因此也不能評價該切割器的硬度。另外的，由于鉆頭的選擇是關鍵的過程，知道鉆頭鉆入的不同巖石的機械性質也是重要的。現在用于鉆頭選擇的最重要參數之ー是巖石的未定義抗壓強度(“UCS”)，該未定義抗壓強度能直接從礦樣測量或從鋸斷數據間接評估。然而，當選擇鉆頭時不應僅僅依賴巖石的UCS，因為該UCS可能是誤導的，尤其是巖石的UCS大于15000psi且易碎從而具有低結構強度Klc吋。因此，在選擇合適的鉆頭時也應考慮巖石的結構強度。 附圖簡要說明結合附圖閱讀時，能最好的理解涉及如下描述的具體實施例的本發明的上述和其他特征和方面。其中圖I示出了根據本發明具體實施例能插入向下鉆孔工具中的超硬材料；圖2示出了采用常規花崗巖鋸斷測試測試耐磨損性的車床；圖3示出了采用立式鏜床測試或立式六角車床測試來測試耐磨損性的立式鏜床；圖4示出了采用“落錘”測試測量超硬部件的耐沖擊性的落塔裝置；圖5示出了依照本發明具體實施例的聲發射測試系統的立體圖；圖6示出了依照本發明具體實施例的圖5中的聲發射測試系統的橫截面視圖；圖7示出了依照本發明具體實施例的圖5中的刀座的立體圖；圖8示出了依照本發明具體實施例的圖5中的聲發射測試裝置的立體圖，其中該壓頭從該刀座移除；圖9示出了依照本發明替代的具體實施例的聲發射測試系統的立體圖；

圖10示出了依照本發明具體實施例的圖5中的數據記錄儀的方框圖；圖11圖示了依照本發明具體實施例表示切割器經歷高達兩千牛頓負荷時的切割器聲發射和負荷表征；圖12圖示了依照本發明具體實施例表示切割器經歷高達五千牛頓負荷時的切割器聲發射和負荷表征；圖13圖示了依照本發明具體實施例表示切割器經歷高達三萬牛頓負荷時的切割器聲發射和負荷表征；圖14圖示了依照本發明具體實施例表示切割器經歷高達四萬牛頓負荷時的切割器聲發射和負荷表征；圖15A圖示了依照本發明具體實施例表示切割器制造商#1切割器樣品#1切割器型經歷高達約四萬五千牛頓負荷時的切割器聲發射和負荷表征；圖15B圖示了依照本發明具體實施例表示切割器制造商#2切割器樣品#2切割器型經歷高達約三萬牛頓負荷時的切割器聲發射和負荷表征；
圖16闡明了用于分析從該聲傳感器獲取的數據點的方法的流程圖，其中該方法包括根據本發明具體實施例的ー環法(loop one method)和ニ環法(loop two method)；
圖17闡明了根據本發明具體實施例的圖16中的ー環法的詳細流程；圖18闡明了根據本發明具體實施例的圖16中的ニ環法的詳細流程；圖19圖示了根據本發明具體實施例的表示切割器經歷負荷時的切割器聲發射表征；圖20圖示了根據本發明具體實施例表示切割器經歷負荷時的切割器聲發射表征的局部放大圖；圖21示出了根據本發明具體實施例表示每個實際聲學事件的累積分布表示；圖22示出了根據本發明具體實施例的圖10中該處理器的框圖；圖23示出了分別能在圖5和9中的聲發射測試系統中檢測的巖石樣品，該巖石樣品代替根據本發明具體實施例的圖I中的切割器。附圖僅闡明了本發明的具體實施例，因此不認為限制了其范圍，因為本發明可以承認其他等效的實施方式。具體實施例的簡要說明本發明涉及采用聲發射測試硬質或者超硬材料的固有強度或硬度的方法、裝置和軟件。雖然下面提供了與PDC切割器結合的具體實施例的描述，本發明的替代實施方式也可適用于其他類型的硬或超硬材料，包括但不限于PCBN切割器、巖石樣品或其他本領域普通技術的人員已知的硬或超硬材料。例如，硬或超硬材料包括碳化鎢硬質合金、碳化硅、硬質合金基體樣片、陶瓷或化學氣相沉積(“CVD”)涂層插入件。該硬或超硬的材料也包括巖石樣品，巖石樣品包括但不限于堅硬的巖石樣品和/或從鉆洞中獲取的凝結巖石樣品。本發明通過閱讀以下非限制性的參考附圖的具體實施例的描述被更好地理解，每個附圖中同樣的部分采用同樣的附圖標記，并簡要說明如下。圖5示出了依照本發明具體實施例的聲發射測試系統500的立體圖。圖6示出了依照本發明具體實施例的圖5中的聲發射測試系統505的橫截面視圖。參考圖5和6，聲發射測試系統500包括可通信地耦合到數據記錄儀590的聲發射測試裝置505。該聲發射測試裝置505包括刀座510、切割器100、壓頭550和聲傳感器570。然而，在某些實施方式中，該刀座510是可選的。雖然在具體實施例中對切割器100進行了描述，但在一個替代具體實施例中，巖石樣品2300(圖23)取代了切割器100。圖7示出了依照本發明具體實施例的刀座510的立體圖。參考圖5、6和7，刀座510包括第一表面712、第二表面714和側面716。該第一表面712放置在與放置該第二表面714的平面基本平行的平面內。該側面716從第一表面712延伸至第二表面714。根據ー些具體實施例，該側面716基本垂直于第一表面712和第二表面714中的至少ー個。根據替代的示例性實施例，該側面716不基本垂直于第一表面712和第二表面714的任ー個。該刀座510由鋼制成；然而，根據其他具體實施例，該刀座510由任何金屬、木材或本領域普通技術的人員已知的能夠承受負荷580的其他合適的材料構成，這將在下文中就其應用進一步詳細介紹。負荷580的范圍可以從零到七萬牛頓。在某些具體實施例中，合適的材料能被加工或模壓，并能傳播聲音。在某些具體實施例中，合適的材料能夠以約I公里每秒或更高的速度傳播聲音。
該刀座510基本上為圓柱體形狀，其中該第一表面712基本上為圓形，該第二表面基本上為圓形，和該側面716基本上為弧狀。然而，該側面716包括耦合部分730，該耦合部分730基本為平面，或平坦面，并從第一表面712延伸到第二表面714。耦合部分730提供表面，該表面用于將聲傳感器570耦合到刀座510。在某些具體實施例中，耦合部分730并不延伸從該第一表面712至該第二表面714的整個長度。在某些示例性實施例中，該聲傳感器570的尺寸使得聲傳感器570能夠被耦合到弧形側面716。因此，耦合部分730在這些具體實施例中是可選的。雖然提供了刀座510的一個示例性形狀，但在不脫離具體實施例的范圍和精神下，刀座510可以構造成任何其他幾何和非幾何形狀，如方形柱狀或三角柱狀。空腔720形成在該刀座510內和且該空腔720的尺寸被設計成用于接收切割器100，或諸如巖石樣品2300 (圖23)之類的其他硬或超硬材料，這將在下文進ー步描述。空腔720的直徑的尺寸稍比切割器100的直徑大，從而使切割器100輕松自如地安裝在空腔720內。該空腔720從該第一表面712延伸至第二表面714，但并不到達第二表面714。在其他具體實施例中，空腔720從第一表面712延伸至第二表面714和穿過該刀座510，從而在刀 座510內形成一個孔。空腔720為圓形，但在其他具體實施例中為任何幾何或非幾何形狀。空腔720是通過加工該刀座510形成，或者通過模制刀座510使其中形成該空腔720。