CN102656437B - Pdc、pcbn或其他硬质或超硬材料的声发射韧性测试 - Google Patents

Pdc、pcbn或其他硬质或超硬材料的声发射韧性测试 Download PDF

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Abstract

一种声发射测试装置包括具有第一表面的岩石样品、声传感器、与该第一表面耦合的、压头和负荷。该负荷施加在该压头上，该压头将该负荷转移到该第一表面上。该声传感器与该岩石样品通信耦合并且检测发生在该岩石样品中的一个或更多个声事件。一种声发射测试系统包括与该测试装置耦合的一数据记录仪。该数据记录仪记录该测试装置的数据。基于接收到的数据。该样品的硬度被客观地评价并能与其他样品的硬度进行比较排序。该负荷以斜升率增加至峰值，保持一段时间，然后斜降。

Description

PDC、PCBN或其他硬质或超硬材料的声发射韧性测试
相关申请
本申请是名为“PDC、PCBN或其他硬质或超硬材料插入物的声发射韧性测试”、2010年4月6日提交的美国专利申请第12/754,784号的部分继续申请，在此引入作为参考。
本申请涉及名为“PDC、PCBN或其他硬质或超硬质插入物的声发射韧性测试”、2010年4月6日的美国专利申请第12/754,738号，在此引入作为参考。
技术领域
本发明一般地涉及测试硬质或者超硬材料的固有强度或韧性的方法/装置和软件；更具体地涉及采用声发射测试硬质或者超硬材料的固有强度或韧性的方法、装置和软件。
背景技术
图1示出了根据本发明的示例性实施例的能插入诸如钻头或钻孔器之类的井下工具(未示出)的超硬材料100。超硬材料100的一个示例是如图1所示的用于岩石钻头的切割器件100或切割器或插入件。然而，基于其应用，超硬材料100能被形成为其他结构。该切割器件100典型地包括具有接触面115和切割台120的衬底110。通过根据一个实施例的烧结工艺，利用与该接触面115接合的超硬层来制造该切割台120。根据一些实施例，该衬底110通常由碳化钨钴，或碳化钨制成，而该切割台120利用多晶超硬材料层，如多晶金刚石(“PCD”)或聚晶立方氮化硼(“PCBN”)构成。这些切割原件100根据本领域中普通技术人员已知的工艺和材料制造。尽管示出该切割台120具有基本平面的外表面，但在其他实施方式中，该切割台120可以有其他可替换的外表面形状，如圆顶形、凹形或其他非平面的外表面。尽管提供了该切割元件100的示例组成，但根据应用也能使用本领域中普通技术人员已知的其他组成和结构。尽管超硬材料100能用于岩石钻孔，并且在下文中也描述了岩石钻孔，但该超硬材料100能用于多种其他应用，包括但不限于机器加工、木工和采石。
不同的PCD，PCBN，硬和超硬材料等级能用于不同应用所使用的切割器100，如采用不同钻头设计对不同岩层钻孔或加工不同金属或材料的切割器100。这些切割器100的常见问题包括削片、散裂、部分压裂、开裂和/或在使用时从该切割台120剥落。这些问题导致该切割台120和/或该衬底110的早期失效。典型地，在钻孔期间该切割台120与土层接触的区域上产生的高强度应力能导致这些问题。由于与维修、生产停工期和劳力相关的费用的原因，这些问题增加了钻孔的费用。因此，最终用户，如钻头设计者或预涂涂装工程师，针对任何给定的钻孔或加工任务来选择切割器100的最佳实施级别以减少这些常见问题的发生。例如，作为决定采用的常规方法，最终用户通过平衡该切割器100的耐磨性和耐冲击性来选择合适的切割器100。典型地，适合终端用户在具体应用中来选择合适级别的切割器100的信息是从历史数据记录推断而来，这些历史记录数据显示在具体领域和/或在模仿不同钻孔或加工条件测试不同切割器100的实验性功能测试的不同级别的PCD、PCBN、硬或超硬材料。用于钻孔行业的实验性功能测试有两个主要分类，这些测试为磨损测试和碰撞测试。
已经通过采用两种常规测试方法测试了超硬材料100，包括多晶金刚石小型(“PDC”)切割器100的耐磨损性。该PDC切割器100包括由PCD制造的切割台120。图2示出了采用常规花岗岩锯断测试来测试耐磨性的车床200。尽管提供了该车床200的具体装置构造，在不脱离具体实施例的范围和精神下，也能采用本领域中普通技术人员已知的其他装置结构。
参考图2，该车床200包括卡盘210、尾座220以及位于卡盘210及尾座220之间的刀座230。目标圆柱体250具有第一末端252、第二末端254，和从第一末端252延伸至第二末端254的一侧壁258。根据常规花岗岩锯断测试，在测试期间侧壁258为与该超硬部件100接触的暴露面259。该第一末端252与该卡盘210耦合，同时该第二末端254与该尾座220耦合。该卡盘210构造为旋转，因而使得该目标圆柱体250也沿着目标圆柱体250的中轴256旋转。该尾座220构造为在该目标圆柱体250旋转时将该第二末端254保持在适当的位置。该目标圆柱体250由单一匀质材料构成，典型的为花岗岩。然而，其他岩石类型也可用于该目标圆柱体，包括但不限于Jackforck沙岩、印度石灰石、庇哩亚(Berea)沙岩、迦太基(Carthage)大理石、尚普兰(Champlain)黑大理石、伯克利(Berkley)花岗岩、塞拉利昂(Sierra)白花岗岩、德克萨斯(Texas)粉花岗岩和乔治亚(Georgia)灰花岗岩。