可替換的，使用本領域普通技術人員已知的其他方法形成該空腔720。在某些具體實施例中，該空腔720以如下方式形成確保每次切割器100插入該空腔720時切割器100以相同方式正確對準。該切割器100在上文中參考圖I進行了描述并應用于示例性實施例中。簡而言之，該切割器100包括襯底110和形成或耦合在襯底110頂部的切割臺120。在該示例性實施例中，切割臺120由PCD構成，但在替代的具體實施例中，切割臺120由其他材料構成，而不脫離具體實施例的范圍和精神。雖然該切割器100具有平坦或平面的切割臺120，但該切割臺120可以是本領域普通技術知識的人員已知的圓頂形、凹形或任何其他形狀。該切割器100包括研磨的和/或接地切割器以及“原始”切割器。“原始”切割器沒有被研磨，和通常為提供了壓制池的切割器。本發明的實施方式可以測試這兩種切割器類型。由于切割器制造商能夠根據本發明的實施方式測試“原始”切割器，切割器制造商能夠確保早在切割器生產運行中就滿足規格。如果切割器制造商確定的“原始”切割器100不符合適當的規格，則在繼續對切割器生產運行之前，他們能夠在操作參數上做出必要的改變以獲得“良好的”切割器。此外，“原始”切割器能在一個較低的千牛頓水平或負荷下被測試以確保“原始”切割器在給定負荷下不開裂。如果在測試“原始”切割器時發生了裂縫，貝IJ切割器制造商可以放棄研磨和磨削的這些“原始”切割器以避免額外費用；從而節省不必要的成本支出。因此，每個“原始”切割器能采用低負荷水平通過聲發射測試系統500進行測試以確保該切割器100是“良好的”切割器。參照圖6，該切割器100被插入刀座510的空腔720內。該切割器100放置在空腔720內使切割臺120面向該第一表面712，或遠離該第二表面714。根據這一具體實施例，整個切割器100插入在空腔720內。然而，在替代的具體實施例中，該切割器100的一部分(其中包括整個襯底110)是完全插入空腔720內的。因此，在這些具體實施例中，至少一部分切割臺120是不插入空腔720內的。一旦該切割器100被插入在該空腔720內，在該切割器100的外周面和該空腔720外表面之間就形成氣隙610。根據某些具體實施例，潤滑劑620被涂敷于切割器100的外周面或放置在空腔720內。在這些具體實施例中，一旦該切割器100被放置在該空腔720內，潤滑劑620填充該氣隙610的至少一部分，使得該潤滑劑620粘附在該切割器100的外周面和該空腔720外表面上并占據兩者之間的氣隙610的一部分。在其他具體實施例中，該潤滑劑620至少放置空腔720的底面和該切割器100的底部之間。該潤滑劑620提高了該切割器100和該聲傳感器570之間的聲發射。根據ー些示例性實施例，該潤滑劑620是ー種凝膠，如超聲凝膠。然而，在其他具體實施例中，其他材料可以用作該潤滑劑620，其中包括但不限于油、油脂和乳液。這些材料能散開、粘附至這些表面，并不會迅速干燥。雖然該切割器100被描述為用于這一具體實施例中，但也可以使用其他需要硬度測試的硬或超硬材料，來代替切割器100。回過來參考圖5和6，該壓頭550的第一末端650是圓頂形，且第二末端652有平坦表面。該壓頭550制造得比該切割器100更硬，使得一旦負荷580施加在該壓頭550上，就損壞該切割器100而不損壞該壓頭550。例如，壓頭550由碳化鎢鈷制成；然而， 本領域普通技術人員已知的其他材料可用于制造該壓頭550。在某些具體實施例中，壓頭550的鈷含量范圍在從大約百分之六至約百分之二十之間。在某些具體實施例中，壓頭550的鈷含量大于該切割器100的切割臺120的鈷含量。此外，在某些具體實施例中，在該壓頭550的第一末端650上形成或安裝了 P⑶層。在這些具體實施例中，該壓頭550的P⑶層的鈷含量大于該切割器100的切割臺120的鈷含量。此外，在這些具體實施例中，該壓頭550的PCD層的鈷含量范圍在從大約百分之六至約百分之二十之間。盡管鈷用于這些具體實施例使得該壓頭比該切割器100硬，但在替代的具體實施例中，能采用本領域普通技術的人員已知的其他成分。該壓頭550大小與空腔720相適應使其與切割器100接觸。在某些具體實施例中，該壓頭550周邊大小與述空腔720的周邊基本類似，在具體實施例中至少部分切割臺120不在該空腔720內，該壓頭550的尺寸可以設計為使該壓頭550的周邊大于空腔720的周邊。該壓頭550定位在使該第一末端650與該切割器100接觸。因此，在這ー實施方式中，該壓頭550的PDC層與切割器100的PDC層或切割臺120接觸。該負荷580施加到該第二末端652，該第二末端652將負荷580轉移到該切割器100上。雖然在這些具體實施例中采用圓頂形的壓頭550，在其他某些具體實施例中可以采用其他形狀的壓頭。此外，該第二末端652可以為其他非平面形狀，而不偏離該具體實施例的范圍和精神。該聲傳感器570是壓電傳感器，該壓電傳感器沿該刀座510的耦合部分730定位。然而，該聲傳感器570可以是本領域普通技術人員已知的任何其他儀器型號，其中該儀器能夠檢測聲傳輸。該聲傳感器570檢測該切割器100中形成的弾性波信號，然后將弾性波信號轉換成電壓信號使得數據可以被記錄和隨后被分析。在某些具體實施例中，該潤滑劑620放置在耦合部分730和聲傳感器570之間的接觸區域內。如前所述，該潤滑劑620改善了從該切割器100到該聲傳感器570的弾性波傳輸的檢測。根據ー些替代具體實施例，聲傳感器570的大小被設計成以便它能夠被放置在側表面716的弧形部分上。該聲傳感器570可通信地耦合到數據記錄儀590，使發生在該切割器100內的弾性波產生的電壓信號可以被存儲和隨后被分析。該聲傳感器570采用電纜592耦合到該數據記錄儀590 ;然而，根據其他的具體實施例，該聲傳感器570能采用無線技術通信地耦合到該數據記錄儀590，該無線技術包括但不限于紅外線和無線電頻率。