该PDC切割器100被装配在车床刀座230上，使得该PDC切割器100与该目标圆柱体250的暴露面259接触并横跨该暴露面259前后移动。该刀座230在该目标圆柱体250上具有向内进料率(inwardfeedrate)。该PDC切割器100的耐磨损性被确定为磨损率，该磨损率被定义成该目标圆柱体250被移除的体积与该PDC切割器100被移除的体积之比。可选择地，测量该PDC切割器100穿过该目标圆柱体250的距离代替测量体积，并使用该距离来量化该PDC切割器100的耐磨性。可选择地，本领域普通技术的人员已知的其他方法也能用在花岗岩锯断测试中测量该耐磨性。本领域普通技术的人员知道该车床200的操作和结构。在下文中能找到在这类测试的描述，即1975年5月出版在theJournalofPetroleumTechnology(石油技术期刊)上的Eaton，B.A.，Bower，Jr.，A.B.和Martis，J.A.所发表的″ManufacturedDiamondCuttersUsedInDrillingBits.(经制造的用于钻头的金刚石切割器)″(JournalofPetroleumTechnology，1975年5月，543-551，SocietyofPetroleumEngineerspaper5074-PA)，以及Maurer、WilliamC等人所著的AdvancedDrillingTechniques(高级钻孔技术)，第22章，石油出版社，1980，541-591页，在此引入作为参考。
图3示出了采用立式镗床(“VBM”)测试或立式六角车床(“VTL”)测试测量耐磨损性的立式镗床300。尽管提供了该VBM300的具体装置构造，在不脱离具体实施例的范围和精神下，也能采用其他装置结构。该立式镗床300包括旋转台310和置于该旋转台310上方的刀座320。目标圆柱体350具有第一末端352、第二末端354和从第一末端352延伸至第二末端354的侧壁358。根据常规VBM测试，在测试期间第二末端354为与该超硬材料100接触的暴露面359。典型地，该目标圆柱体350的直径为约30英寸到约60英寸；然而这一直径可以更大或更小。
该第一末端352安装在VBM300中较低的旋转台310上，从而具有面向该刀座320的暴露面359。该PDC切割器100安装在该刀座320中、位于该目标圆柱体的暴露面359之上并与该暴露面359接触。在该刀座320使该PDC切割器100从该目标圆柱体350的暴露面359的中心到其边缘然后再到该目标圆柱体350的暴露面359的中心循环切割时，该目标圆柱体350旋转。该刀座320具有预定的向下出料率。该VBM方法允许在该PDC切割器100上放置较高荷载，且更大的目标圆柱体350提供了更大的岩石体积以供PDC切割器100作用。典型的，该目标圆柱体350由花岗岩构成；然而，目标圆柱体能由其他材料构成，包括但不限于Jackforck沙岩、印度石灰石、庇哩亚(Berea)沙岩、迦太基(Carthage)大理石、尚普兰(Champlain)黑大理石、伯克利(Berkley)花岗岩、塞拉利昂(Sierra)白花岗岩、德克萨斯(Texas)粉花岗岩和乔治亚(Georgia)灰花岗岩。
该PDC切割器100的耐磨损性被确定为磨损率，该磨损率被定义成该目标圆柱体350被移除的体积与该PDC切割器100被移除的体积之比。可选择地，测量该PDC切割器100穿过该目标圆柱体350的距离代替测量体积，并使用该距离来量化该PDC切割器100的耐磨损性。可选择地，本领域普通技术的人员已知的其他方法也能用在VBM测试中测量该耐磨性。本领域普通技术的人员知道该VBM300的操作和结构。在下文中能找到关于这一类型测试的描述，Bertagnolli、Ken和Vale、Roger所发表的“UnderstandingandControllingResidualDtressesinThickPolycrystallineDiamondCuttersforEnhancedDurability(理解和控制厚的多晶金刚石切割器中的残余应力以便获得增强的耐久度)”，美国合成公司，2000，在此全文引入作为参考。
除了测量耐磨损性，还能测量PDC切割器100的冲击负荷耐力。图4示出了采用“落锤”测试测量超硬部件的耐冲击性的落塔装置400，该“落锤”测试将金属砝码450悬挂在该切割器100上然后再落下。该“落锤”测试是为了模拟当PDC切割器100从一个部件到另一部件移动或者经历横向和轴向振动时可能遇到的负荷类型。基于它们的冲击强度，该冲击测试的结果可以用于切割器分级；然而，这一分级并不能对在实际情况下该切割器100如何工作提供预测。
参考图4，该落塔装置400包括超硬材料100(如PDC切割器)、目标固定装置420和位于超硬材料100之上的冲击板450。该PDC切割器100锁入该目标固定装置420中。典型地，该冲击板450或砝码由钢构成并且位于该PDC切割器100之上。然而，该冲击板450也能由本领域普通技术的人员已知的其他替代材料构成。典型地，以该PDC切割器100的金刚石台120与该冲击板450所呈的后倾角415固定该PDC切割器100。本领域普通技术人员知道该后倾角415的范围。
该冲击板450重复落在该PDC切割器100的刀口上直至该PDC切割器100的刀口脱离或剥离。这一测试也能称为“侧面冲击”测试，因为该冲击板450冲击该金刚石台120的暴露刀口。典型地，在该金刚石台120中或该金刚石台120与硬质衬底110的接触面115处将出现破坏。该“落锤”测试对该金刚石台120的刀口位置十分灵敏。如果该台120稍微倾斜，测试结果也会明显改变。记录使该金刚石台120的最初构造变化的总能量，用焦耳表达。对于耐冲击性更高的切割器100，该冲击板450能根据预设计划增加下落高度从而以更大的冲击能量冲击该切割器100以达到破坏。然而，这一“落锤”测试体现了一些缺点，缺点包括这一方法要求测试大量切割器100以达到能比较一种切割器型与另一种切割器型间的相关耐冲击性的有效的统计采样。这一测试不足以提供在向下钻孔环境中的冲击负荷下反映整个切割器100的实际耐冲击性的结果。该测试显示了静态冲击效应，而实际的冲击为动态的。每秒的冲击次数能达到100赫兹(“Hz”)高。同时，该切割器的损伤量由训练有素的人主观地评价并与其他切割器发生的损伤进行比较。
尽管市面上存在的不同磨损测试的结果形成了与实际现场性能大致上一致的合理度，但常规冲击测试的结果并不相同。尽管常规冲击测试的结果和实际现场性能之间存在一定的相关度，但该数据的分散常常十分大，因此导致难以/或不准确地预见在实际现场性能中切割器如何表现。同时，采用这些常规方法并不检测切割器内发生的其他裂痕因此也不能评价该切割器的硬度。
另外的，由于钻头的选择是关键的过程，知道钻头钻入的不同岩石的机械性质也是重要的。现在用于钻头选择的最重要参数之一是岩石的未定义抗压强度(“UCS”)，该未定义抗压强度能直接从矿样测量或从锯断数据间接评估。然而，当选择钻头时不应仅仅依赖岩石的UCS，因为该UCS可能是误导的，尤其是岩石的UCS大于15000psi且易碎从而具有低结构强度K1c时。因此，在选择合适的钻头时也应考虑岩石的结构强度。
附图简要说明
结合附图阅读时，能最好的理解涉及如下描述的具体实施例的本发明的上述和其他特征和方面。其中：
图1示出了根据本发明具体实施例能插入向下钻孔工具中的超硬材料；
图2示出了采用常规花岗岩锯断测试测试耐磨损性的车床；
图3示出了采用立式镗床测试或立式六角车床测试来测试耐磨损性的立式镗床；
图4示出了采用“落锤”测试测量超硬部件的耐冲击性的落塔装置；
图5示出了依照本发明具体实施例的声发射测试系统的立体图；
图6示出了依照本发明具体实施例的图5中的声发射测试系统的横截面视图；
图7示出了依照本发明具体实施例的图5中的刀座的立体图；
图8示出了依照本发明具体实施例的图5中的声发射测试装置的立体图，其中该压头从该刀座移除；
图9示出了依照本发明替代的具体实施例的声发射测试系统的立体图；
图10示出了依照本发明具体实施例的图5中的数据记录仪的方框图；
图11图示了依照本发明具体实施例表示切割器经历高达两千牛顿负荷时的切割器声发射和负荷表征；
图12图示了依照本发明具体实施例表示切割器经历高达五千牛顿负荷时的切割器声发射和负荷表征；
图13图示了依照本发明具体实施例表示切割器经历高达三万牛顿负荷时的切割器声发射和负荷表征；
图14图示了依照本发明具体实施例表示切割器经历高达四万牛顿负荷时的切割器声发射和负荷表征；
图15A图示了依照本发明具体实施例表示切割器制造商#1切割器样品#1切割器型经历高达约四万五千牛顿负荷时的切割器声发射和负荷表征；
图15B图示了依照本发明具体实施例表示切割器制造商#2切割器样品#2切割器型经历高达约三万牛顿负荷时的切割器声发射和负荷表征；
图16阐明了用于分析从该声传感器获取的数据点的方法的流程图，其中该方法包括根据本发明具体实施例的一环法(looponemethod)和二环法(looptwomethod)；
图17阐明了根据本发明具体实施例的图16中的一环法的详细流程；
图18阐明了根据本发明具体实施例的图16中的二环法的详细流程；