數據記錄儀590記錄從聲傳感器570發送的數據，并在其中存儲該數據。在某些具體實施例中，提供負荷580的該設備(未顯示)或機器通過電纜582也被耦合到數據記錄儀590 ;然而，根據另外的具體實施例中，使用包括但不限于紅外線和無線電頻率之類的無線技木，該儀器提供的負荷580可以被可通信地耦合到數據記錄儀590。數據記錄儀590也處理與分析接收到的數據。雖然數據記錄儀590記錄、存儲、處理和分析該數據，根據一些具體實施例該數據記錄儀590可以接收數據、處理數據、分析該數據而不存儲該數據。可替換的，在其他具體實施例中，該數據記錄儀590可以存儲數據但不處理或分析數據。在某些具體實施例中，采用附加設備(未顯示)處理和分析數據。圖10示出了根據ー個具體實施例的圖5中的數據記錄儀590的原理框圖。參考圖5和10，該數據記錄儀590是計算機系統。該數據記錄儀590包括存儲介質1040、用戶界面1030、處理器1020和顯示器1010。 該存儲介質1040從該聲傳感器570 (圖5)接收信息并在該存儲介質1040中接收信息。根據具體實施例，該存儲介質1040是硬盤。然而，根據其他具體實施例，該存儲介質1040包括硬盤、移動硬盤、USB驅動器、DVD、CD或任何能存儲數據和/或軟件的設備中的至少ー種。在某些具體實施例中，該存儲介質1040還包括軟件，用于提供如何處理從聲傳感器570 (圖5)收到的信息或數據的指令。該用戶界面1030允許用戶與該數據記錄儀590連接并提供用于操作該數據記錄儀590的指令。根據ー些具體實施例，該用戶界面包括鍵盤。然而，根據其他的具體實施例，該用戶界面包括鍵盤、鼠標、可作為顯示部分1010的一部分的觸摸屏或本領域普通技術的人員已知的任何其他用戶界面中的至少ー種。該處理器1020可以接收來自用戶界面1030的指令、訪問存儲在該存儲介質1040中的信息、發送信息到該存儲介質1040和發送信息到該顯示器1010。在某些具體實施例中，該處理器1020訪問存在于該存儲介質1040中的軟件和執行由該軟件提供的指令集。下文中進ー步提供了這些指令的更詳細的說明。在某些具體實施例中，該處理器1020包括處理器引擎2200，下文中結合附圖16、17、18和22將進ー步詳細介紹處理器引擎2200。該顯示器1010接收來自該處理器的信息和與用戶溝通該信息。根據ー個示例性實施例，該顯示器1010包括顯示器或屏幕。然而，根據其他的具體實施例，該顯示器1010至少包括屏幕、觸摸屏、打印機或任何其他能與用戶溝通信息的設備中的至少ー種。雖然在圖10中沒有顯示，該數據記錄儀590可以通過有線或無線方式被通信地耦合至內部網絡，其中軟件和/或來自聲傳感器570(圖5)的數據儲存在中央服務器內(未顯示)。此外，根據ー些替代的具體實施例，該數據記錄儀590可以通過有線或無線方式被可通信地耦合至調制解調器(未顯示)，其中調制解調器可通信耦合到廣域網。在某些替代的具體實施例中，該軟件和/或來自該聲傳感器570 (圖5)的數據存儲在可以通過萬維網訪問的遠程位置。圖8示出了依照本發明具體實施例的圖5中的聲發射測試裝置505的立體圖，其中該壓頭550從該刀座移除。參考圖8，該切割器100完全插入在該刀座510的空腔720內。如圖所示，該切割器100的直徑小于該空腔720的直徑，從而形成氣隙610。此外，該P⑶層或該切割臺120也定位在該空腔720內，使得該P⑶層面向該第一表面712。該壓頭550從該空腔720中移除以進ー步闡述該壓頭550的ー些特征。根據這一具體實施例，該壓頭550包括襯底808和形成或耦合到襯底808頂部的硬質表面810。在具體實施例中，硬質表面810由PCD形成，但在其他具體實施例中，硬質表面810可以由其他的硬或超硬材料制成，如PCBN，而不背離該具體實施例的范圍和精神。雖然壓頭550有圓頂形硬質表面810，但硬質表面810可以是本領域普通技術的人員已知的平面或任何其他形狀。如所看到的，根據這一具體實施例，該壓頭550的直徑與該空腔720的直徑大致相同。在替代的實施方式中，該壓頭550定位在具有硬質表面810的空腔720內，面向該第一表面712。待測試的該切割器100定位在該壓頭550的頂部同時該切割臺120接觸硬質表面810。負荷580向下施加在被測切割器100的襯底110的背面。在被測切割器100中發生和/或傳播的裂縫的聲發射通過該壓頭550傳送至該聲傳感器570。在這種替代的具體實施例中，該刀座510是可選的。圖9示出了依照本發明替代的具體實施例的聲發射測試系統900的立體圖。參考 圖9，該聲發射測試系統900包括可通信地耦合到數據記錄儀507的聲發射測試裝置905。除該聲傳感器570直接耦合到切割器100和圖5中去除了刀座510タト，該聲發射測試裝置905類似于圖5中的聲發射測試裝置505。此前在圖5、6、7、8和10中已描述該切割器100、該壓頭550、該負荷580、該聲傳感器570和該數據記錄儀590。此外，根據ー些具體實施例，該潤滑劑620 (圖6)放置在聲傳感器570和切割器100之間。參考圖5-8描述了聲發射測試系統500的操作。待測試的該切割器100或硬或超硬材料被放置在該刀座510的空腔720內。為了提高在該切割器100的基座或底面與該空腔720的底部之間的接觸面上的弾性波傳播，在該切割器100的底面和空腔720的底部之間使用礦物油基凝膠620。該聲傳感器570與該刀座510的耦合部分730相對放置以檢測在該切割器100內產生的彈性波。為了提高在該聲傳感器570和該連接部分730之間的接觸面上的弾性波傳播，在該聲傳感器570和該耦合部分730之間使用該礦物油基凝膠620。該壓頭550放在切割器100的P⑶層120的頂部，并使用該負荷580將該壓頭550推向這一 PO)層120。使用100千牛頓8500系列英斯特朗機(Instron machine)向該壓頭550提供負荷580。該機(未顯示)可控制施加在該壓頭550上的負荷量。該機連接到數據記錄儀590使負荷相對時間被測量。盡管公開了可提供該負荷580的機器的ー個例子，但任何能夠提供施加在該壓頭550上可衡量的負荷的系統都在本發明具體實施例范圍內。例如，提供可測的負荷580的機器或設備范圍可以從ー個手持錘子到完全儀器沖擊機，或適合用于穩定或循環加載歷史的負荷控制液壓機。該負荷580施加到該壓頭550上并以恒定速率増加至所需的負荷水平。一旦達到預期的負荷水平，負荷水平就保持所需的一段時間，該段時間可以從幾秒到幾分鐘，然后以比斜升速率更快的速度斜降。每當頂部金剛石層130內有新的裂縫形成或現有的裂縫增長，則一定量的彈性能量以一系列弾性波的形式幾乎在瞬間釋放，該彈性波通過該PCD層120、該襯底110、以及該刀座510。該聲傳感器570檢測這些彈性波并將接收到的信號轉換成電壓信號。該聲傳感器570可通信地耦合到該數據記錄儀590以記錄相對于時間的聲發射或數據。這些聲發射包括背景噪聲和聲學事件。因此，由于該數據記錄儀590記錄了聲發射歷史和加載歷史，因此可以確定在何種負荷580下發生了某種聲學事件。聲學事件是在該PDC層120上有新裂縫形成或現有裂縫增長的事件。根據ー個具體實施例，該聲傳感器570向該數據記錄儀590以約每秒5000個數據點提供數據；然而每秒的該數據點可以增加或減少，而不偏離該具體實施例范圍和精神。圖11圖示了依照本發明具體實施例的表示切割器經歷高達兩千牛頓負荷時的切割器聲發射和負荷表征1100。參考圖11，該切割器聲發射和負荷表征1100包括時間軸1110、負荷軸1120以及聲發射軸1130。該時間軸1110以X-軸表示且其單位設置為5000秒。因此，為了獲得以秒表示的時間段，應將該時間軸1110中的數值除以5000。該時間軸1110也可以被理解為傳遞到樣品上的能量。換句話說，隨著時間的推移，更多的總能量施加到該切割器或測試樣品上。該負荷軸1120以y-軸表示且其單位為千牛頓。該聲發射軸1130也以y-軸表示和其單位設置為十毫伏。因此，為了獲得以毫伏表示的電壓，應將該聲發射軸1130的數值除以十。負荷曲線1140和聲發射曲線1160均在切割器聲發射和負荷 表征1100上示出。根據該負荷曲線1140，該負荷以恒定速率1142或斜升率從零增加到兩千牛頓。在這個例子中，將該負荷保持于負荷峰值1143或兩千牛頓一段時間，然后使該負荷以比斜升率1142快的斜降率1144下降。該聲發射曲線1160表示從聲傳感器記錄的信號。根據該聲發射曲線1160，唯一的聲發射記錄是背景噪聲1162。沒有檢測到聲事件。此夕卜，隨著負荷的増加，背景噪聲1162也増加。圖12圖示了依照本發明具體實施例的表示切割器經歷高達五千牛頓負荷時的切割器聲發射和負荷表征1200。參考圖12，該切割器聲發射和負荷表征1200包括時間軸1210、負荷軸1220和聲發射軸1230。該時間軸1210以x_軸表示且其單位設置為5000秒。因此，為了獲得以秒表示的時間段，將該時間軸1210的數值除以5000。該時間軸1210也可以被理解為傳遞到樣品上的能量。換句話說，隨著時間的推移，更多的總能量施加到該切割器或測試樣品上。該負荷軸1220以y-軸表示且其單位為千牛頓。該聲發射軸1230也以y-軸表示且其單位設置為十毫伏。因此，為獲得以毫伏表示的電壓，應將該聲發射軸1230上的數值除以十。負荷曲線1240和聲發射曲線1260均在切割器聲發射和負荷表征1200上示出。根據該負荷曲線1240，該負荷以恒定速率1242或斜升率從零增加到五千牛頓。在這個例子中，該負荷被保持于負荷峰值1243或五千牛頓一段時間，然后以比斜升率1242快的斜降率1244下降。該聲發射曲線1260表示從聲傳感器獲取的記錄信號。根據該聲發射曲線1260，所記錄的唯一的聲發射是背景噪聲1262。沒有到檢測聲事件。此外，隨著負荷的增加，背景噪聲1262也增加。圖13圖示了依照本發明具體實施例的表示切割器經歷高達三萬牛頓負荷時的切割器聲發射和負荷表征1300。參考圖13，該切割器聲發射和負荷表征1300包括時間軸1310、負荷軸1320和聲發射軸1330。該時間軸1310以x_軸表示且其單位設置為5000秒。因此，為獲得以秒表示的時間，應將該時間軸1310上的數值除以5000。該時間軸1310也可以被理解為傳遞到樣品上的能量。換句話說，隨著時間的推移，更多的總能量施加到該切割器或測試樣品上。該負荷軸1320以y-軸表示且其單位為千牛頓。該聲發射軸1330也以y-軸表示且其單位設置為十毫伏。因此，為獲得以毫伏表示的電壓，應將該聲發射軸1330上的數值除以十。負荷曲線1340和聲發射曲線1360均在切割器聲發射和負荷表征1300示出。根據該負荷曲線1340，該負荷以恒定速率1342或斜升率從零增加到三萬牛頓。在這個例子中，該負荷被保持于負荷峰值1343或三萬牛頓一段時間，然后以比斜升率1342快的斜降率1344下降。該聲發射曲線1360表示從聲傳感器獲取的記錄信號。根據該聲發射曲線1360，所記錄的該聲發射包括背景噪聲1362和一個或更多聲事件1364。該背景噪聲1362構成了測試期間記錄的數據的主體。該聲學事件1364被示為從該背景噪聲1362上顯著延伸的細垂直線。在該背景噪聲1362上的每個聲事件1364的高度通過校準常數與每個裂縫的形成和/或傳播事件所釋放的彈性能量的量成比例。每個聲波事件1364平均持續約五十毫秒。根據這一具體實施例，該聲傳感器樣品每秒約有5000個數據點，從而允許檢測這些聲學事件1364。此外，隨著負荷的増加，背景噪聲1362也増加。完成上述測試后，對切割器進行視覺檢查。雖然沒有任何關于該切割器的PCD頂面損傷的視覺信號，但該聲傳感器確實檢測到了發生在切割器內的聲事件。因此，聲傳感器能檢測一旦暴露于負荷下發生在切割器上的最小的損傷，即使該損傷不可見。圖14圖示了依照本發明具體實施例的表示切割器經歷高達四萬牛頓負荷時的切割器聲發射和負荷表征。圖14表示的測試與圖13表示的測試采用相同的切割器樣品。參考圖14，該切割器聲發射和負荷表征1400包括時間軸1410、負荷軸1420和聲發射軸1430。該時間軸1410以X-軸表示且其單位設置為5000秒。因此，為獲得以秒表示的時間，應將該時間軸1410上的數值除以5000。該時間軸1410也可以被理解為傳遞到樣品上的能量。換句話說，隨著時間的推移，更多的總能量施加到該測試樣品上。該負荷軸1420以y-軸表示且其單位為千牛頓。該聲發射軸1430也以y-軸表示且其單位設置為十毫伏。因此，為獲得以毫伏表示的電壓，應將該聲發射軸1430上的數值除以十。負荷曲線1440和聲發射曲線1460均在切割器聲發射和負荷表征1400上示出。根據該負荷曲線1440，該負荷以恒定速率1442或斜升率從零增加到四萬牛頓。在這個例子中，該負荷被保持于負荷峰值1443或四萬牛頓一段時間，然后以比斜升率1442快的斜降率1444下降。該聲發射曲線1460表示從聲傳感器獲取的記錄信號。根據該聲發射曲線1460，所記錄的該聲發射包括背景噪聲1462和一個或更多聲事件1464。該聲學事件1464顯不為從該背景噪聲1462向上顯著延伸的細垂直線。在該背景噪聲1462上的每個聲事件1464的高度通過校準常數與每個裂縫的形成和/或傳播事件釋放的彈性能量的量成比例。如圖14所見，在該切割器內并不發生聲事件1464，直到負荷達到或超過之前加載在切割器上的負荷。例如，如圖13所述，這一切割器的在先經歷負荷高達三萬牛頓。因此，新的聲學事件1464并沒有出現，直到該負荷達到和/或超過閾值1466，其中在這個實施方式中該閾值約為三萬牛頓，三萬牛頓的負荷曾被施加到切割器上。基于這些實驗，似乎為了在切割器內產生新裂縫或増大在先前的試驗運行中形成的現有裂縫，應施加等于或高于先前的負荷峰值1343的的負荷水平。圖15A圖示了依照本發明具體實施例的表示切割器制造商#1切割器樣品#1切割器型經歷高達四萬五千牛頓負荷時的切割器聲發射和負荷表征1500。圖15B圖示了依照本發明具體實施例表示切割器制造商#2切割器樣品#2切割器型經歷高達三萬牛頓負荷時的切割器聲發射和負荷表征1550。參考圖15A和圖15B，該切割器聲發射和負荷表征1500包括顯示發生在切割器制造商#1切割器樣品#1切割器型中的一個或多個聲波事件1520的聲發射曲線1510，而該切割器聲發射和負荷表征1550包括顯示發生在切割器制造商#2切割器樣品#2切割器型中的一個或多個聲波事件1570的聲發射曲線1560。