图19图示了根据本发明具体实施例的表示切割器经历负荷时的切割器声发射表征；
图20图示了根据本发明具体实施例表示切割器经历负荷时的切割器声发射表征的局部放大图；
图21示出了根据本发明具体实施例表示每个实际声学事件的累积分布表示；
图22示出了根据本发明具体实施例的图10中该处理器的框图；
图23示出了分别能在图5和9中的声发射测试系统中检测的岩石样品，该岩石样品代替根据本发明具体实施例的图1中的切割器。
附图仅阐明了本发明的具体实施例，因此不认为限制了其范围，因为本发明可以承认其他等效的实施方式。
具体实施例的简要说明
本发明涉及采用声发射测试硬质或者超硬材料的固有强度或硬度的方法、装置和软件。虽然下面提供了与PDC切割器结合的具体实施例的描述，本发明的替代实施方式也可适用于其他类型的硬或超硬材料，包括但不限于PCBN切割器、岩石样品或其他本领域普通技术的人员已知的硬或超硬材料。例如，硬或超硬材料包括碳化钨硬质合金、碳化硅、硬质合金基体样片、陶瓷或化学气相沉积(“CVD”)涂层插入件。该硬或超硬的材料也包括岩石样品，岩石样品包括但不限于坚硬的岩石样品和/或从钻洞中获取的凝结岩石样品。
本发明通过阅读以下非限制性的参考附图的具体实施例的描述被更好地理解，每个附图中同样的部分采用同样的附图标记，并简要说明如下。图5示出了依照本发明具体实施例的声发射测试系统500的立体图。图6示出了依照本发明具体实施例的图5中的声发射测试系统505的横截面视图。参考图5和6，声发射测试系统500包括可通信地耦合到数据记录仪590的声发射测试装置505。该声发射测试装置505包括刀座510、切割器100、压头550和声传感器570。然而，在某些实施方式中，该刀座510是可选的。虽然在具体实施例中对切割器100进行了描述，但在一个替代具体实施例中，岩石样品2300(图23)取代了切割器100。
图7示出了依照本发明具体实施例的刀座510的立体图。参考图5、6和7，刀座510包括第一表面712、第二表面714和侧面716。该第一表面712放置在与放置该第二表面714的平面基本平行的平面内。该侧面716从第一表面712延伸至第二表面714。根据一些具体实施例，该侧面716基本垂直于第一表面712和第二表面714中的至少一个。根据替代的示例性实施例，该侧面716不基本垂直于第一表面712和第二表面714的任一个。该刀座510由钢制成；然而，根据其他具体实施例，该刀座510由任何金属、木材或本领域普通技术的人员已知的能够承受负荷580的其他合适的材料构成，这将在下文中就其应用进一步详细介绍。负荷580的范围可以从零到七万牛顿。在某些具体实施例中，合适的材料能被加工或模压，并能传播声音。在某些具体实施例中，合适的材料能够以约1公里每秒或更高的速度传播声音。
该刀座510基本上为圆柱体形状，其中该第一表面712基本上为圆形，该第二表面基本上为圆形，和该侧面716基本上为弧状。然而，该侧面716包括耦合部分730，该耦合部分730基本为平面，或平坦面，并从第一表面712延伸到第二表面714。耦合部分730提供表面，该表面用于将声传感器570耦合到刀座510。在某些具体实施例中，耦合部分730并不延伸从该第一表面712至该第二表面714的整个长度。在某些示例性实施例中，该声传感器570的尺寸使得声传感器570能够被耦合到弧形侧面716。因此，耦合部分730在这些具体实施例中是可选的。虽然提供了刀座510的一个示例性形状，但在不脱离具体实施例的范围和精神下，刀座510可以构造成任何其他几何和非几何形状，如方形柱状或三角柱状。
空腔720形成在该刀座510内和且该空腔720的尺寸被设计成用于接收切割器100，或诸如岩石样品2300(图23)之类的其他硬或超硬材料，这将在下文进一步描述。空腔720的直径的尺寸稍比切割器100的直径大，从而使切割器100轻松自如地安装在空腔720内。该空腔720从该第一表面712延伸至第二表面714，但并不到达第二表面714。在其他具体实施例中，空腔720从第一表面712延伸至第二表面714和穿过该刀座510，从而在刀座510内形成一个孔。空腔720为圆形，但在其他具体实施例中为任何几何或非几何形状。空腔720是通过加工该刀座510形成，或者通过模制刀座510使其中形成该空腔720。可替换的，使用本领域普通技术人员已知的其他方法形成该空腔720。在某些具体实施例中，该空腔720以如下方式形成：确保每次切割器100插入该空腔720时切割器100以相同方式正确对准。
该切割器100在上文中参考图1进行了描述并应用于示例性实施例中。简而言之，该切割器100包括衬底110和形成或耦合在衬底110顶部的切割台120。在该示例性实施例中，切割台120由PCD构成，但在替代的具体实施例中，切割台120由其他材料构成，而不脱离具体实施例的范围和精神。虽然该切割器100具有平坦或平面的切割台120，但该切割台120可以是本领域普通技术知识的人员已知的圆顶形、凹形或任何其他形状。
该切割器100包括研磨的和/或接地切割器以及“原始”切割器。“原始”切割器没有被研磨，和通常为提供了压制池的切割器。本发明的实施方式可以测试这两种切割器类型。由于切割器制造商能够根据本发明的实施方式测试“原始”切割器，切割器制造商能够确保早在切割器生产运行中就满足规格。如果切割器制造商确定的“原始”切割器100不符合适当的规格，则在继续对切割器生产运行之前，他们能够在操作参数上做出必要的改变以获得“良好的”切割器。此外，“原始”切割器能在一个较低的千牛顿水平或负荷下被测试以确保“原始”切割器在给定负荷下不开裂。如果在测试“原始”切割器时发生了裂缝，则切割器制造商可以放弃研磨和磨削的这些“原始”切割器以避免额外费用；从而节省不必要的成本支出。因此，每个“原始”切割器能采用低负荷水平通过声发射测试系统500进行测试以确保该切割器100是“良好的”切割器。
参照图6，该切割器100被插入刀座510的空腔720内。该切割器100放置在空腔720内使切割台120面向该第一表面712，或远离该第二表面714。根据这一具体实施例，整个切割器100插入在空腔720内。然而，在替代的具体实施例中，该切割器100的一部分(其中包括整个衬底110)是完全插入空腔720内的。因此，在这些具体实施例中，至少一部分切割台120是不插入空腔720内的。一旦该切割器100被插入在该空腔720内，在该切割器100的外周面和该空腔720外表面之间就形成气隙610。根据某些具体实施例，润滑剂620被涂敷于切割器100的外周面或放置在空腔720内。在这些具体实施例中，一旦该切割器100被放置在该空腔720内，润滑剂620填充该气隙610的至少一部分，使得该润滑剂620粘附在该切割器100的外周面和该空腔720外表面上并占据两者之间的气隙610的一部分。在其他具体实施例中，该润滑剂620至少放置空腔720的底面和该切割器100的底部之间。该润滑剂620提高了该切割器100和该声传感器570之间的声发射。根据一些示例性实施例，该润滑剂620是一种凝胶，如超声凝胶。然而，在其他具体实施例中，其他材料可以用作该润滑剂620，其中包括但不限于油、油脂和乳液。这些材料能散开、粘附至这些表面，并不会迅速干燥。虽然该切割器100被描述为用于这一具体实施例中，但也可以使用其他需要硬度测试的硬或超硬材料，来代替切割器100。
回过来参考图5和6，该压头550的第一末端650是圆顶形，且第二末端652有平坦表面。该压头550制造得比该切割器100更硬，使得一旦负荷580施加在该压头550上，就损坏该切割器100而不损坏该压头550。例如，压头550由碳化钨钴制成；然而，本领域普通技术人员已知的其他材料可用于制造该压头550。在某些具体实施例中，压头550的钴含量范围在从大约百分之六至约百分之二十之间。在某些具体实施例中，压头550的钴含量大于该切割器100的切割台120的钴含量。此外，在某些具体实施例中，在该压头550的第一末端650上形成或安装了PCD层。在这些具体实施例中，该压头550的PCD层的钴含量大于该切割器100的切割台120的钴含量。此外，在这些具体实施例中，该压头550的PCD层的钴含量范围在从大约百分之六至约百分之二十之间。尽管钴用于这些具体实施例使得该压头比该切割器100硬，但在替代的具体实施例中，能采用本领域普通技术的人员已知的其他成分。
该压头550大小与空腔720相适应使其与切割器100接触。在某些具体实施例中，该压头550周边大小与述空腔720的周边基本类似，在具体实施例中至少部分切割台120不在该空腔720内，该压头550的尺寸可以设计为使该压头550的周边大于空腔720的周边。该压头550定位在使该第一末端650与该切割器100接触。因此，在这一实施方式中，该压头550的PDC层与切割器100的PDC层或切割台120接触。该负荷580施加到该第二末端652，该第二末端652将负荷580转移到该切割器100上。虽然在这些具体实施例中采用圆顶形的压头550，在其他某些具体实施例中可以采用其他形状的压头。此外，该第二末端652可以为其他非平面形状，而不偏离该具体实施例的范围和精神。
该声传感器570是压电传感器，该压电传感器沿该刀座510的耦合部分730定位。然而，该声传感器570可以是本领域普通技术人员已知的任何其他仪器型号，其中该仪器能够检测声传输。该声传感器570检测该切割器100中形成的弹性波信号，然后将弹性波信号转换成电压信号使得数据可以被记录和随后被分析。在某些具体实施例中，该润滑剂620放置在耦合部分730和声传感器570之间的接触区域内。如前所述，该润滑剂620改善了从该切割器100到该声传感器570的弹性波传输的检测。根据一些替代具体实施例，声传感器570的大小被设计成以便它能够被放置在侧表面716的弧形部分上。该声传感器570可通信地耦合到数据记录仪590，使发生在该切割器100内的弹性波产生的电压信号可以被存储和随后被分析。该声传感器570采用电缆592耦合到该数据记录仪590；然而，根据其他的具体实施例，该声传感器570能采用无线技术通信地耦合到该数据记录仪590，该无线技术包括但不限于红外线和无线电频率。