在切割器制造商#2切割器樣品#2切割器型中比切割器制造商#1切割器樣品#1切割器型中顯著發生了更 多的聲學事件1520和1570。因此，不同的切割器類型在各自的聲發射曲線中顯示不同的聲學模式。基于這些結果，用戶可以確定哪一切割器型比另一切割器型更硬，從而根據其硬度對切割器排序。在這種情況下，切割器制造商#1切割器樣品#1切割器型硬于切割器制造商#2切割器樣品#2切割器型。根據圖11-15示出的實驗結果，至少可以作出部分觀察報告。首先，該聲傳感器能夠檢測向該壓頭施加負荷時該切割器的金剛石臺中的裂縫的形成和裂縫生長，且能夠發送隨后可分析的信號。第二，不同的切割器型顯示不同的聲學事件模式并可使用戶對該切割器的硬度在與其它切割器相比時進行排序。第三，雖然在測試之后在該切割器的PCD臺的表面不能檢測到可視的損傷，但該聲傳感器能夠檢測發生在該切割器內的任何不可視損傷。圖16闡明了分析從該聲傳感器獲取的數據點的方法1600的流程圖，其中該方法1600包括根據本發明具體實施例的ー環法1680和ニ環法1690。雖然以特定處理順序顯示了某些步驟，但步驟的順序可以改變，而不偏離該具體實施例的范圍和精神。此外，雖然在一個或多個步驟中執行某些功能，但執行該功能的步驟數量可以增加或減少，而不偏離該具體實施例的范圍和精神。參照圖16，在步驟1605，方法1600開始。方法1600從步驟1605進行至步驟1610。 在步驟1610中，確定ー個或多個高于背景噪聲的最低閾值以選拔作為一可能聲學事件的數據點。在完成步驟1610后，方法1600進行至步驟1615和步驟1625，步驟1615和步驟1625在某些具體實施例中可同時發生。在步驟1615中，確定界定該背景噪聲的外圍包絡后的背景點。在步驟1625中，基于步驟1610中確定的ー個或多個閾值確定可能聲事件點。步驟1615和步驟1625被包括ー環法1680中，這將在下文中結合圖17進ー步詳細介紹。從步驟1615，方法1600進行至步驟1620。在步驟1620中，插入步驟1615中確定的背景點以產生背景噪聲函數曲線。方法1600從步驟1620和1625，進行至步驟1630。在步驟1630中，利用步驟1680確定的可能聲事件點和步驟1620確定的背景噪聲函數曲線確定實際聲事件點。方法1600從步驟1630，進行至步驟1635。在步驟1635，確定每個實際聲事件點的振幅和持續時間。方法1600從步驟1635，進入步驟1640。在步驟1640中，計算每個聲事件點下的區域。方法1600從步驟1640，進行至步驟1645。在步驟1645中，將區域的累積分布與每個聲事件點的實際測試負荷進行比較。用戶可以使用該比較確定ー個切割器與另一切割器的相對硬度。這種比較可以采用定量和客觀的方法確定。該聲事件點的持續時間、振幅、頻率和轉移至該樣品的相應的能量水平或負荷可以與被測的所述PCD或其他硬或超硬材料的耐沖擊性能直接相關。方法1600不僅可以測量發起ー些損傷所需的外部工作或負荷的最少量，也可以測量用于增強所述損傷水平必須的額外工作或負荷的量。在步驟1645之后，方法1600繼續到步驟1650。在該步驟1650中，方法1600停止。圖19圖示了根據本發明具體實施例的表示切割器經歷負荷時的切割器聲發射表征1900。圖20圖示了根據本發明具體實施例表示切割器經歷負荷時的切割器聲發射表征2000的局部放大圖。圖21示出了根據本發明具體實施例表示每個實際聲學事件的累積分布描述2100。圖19-21描繪了圖16中方法1600闡明的大多數步驟。參照圖19，該切割器聲發射表征1900包括時間軸1910和聲發射軸1930。該時間軸1910以X-軸表示且其單位設置為5000秒。因此，為了獲得以秒為單位的時間，應將該時間軸1910上的數值除以5000。該聲發射軸1930以y_軸表示且其單位設置為十毫伏。因此，為了獲得以毫伏為単位的電壓，應將該聲發射軸1930上的數值除以十。在切割器聲發射表征1900上不出了聲發射數據1960。該聲發射數據1960代表從該聲傳感器獲取的記錄信號。根據該聲發射數據1960，所記錄的該聲發射數據包含ー個或多個背景點1962和ー個或多個可能的聲事件點1964。參考附圖16和19，并根據圖16中的步驟1615和步驟1625，對該聲發射數據1960進行分類以包括背景點1962和可能聲事件點1964。根據ー個示例性實施例，采用存在于數據記錄儀590 (圖5)中的算法對該聲發射數據1960分類。然而，該算法也可以存儲在替代的具體實施例中的其它設備中或是手工完成。另外，本領域普通技術人員知道的和有利于本公開內容的其它方法也可用于分類該聲發射數據I960。如圖19所示，每個背景點1962用圓圈標記，而每個可能的聲事件點1964用正方形標記。存在既沒有定義為背景點196 2也沒有定義為可能聲事件點1964的ー些點。這些標記用于說明本發明的具體實施例的目的并不限制其范圍。參考圖16和19并根據圖16中的步驟1620，使用確定的背景點1962對背景噪聲函數曲線1970插值。根據ー個具體實施例，背景噪聲函數曲線1970使用四次多項式來插值；然而，其他次的多項式也可以用于插值該背景點1962，而不背離該具體實施例的范圍和精神。參照圖20，給出了切割器聲發射表征2000圖的局部放大。根據該圖，每個聲發射數據點1960(其中包括實際聲事件點2010)具有發生的持續時間2020。此外，每個實際聲事件點2010具有振幅2030，該振幅2030是從該背景噪聲函數曲線1970垂直測量至該實際聲事件點2010的位置。參照圖16和20和根據圖16中的步驟1635，計算該實際聲事件點2010的振幅2030和持續時間2020。一旦確定了振幅2030和持續時間2020，通過將該振幅2030乘以該持續時間2020以計算每個實際聲事件點2010下的面積2040。這ー步驟在圖16的步驟1640中完成。根據某些具體實施例，該面積2040的単位為毫伏乘以5000秒；然而,也可以采用其它單位,而不偏離該具體實施例的范圍和精神。參照圖21，給出了每個實際聲事件的累積分布表征2100。根據該圖，累積分布表征2100包括負荷軸2110和聲發射面積軸2130。該負荷軸2110以x_軸表示且其單位為千牛頓。該聲發射面積軸2130以y-軸表示和単位為毫伏乘以五萬秒。這是根據實際聲事件點確定的面積。因此，為了獲得以毫伏乘以秒為単位的面積，應將聲發射面積軸2130上的數值除以五萬。參考圖16和21和根據圖16中的步驟1645，對于每一個實際聲學事件，將沿著該聲發射面積軸2130繪制的該累積分布面積與沿著該負荷軸2110繪制的實際測試負荷進行比較。