数据记录仪590记录从声传感器570发送的数据，并在其中存储该数据。在某些具体实施例中，提供负荷580的该设备(未显示)或机器通过电缆582也被耦合到数据记录仪590；然而，根据另外的具体实施例中，使用包括但不限于红外线和无线电频率之类的无线技术，该仪器提供的负荷580可以被可通信地耦合到数据记录仪590。数据记录仪590也处理与分析接收到的数据。虽然数据记录仪590记录、存储、处理和分析该数据，根据一些具体实施例该数据记录仪590可以接收数据、处理数据、分析该数据而不存储该数据。可替换的，在其他具体实施例中，该数据记录仪590可以存储数据但不处理或分析数据。在某些具体实施例中，采用附加设备(未显示)处理和分析数据。
图10示出了根据一个具体实施例的图5中的数据记录仪590的原理框图。参考图5和10，该数据记录仪590是计算机系统。该数据记录仪590包括存储介质1040、用户界面1030、处理器1020和显示器1010。
该存储介质1040从该声传感器570(图5)接收信息并在该存储介质1040中接收信息。根据具体实施例，该存储介质1040是硬盘。然而，根据其他具体实施例，该存储介质1040包括硬盘、移动硬盘、USB驱动器、DVD、CD或任何能存储数据和/或软件的设备中的至少一种。在某些具体实施例中，该存储介质1040还包括软件，用于提供如何处理从声传感器570(图5)收到的信息或数据的指令。
该用户界面1030允许用户与该数据记录仪590连接并提供用于操作该数据记录仪590的指令。根据一些具体实施例，该用户界面包括键盘。然而，根据其他的具体实施例，该用户界面包括键盘、鼠标、可作为显示部分1010的一部分的触摸屏或本领域普通技术的人员已知的任何其他用户界面中的至少一种。
该处理器1020可以接收来自用户界面1030的指令、访问存储在该存储介质1040中的信息、发送信息到该存储介质1040和发送信息到该显示器1010。在某些具体实施例中，该处理器1020访问存在于该存储介质1040中的软件和执行由该软件提供的指令集。下文中进一步提供了这些指令的更详细的说明。在某些具体实施例中，该处理器1020包括处理器引擎2200，下文中结合附图16、17、18和22将进一步详细介绍处理器引擎2200。
该显示器1010接收来自该处理器的信息和与用户沟通该信息。根据一个示例性实施例，该显示器1010包括显示器或屏幕。然而，根据其他的具体实施例，该显示器1010至少包括屏幕、触摸屏、打印机或任何其他能与用户沟通信息的设备中的至少一种。
虽然在图10中没有显示，该数据记录仪590可以通过有线或无线方式被通信地耦合至内部网络，其中软件和/或来自声传感器570(图5)的数据储存在中央服务器内(未显示)。此外，根据一些替代的具体实施例，该数据记录仪590可以通过有线或无线方式被可通信地耦合至调制解调器(未显示)，其中调制解调器可通信耦合到广域网。在某些替代的具体实施例中，该软件和/或来自该声传感器570(图5)的数据存储在可以通过万维网访问的远程位置。
图8示出了依照本发明具体实施例的图5中的声发射测试装置505的立体图，其中该压头550从该刀座移除。参考图8，该切割器100完全插入在该刀座510的空腔720内。如图所示，该切割器100的直径小于该空腔720的直径，从而形成气隙610。此外，该PCD层或该切割台120也定位在该空腔720内，使得该PCD层面向该第一表面712。该压头550从该空腔720中移除以进一步阐述该压头550的一些特征。根据这一具体实施例，该压头550包括衬底808和形成或耦合到衬底808顶部的硬质表面810。在具体实施例中，硬质表面810由PCD形成，但在其他具体实施例中，硬质表面810可以由其他的硬或超硬材料制成，如PCBN，而不背离该具体实施例的范围和精神。虽然压头550有圆顶形硬质表面810，但硬质表面810可以是本领域普通技术的人员已知的平面或任何其他形状。如所看到的，根据这一具体实施例，该压头550的直径与该空腔720的直径大致相同。
在替代的实施方式中，该压头550定位在具有硬质表面810的空腔720内，面向该第一表面712。待测试的该切割器100定位在该压头550的顶部同时该切割台120接触硬质表面810。负荷580向下施加在被测切割器100的衬底110的背面。在被测切割器100中发生和/或传播的裂缝的声发射通过该压头550传送至该声传感器570。在这种替代的具体实施例中，该刀座510是可选的。
图9示出了依照本发明替代的具体实施例的声发射测试系统900的立体图。参考图9，该声发射测试系统900包括可通信地耦合到数据记录仪507的声发射测试装置905。除该声传感器570直接耦合到切割器100和图5中去除了刀座510外，该声发射测试装置905类似于图5中的声发射测试装置505。此前在图5、6、7、8和10中已描述该切割器100、该压头550、该负荷580、该声传感器570和该数据记录仪590。此外，根据一些具体实施例，该润滑剂620(图6)放置在声传感器570和切割器100之间。
参考图5-8描述了声发射测试系统500的操作。待测试的该切割器100或硬或超硬材料被放置在该刀座510的空腔720内。为了提高在该切割器100的基座或底面与该空腔720的底部之间的接触面上的弹性波传播，在该切割器100的底面和空腔720的底部之间使用矿物油基凝胶620。该声传感器570与该刀座510的耦合部分730相对放置以检测在该切割器100内产生的弹性波。为了提高在该声传感器570和该连接部分730之间的接触面上的弹性波传播，在该声传感器570和该耦合部分730之间使用该矿物油基凝胶620。该压头550放在切割器100的PCD层120的顶部，并使用该负荷580将该压头550推向这一PCD层120。使用100千牛顿8500系列英斯特朗机(Instronmachine)向该压头550提供负荷580。该机(未显示)可控制施加在该压头550上的负荷量。该机连接到数据记录仪590使负荷相对时间被测量。尽管公开了可提供该负荷580的机器的一个例子，但任何能够提供施加在该压头550上可衡量的负荷的系统都在本发明具体实施例范围内。例如，提供可测的负荷580的机器或设备范围可以从一个手持锤子到完全仪器冲击机，或适合用于稳定或循环加载历史的负荷控制液压机。
该负荷580施加到该压头550上并以恒定速率增加至所需的负荷水平。一旦达到预期的负荷水平，负荷水平就保持所需的一段时间，该段时间可以从几秒到几分钟，然后以比斜升速率更快的速度斜降。每当顶部金刚石层130内有新的裂缝形成或现有的裂缝增长，则一定量的弹性能量以一系列弹性波的形式几乎在瞬间释放，该弹性波通过该PCD层120、该衬底110、以及该刀座510。该声传感器570检测这些弹性波并将接收到的信号转换成电压信号。该声传感器570可通信地耦合到该数据记录仪590以记录相对于时间的声发射或数据。这些声发射包括背景噪声和声学事件。因此，由于该数据记录仪590记录了声发射历史和加载历史，因此可以确定在何种负荷580下发生了某种声学事件。声学事件是在该PDC层120上有新裂缝形成或现有裂缝增长的事件。根据一个具体实施例，该声传感器570向该数据记录仪590以约每秒5000个数据点提供数据；然而每秒的该数据点可以增加或减少，而不偏离该具体实施例范围和精神。
图11图示了依照本发明具体实施例的表示切割器经历高达两千牛顿负荷时的切割器声发射和负荷表征1100。参考图11，该切割器声发射和负荷表征1100包括时间轴1110、负荷轴1120以及声发射轴1130。该时间轴1110以x-轴表示且其单位设置为5000秒。因此，为了获得以秒表示的时间段，应将该时间轴1110中的数值除以5000。该时间轴1110也可以被理解为传递到样品上的能量。换句话说，随着时间的推移，更多的总能量施加到该切割器或测试样品上。该负荷轴1120以y-轴表示且其单位为千牛顿。该声发射轴1130也以y-轴表示和其单位设置为十毫伏。因此，为了获得以毫伏表示的电压，应将该声发射轴1130的数值除以十。负荷曲线1140和声发射曲线1160均在切割器声发射和负荷表征1100上示出。根据该负荷曲线1140，该负荷以恒定速率1142或斜升率从零增加到两千牛顿。在这个例子中，将该负荷保持于负荷峰值1143或两千牛顿一段时间，然后使该负荷以比斜升率1142快的斜降率1144下降。该声发射曲线1160表示从声传感器记录的信号。根据该声发射曲线1160，唯一的声发射记录是背景噪声1162。没有检测到声事件。此外，随着负荷的增加，背景噪声1162也增加。
图12图示了依照本发明具体实施例的表示切割器经历高达五千牛顿负荷时的切割器声发射和负荷表征1200。参考图12，该切割器声发射和负荷表征1200包括时间轴1210、负荷轴1220和声发射轴1230。该时间轴1210以x-轴表示且其单位设置为5000秒。因此，为了获得以秒表示的时间段，将该时间轴1210的数值除以5000。该时间轴1210也可以被理解为传递到样品上的能量。换句话说，随着时间的推移，更多的总能量施加到该切割器或测试样品上。该负荷轴1220以y-轴表示且其单位为千牛顿。该声发射轴1230也以y-轴表示且其单位设置为十毫伏。因此，为获得以毫伏表示的电压，应将该声发射轴1230上的数值除以十。负荷曲线1240和声发射曲线1260均在切割器声发射和负荷表征1200上示出。根据该负荷曲线1240，该负荷以恒定速率1242或斜升率从零增加到五千牛顿。在这个例子中，该负荷被保持于负荷峰值1243或五千牛顿一段时间，然后以比斜升率1242快的斜降率1244下降。该声发射曲线1260表示从声传感器获取的记录信号。根据该声发射曲线1260，所记录的唯一的声发射是背景噪声1262。没有到检测声事件。此外，随着负荷的增加，背景噪声1262也增加。