該累積分布表征2100提供了切割器制造商#1切割器樣品#1切割器圖2150和切割器制造商#2切割器樣品#2切割器圖2160之間的比較。例如，在三個切割器制造商#1切割器樣品#1切割器圖2150中的ー個中，在約ニ萬八千牛頓和約3550毫伏乘50，000秒下有一實際聲事件點，以點A 2152標記。這意味著，在所有在先實際聲事件點下產生了ー個3550毫伏乘以50000秒的累積面積，其包括發生在約ニ萬八千牛頓負荷下的實際聲事件點面積。在同一曲線上的下一個實際聲事件點(點B 2154)發生在32. 5千牛頓。在該實際聲事件點下的面積約為650毫伏乘以50000秒，這在該累積分布的表征2100中未直接顯示。然而，在約32. 5千牛頓下，有約4200毫伏乘以50000秒的累積面積。因此，約4200毫伏乘以50000秒減去3550毫伏乘以50000秒等于約650毫伏乘以50000秒。較硬的切割器，或是固有硬度更高的切割器在一給定負荷下提供了較少累積面積的曲線。具有許多高振幅實際聲事件點的陡峭曲線的切割器本質上硬度低于具有少量高振幅實際聲事件點的稍平坦的曲線的切割器。因此，根據該累積分布表征2100，對切割器制造商#1切割器樣品#1切割器圖2150和切割器制造商#2切割器樣品#2切割器圖2160進行了比較，表明切割器制造商#1切割器樣品#1切割器本質上硬于切割器制造商#2切割器樣品#2切割器。此外，根據圖21，有三條曲線代表切割器制造商#1切割器樣品#1切割器圖2150和兩條曲線代表切割器制造商#2切割器樣品#2切割器圖2160。這些圖2150和2160表明該方法1600(圖16)具有高分辨率，使得能檢測同一組樣品中的變異。圖16中提供的該方法向用戶提供信息以供用戶對其它切割器中的切割器硬度進行客觀排序。圖17闡明了根據本發明具體實施例的圖16中的ー環法1680的詳細流程。參考圖17，在步驟1705，開始ー環法1680。從步驟1705，ー環法1680繼續至步驟1710。在步驟1710，讀取第一數據點。在步驟1710完成后，ー環法1680繼續至步驟1715，在步驟1715中讀取下ー數據點。在步驟1715之后，ー環法1680繼續至步驟1720。在步驟1720，計算兩個數據點之間的差值并將該差值與用于定義聲事件的第一公差值進行比較。根據ー個具體實施例，第一公差值為約0. 5毫伏。然而,在其他具體實施例中,第一公差值可以更高或更 低。如果兩個數據點之間的差值不低于第一公差值，則ー環法1680繼續至步驟1725。在步驟1725，該兩個數據點中的第二個被定義為可能的聲事件點。從步驟1725，ー環法1680繼續至步驟1745，在該步驟1745中，ー環法1680確定是否有另ー個數據點。如果在步驟1745，確定不存在另ー個數據點，ー環法1680繼續至步驟1750，在步驟1750中停止ー環法1680。然而，如果在步驟1745，確定存在另ー個數據點，ー環法1680返回到步驟1715。如果在步驟1720中，確定兩個數據點之間的差值低于第一公差值，一環法1680繼續至步驟1730。在步驟1730，將兩個數據點之間的差值與第二公差值進行比較。根據ー個具體實施例，第二公差值為約0. 01毫伏。然而,在其他具體實施例中第二公差值可以更高或更低。如果兩個數據點之間的差值不低于第二公差值，則ー環法1680返回到步驟1715且不定義該第二數據點。然而，如果兩個數據點之間的差值低于第二公差值，則ー環法1680繼續至步驟1735。在步驟1735，確定兩個數據點之間的差值是否為負的并且在一行中負的次數少于“z”次，或兩個數據點之間的差值是否為正的并且在一行中正的次數少于“u”次。根據ー個具體實施例，“Z”為2 “u”為3。然而，在其他具體實施例中“u”值和“Z ”值的一方或雙方可以更高或更低。如果兩個數據點之間的差值為負的并且在一行中負的次數少于“z”次，或兩個數據點之間的差值為正的并且在一行中正的次數少于“u”次不成立，則ー環法1680返回到步驟1715且不定義該第二數據點。然而，如果兩個數據點之間的差值為負的并且在一行中負的次數少于“z”次，或兩個數據點之間的差值為正的并且在一行中正的次數少于“u”次，則ー環法1680繼續至步驟1740。在步驟1740，將所述兩個數據點的第二個定義為為背景邊界點。從步驟1740，一環法1680繼續至步驟1745，在步驟1745確定是否有另ー個數據點。ー環法1680持續，直到步驟1750達到上述步驟的要求。因此，ー環法1680提供了用于確定哪些數據點應被定義為ー個可能聲事件點、背景邊界點或未定義為任何類型的點的方法。圖18闡明了根據本發明具體實施例的圖16中的ニ環法1690的詳細流程。參考圖18，在步驟1805，開始ニ環法1690。ニ環法1690從步驟1805繼續至步驟1810。在步驟1810，使用背景邊界點生成背景噪聲函數曲線。在步驟1810完成后，ニ環法1690繼續至步驟1815，在步驟1815讀取該第一可能聲事件點。在步驟1815后，ニ環法1690繼續至步驟1820。在步驟1820，計算該可能聲事件點與該背景噪聲函數曲線之間的差值并確定該差值是否大于用于定義實際聲事件點的第三公差值。根據ー個示例性實施例，第三公差值為約0. 08毫伏。然而，在其他示例性實施例中，第三公差值可以更高或更低。如果該可能聲事件點與該背景噪聲函數曲線之間的差值不大于第三公差值，則ニ環法1690繼續至步驟1825。在步驟1825，讀取下ー個可能聲事件點，且ニ環法1690返回到步驟1820。然而，如果該可能聲事件點與該背景噪聲函數曲線之間的差值大于第三公差值，則ニ環法1690繼續至步驟 1830。在步驟1830，計算該可能聲事件點與該背景噪聲函數曲線之間的振幅、持續時間和面積。ニ環法1690從步驟1830繼續至步驟1840。在步驟1840，確定是否有另ー個可能的聲事件點。如果有另ー個可能的聲事件點，則ニ環法1690回到步驟1825，在步驟1825繼續ニ環法1690。然而，在步驟1840，如果沒有另ー個可能聲事件點，則ニ環法1690繼續至步驟1845，在步驟1845停止ニ環法1690。因此，ニ環法1690提供了 ー種確定哪些數據應被定義為一個實際聲事件點，然后計算每個定義的聲事件點的面積的方法。圖22示出了根據本發明示例性實施例的圖10中的處理器1020的框圖。如前所述，在該處理器1020內執行用于執行圖16-18中闡述的一個或多個步驟的方法。然而，在某些其他具體實施例中，這些方法是手動或結合手動和處理器執行。該處理器1020設在數據記錄儀590或計算機系統內。雖然示出了一個處理器1020，在不背離該具體實施例的范圍和精神下可以采用多臺處理器。處理器1020包括一個或多個處理器引擎2200。處理器引擎2200包括聲數據收集引擎2210、背景點確定引擎2220、可能聲事件點確定引擎2230、背景噪聲函數曲線插值引擎2240、實際聲事件點確定引擎2250、實際聲事件區域計算引擎2260以及累積面積和負荷曲線引擎2270。盡管處理器引擎2200內包括七個引擎，但在其他具體實施例中引擎數量可以更多或更少。此外，前述的這些處理器引擎2200的ー個或多個可以組合成更少的處理器引擎2200或分成額外的處理器引擎2200，而不背離該具體實施例的范圍和精神。該聲數據收集引擎2210收集至少來自聲傳感器的數據，其中包括背景點和可能聲事件點。在某些具體實施例中，該聲數據收集引擎2210還收集來自負荷的數據，使相應的背景點和可能聲事件點與某一特定的負荷相關。背景點檢測引擎2220評估來自聲傳感器的數據并確定該數據點是否是為背景點。該背景點檢測引擎2220執行圖16中步驟1615。該可能聲事件點檢測引擎2230評估從聲傳感器獲得的數據并確定該數據點是否為可能聲事件點。該可能聲事件點檢測引擎2230執行圖16中的步驟1625。該背景點檢測引擎2220和該可能聲事件點確定引擎2230彼此同時運行，但在ー些替代的具體實施例中也可獨立運行。該背景噪聲函數曲線插值引擎2240利用在先確定的背景點生成背景噪聲函數曲線。該背景噪聲函數曲線插值引擎2240執行圖16中的步驟1620。該實際聲事件點檢測引 擎2250利用在先確定的可能聲事件點和該背景噪聲函數曲線確定實際聲事件點。該實際聲事件點檢測引擎2250執行圖16中的步驟1630。一旦確定了實際聲事件點，該實際聲事件面積計算引擎2260確定在實際聲事件點和背景噪聲函數曲線之間形成的面積。該實際聲事件面積計算引擎2260執行圖16中的步驟1635和步驟1640。該累積面積和負荷曲線引擎2270將面積的累積分布與每個實際聲事件點的實際測試負荷作比較。該累積面積和負荷曲線引擎2270執行圖16中的步驟1645。雖然在某些具體實施例中處理器引擎2200位于處理器1020內，但該處理器弓I擎2200可以存在于存儲介質中，存儲介質包括但不限于ー個或多個硬盤、USB驅動器、光盤、數字視頻光盤或其他本領域普通技術人員已知或未知的存儲設備。雖然在具體實施例中描述了處理器引擎2200，確定該切割器的硬度的指令可以按照存在于該存儲介質1040(圖10)中的軟件的形式來提供。該軟件包括類似于上述處理器引擎2200的模塊和/或代碼。圖23示出了分別能在圖5和9中的聲發射測試系統500和900中測試的巖石樣品2300，代替根據本發明具體實施例的圖I中的切割器100。參考圖5、6、9和23，在該聲發射測試系統500或該聲發射測試系統900中，該巖石樣本2300取代切割器100。測試方法 和結果分析類似于上述的那些方法和分析，并提供有關該巖石樣本2300的未定義抗壓強度和/或硬度的信息。該巖石樣本2300是圓柱體狀,類似于切割器100。該巖石樣本包括在該巖石樣品2300的一端的第一平面2310、在該巖石樣品的相對端的第二平面2320以及從第一表面2310延伸至第二表面2320的圓周面2330。然而，在其他具體實施例中，該巖石樣本2300呈其他幾何和非幾何形狀，如立方體形。在某些具體實施例中，該巖石樣本2300的形狀為ー個可重復的形狀，使得多個巖石樣品2300形成為具有基本類似的形狀；從而允許對測試結果進行比較。圖24示出了按照示例性實施例中的在圖5中插入可加壓室2410的聲發射測試裝置505。該進而加壓室2410內的壓カ以可控和可衡量的方式變化。在某些具體實施例中，該加壓室2410內的壓カ從零到約40000psi變化；然而，在其他具體實施例中，壓カ范圍可以更高或更低。在這個示例性實施例中，包括傳感器570和壓頭550的其他組件能夠承受形成在加壓室2410內的壓力。根據這些具體實施例，在不同程度的流體靜壓下巖石抗壓強度和硬度是可測量的，從而提供地表下不同深度的巖石特性的重要信息。所收集的信息可用于提高巖石破壞機制的認知，也導致新理論和巖石固體力學模型。收集的信息也可用于確認尚未證明的其他已知理論。雖然壓力室2410是在壓力下測試諸如該巖石樣品2300之類的硬或超硬材料100的方法，但在替換的具體實施例中，可以使用其他提供壓カ至硬或超硬材料100的機制，如采用高強度結合環組件并繞硬或超硬材料100組裝。設計師可利用對該巖石樣本2300的UCS和硬度的認知來創造具有卓越性能的新和創新的鉆頭設計，和/或結合該UCS值和KlC制定ー個新的鉆頭設計程序。從巖石樣品2300獲得的信息可用于校準地球科學和/或地質力學的軟件和工具。盡管描述了ー些發明具體實施例，但替代的具體實施例包括加熱硬或超硬材料100。對硬或超硬材料100的加熱發生在將負荷加載到硬或超硬材料100之前、期間和/或之后。采用本領域普通技術人員已知的方式提供熱量，其中包括但不限于火焰、激光、紅外線和/或熱液體。雖然對每個具體實施例作了詳細的描述，但應當理解適用于一具體實施例的任何功能和修改也適用于其他實施例。此外，雖然本發明參考了具體實施例進行描述，但這些描述不應理解為限制性的。參考描述的具體實施例，對披露的實施例及替代的實施例的各種修改對本領域普通技術的人員來說是顯而易見的。本領域普通技術人員可以理解，可以將披露的構思和具體實施例作為基礎來修改或設計或其他構造或方法以實現與本發明相同的目的。也應意識到通過文獻中那些普通技術所作的這些等效結構并不偏離作為所附權利要求提出的本發明的范圍和精神。因 此，預期該權利要求涵蓋落在本發明范圍內的任何修改或實施例。
權利要求
1.一種聲發射測試裝置，包括 巖石樣品，包括第一表面； 與所述巖石樣品可通信耦合的聲傳感器； 與所述第一表面可釋放地耦合的壓頭，所述壓頭比所述巖石樣品硬；以及 施加在所述壓頭上的負荷，所述壓頭將所述負荷轉移到所述第一表面上； 其中所述負荷以斜升率増加至峰值負荷，所述峰值負荷被保持一段時間，然后所述負荷以斜降率減小，以及 其中所述聲傳感器感測發生在所述巖石樣品中的聲事件。
2.如權利要求I所述的聲發射測試裝置，其特征在于，所述斜降率大于所述斜升率。
3.如權利要求I所述的聲發射測試裝置，其特征在于，所述聲傳感器與所述巖石樣品耦合。
4.如權利要求3所述的聲發射測試裝置，其特征在干，進ー步包括位于所述聲傳感器與所述巖石樣品之間的潤滑劑。
5.如權利要求I所述的聲發射測試裝置，其特征在干，進ー步包括其中具有空腔的測試樣品固定器，其中所述巖石樣品被放置于所述空腔內，且其中所述聲傳感器與所述測試樣品固定器耦合。
6.如權利要求5所述的聲發射測試裝置，其特征在干，所述空腔的直徑大于所述巖石樣品的直徑，從而在所述空腔的外表面與所述巖石樣品的外表面之間形成氣隙。
7.如權利要求6所述的聲發射測試裝置，其特征在干，進ー步包括位于所述氣隙內的潤滑劑，所述潤滑劑與所述空腔的外表面、所述巖石樣品的外表面和它們之間的所述氣隙的至少一部分接觸。
8.如權利要求I所述的聲發射測試裝置，其特征在干，所述壓頭包括PDC末端，所述PDC末端與所述巖石樣品的第一表面接觸。
9.如權利要求I所述的聲發射測試裝置，其特征在于，所述壓頭包括濃度范圍在約6%到約20%之間的鈷。
10.如權利要求I所述的聲發射測試裝置，其特征在于，所述壓頭包括第一末端，所述第一末端與所述巖石樣品接觸，所述第一末端為圓頂形。
11.一種聲發射測試系統，包括 聲發射測試裝置，包括 巖石樣品，包括第一表面； 與所述巖石樣品可通信耦合的聲傳感器； 與所述第一表面可釋放地耦合的壓頭，所述壓頭比所述巖石樣品硬； 施加在所述壓頭上的負荷，所述壓頭將所述負荷轉移到所述第一表面上； 與所述聲發射測試裝置可通信耦合的數據記錄儀，所述數據記錄儀從所述聲發射測試裝置接收數據， 其中所述負荷以斜升率増加至峰值負荷，所述峰值負荷保持一段時間，然后所述負荷以斜降率減小，以及 其中所述聲傳感器感測發生在所述巖石樣品中的聲事件。
12.如權利要求11所述的聲發射測試系統，其特征在于，所述斜降率大于所述斜升率。
13.如權利要求11所述的聲發射測試系統，其特征在于，所述聲傳感器與所述巖石樣品奉禹合。
14.如權利要求11所述的聲發射測試系統，其特征在干，進ー步包括具有空腔的測試樣品固定器，其中所述巖石樣品放置于所述空腔內，且其中所述聲傳感器與所述測試樣品固定器I禹合。
15.如權利要求11所述的聲發射測試系統，其特征在于，所述壓頭包括第一末端，所述第一末端與所述巖石樣品接觸，所述第一末端包括濃度范圍在約6%到約20%之間的鈷。
16.如權利要求11所述的聲發射測試系統，其特征在于，所述巖石樣品受到壓力。
17.—種確定巖石樣品的硬度的方法,包括 提供聲發射系統，所述聲發射測試系統包括 聲發射測試裝置，包括 巖石樣品，包括第一表面； 與所述巖石樣品可通信耦合的聲傳感器； 與所述第一表面可釋放地耦合的壓頭，所述壓頭比所述巖石樣品硬； 施加在所述壓頭上的負荷，所述壓頭將所述負荷轉移到所述第一表面上； 與所述聲發射測試裝置可通信耦合的數據記錄儀，所述數據記錄儀從所述聲發射測試裝置接收數據， 施加所述負荷至所述壓頭，所述壓頭將所述負荷轉移到所述巖石樣品上； 從所述聲發射裝置獲取數據； 檢測所述巖石樣品中發生的聲事件，以及 客觀地計算所述巖石樣品的硬度。
18.如權利要求16所述的方法，其特征在于，施加所述負荷至所述壓頭包括 以斜升率増加所述負荷至峰值負荷； 保持峰值負荷一段時間； 以斜降率減小所述負荷。
19.如權利要求17所述的方法，其特征在于，所述斜降率大于所述斜升率。
20.如權利要求16所述的方法，其特征在于，從所述聲發射測試裝置獲取數據包括從所述聲傳感器和所述負荷獲取數據。
21.如權利要求16所述的方法,其特征在于,所述聲傳感器與所述巖石樣品f禹合。
22.如權利要求16所述的方法，其特征在于，所述聲發射測試裝置進ー步包括具有空腔的測試樣品固定器，其中所述巖石樣品放置于所述空腔內，且其中所述聲傳感器與所述測試樣品固定器耦合。
23.如權利要求16所述的方法，其特征在干，進ー步包括加熱所述巖石樣品。
24.如權利要求16所述的方法，其特征在干，進ー步包括對所述巖石樣品施壓。
25.ー種用于確定巖石樣品硬度的計算機執行方法，所述方法包括如下步驟 當在巖石樣品上施加負荷時，通過聲數據采集工具從聲傳感器采集聲數據，所述聲傳感器與所述巖石樣品可通信耦合； 通過背景點確定引擎確定ー個或更多個背景點； 通過可能聲事件點確定引擎確定ー個或更多個可能聲事件點；通過背景噪聲函數曲線內插引擎利用所述背景點內插背景噪聲函數曲線； 利用所述可能聲事件點和所述背景噪聲函數曲線，通過實際聲事件點確定引擎確定一個或更多個實際聲事件點； 通過實際聲事件面積計算引擎計算限制在所述實際聲事件點和所述背景噪聲函數曲線之間的聲事件面積。
26.如權利要求25所述的計算機執行方法，其特征在干，同時執行通過背景點確定引擎進行的確定操作和通過可能聲事件點確定引擎進行的確定操作。
27.如權利要求26所述的計算機執行方法，其特征在干，當兩個連續數據點之間的差值小于第一閾值時確定背景點；當兩個連續數據點之間的差值大于第一閾值時確定可能聲事件點。
28.如權利要求26所述的計算機執行方法，其特征在干，當兩個連續數據點之間的差值小于第二閾值時確定背景點；當兩個連續數據點之間的差值大于第一閾值時確定可能聲事件點。
29.如權利要求26所述的計算機執行方法，其特征在干，當兩個連續數據點之間的差值小于第二閾值，且所述差值為負值且在一行中為負值的次數少于“z”次，或者兩個連續數據點之間的差值小于第二閾值，且所述差值為正值且在一行中為正值的次數少于“u”次吋，確定背景點；當兩個連續數據點之間的差值大于第一閾值時確定可能聲事件點。
30.如權利要求25所述的計算機執行方法，其特征在干，當可能聲事件點和所述背景噪聲函數曲線之間的差值大于第三閾值時，確定實際聲事件點。
31.如權利要求25所述的計算機執行方法，其特征在于，將來自所述背景噪聲函數曲線的每個實際聲事件點的振幅乘以每個實際聲事件點的相應時間來計算每個聲事件面積。
32.如權利要求25所述的計算機執行方法，其特征在干，進ー步包括利用限制在所述實際聲事件點和每個實際聲事件點的背景噪聲函數曲線之間的累計面積，通過累計面積和負荷曲線引擎生成累計面積和負荷曲線。
33.如權利要求32所述的計算機執行方法，其特征在于，通過利用相應實際聲點的負荷和相應實際點的累計面積來繪制每個實際聲事件點來生成所述累計面積和負荷曲線，其中所述累計面積包括所述相應實際聲點和所有前述實際聲點之下的總面積。
34.如權利要求32所述的計算機執行方法，其特征在于，用戶利用所述累計面積和負荷曲線客觀地確定所述巖石樣品的硬度。
35.如權利要求25所述的計算機執行方法，其特征在干，進ー步包括對所述巖石樣品施壓。
全文摘要
一種聲發射測試裝置包括具有第一表面的巖石樣品、聲傳感器、與該第一表面耦合的、壓頭和負荷。該負荷施加在該壓頭上，該壓頭將該負荷轉移到該第一表面上。該聲傳感器與該巖石樣品通信耦合并且檢測發生在該巖石樣品中的一個或更多個聲事件。一種聲發射測試系統包括與該測試裝置耦合的一數據記錄儀。該數據記錄儀記錄該測試裝置的數據。基于接收到的數據。該樣品的硬度被客觀地評價并能與其他樣品的硬度進行比較排序。該負荷以斜升率增加至峰值，保持一段時間，然后斜降。
文檔編號G01N3/58GK102656437SQ201180004293
公開日2012年9月5日 申請日期2011年3月28日 優先權日2010年4月6日
發明者F·貝林 申請人:瓦瑞爾歐洲聯合股份公司