图13图示了依照本发明具体实施例的表示切割器经历高达三万牛顿负荷时的切割器声发射和负荷表征1300。参考图13，该切割器声发射和负荷表征1300包括时间轴1310、负荷轴1320和声发射轴1330。该时间轴1310以x-轴表示且其单位设置为5000秒。因此，为获得以秒表示的时间，应将该时间轴1310上的数值除以5000。该时间轴1310也可以被理解为传递到样品上的能量。换句话说，随着时间的推移，更多的总能量施加到该切割器或测试样品上。该负荷轴1320以y-轴表示且其单位为千牛顿。该声发射轴1330也以y-轴表示且其单位设置为十毫伏。因此，为获得以毫伏表示的电压，应将该声发射轴1330上的数值除以十。负荷曲线1340和声发射曲线1360均在切割器声发射和负荷表征1300示出。根据该负荷曲线1340，该负荷以恒定速率1342或斜升率从零增加到三万牛顿。在这个例子中，该负荷被保持于负荷峰值1343或三万牛顿一段时间，然后以比斜升率1342快的斜降率1344下降。该声发射曲线1360表示从声传感器获取的记录信号。根据该声发射曲线1360，所记录的该声发射包括背景噪声1362和一个或更多声事件1364。该背景噪声1362构成了测试期间记录的数据的主体。该声学事件1364被示为从该背景噪声1362上显著延伸的细垂直线。在该背景噪声1362上的每个声事件1364的高度通过校准常数与每个裂缝的形成和/或传播事件所释放的弹性能量的量成比例。每个声波事件1364平均持续约五十毫秒。根据这一具体实施例，该声传感器样品每秒约有5000个数据点，从而允许检测这些声学事件1364。此外，随着负荷的增加，背景噪声1362也增加。完成上述测试后，对切割器进行视觉检查。虽然没有任何关于该切割器的PCD顶面损伤的视觉信号，但该声传感器确实检测到了发生在切割器内的声事件。因此，声传感器能检测一旦暴露于负荷下发生在切割器上的最小的损伤，即使该损伤不可见。
图14图示了依照本发明具体实施例的表示切割器经历高达四万牛顿负荷时的切割器声发射和负荷表征。图14表示的测试与图13表示的测试采用相同的切割器样品。参考图14，该切割器声发射和负荷表征1400包括时间轴1410、负荷轴1420和声发射轴1430。该时间轴1410以x-轴表示且其单位设置为5000秒。因此，为获得以秒表示的时间，应将该时间轴1410上的数值除以5000。该时间轴1410也可以被理解为传递到样品上的能量。换句话说，随着时间的推移，更多的总能量施加到该测试样品上。该负荷轴1420以y-轴表示且其单位为千牛顿。该声发射轴1430也以y-轴表示且其单位设置为十毫伏。因此，为获得以毫伏表示的电压，应将该声发射轴1430上的数值除以十。负荷曲线1440和声发射曲线1460均在切割器声发射和负荷表征1400上示出。根据该负荷曲线1440，该负荷以恒定速率1442或斜升率从零增加到四万牛顿。在这个例子中，该负荷被保持于负荷峰值1443或四万牛顿一段时间，然后以比斜升率1442快的斜降率1444下降。该声发射曲线1460表示从声传感器获取的记录信号。根据该声发射曲线1460，所记录的该声发射包括背景噪声1462和一个或更多声事件1464。该声学事件1464显示为从该背景噪声1462向上显著延伸的细垂直线。在该背景噪声1462上的每个声事件1464的高度通过校准常数与每个裂缝的形成和/或传播事件释放的弹性能量的量成比例。如图14所见，在该切割器内并不发生声事件1464，直到负荷达到或超过之前加载在切割器上的负荷。例如，如图13所述，这一切割器的在先经历负荷高达三万牛顿。因此，新的声学事件1464并没有出现，直到该负荷达到和/或超过阈值1466，其中在这个实施方式中该阈值约为三万牛顿，三万牛顿的负荷曾被施加到切割器上。基于这些实验，似乎为了在切割器内产生新裂缝或增大在先前的试验运行中形成的现有裂缝，应施加等于或高于先前的负荷峰值1343的的负荷水平。
图15A图示了依照本发明具体实施例的表示切割器制造商#1切割器样品#1切割器型经历高达四万五千牛顿负荷时的切割器声发射和负荷表征1500。图15B图示了依照本发明具体实施例表示切割器制造商#2切割器样品#2切割器型经历高达三万牛顿负荷时的切割器声发射和负荷表征1550。参考图15A和图15B，该切割器声发射和负荷表征1500包括显示发生在切割器制造商#1切割器样品#1切割器型中的一个或多个声波事件1520的声发射曲线1510，而该切割器声发射和负荷表征1550包括显示发生在切割器制造商#2切割器样品#2切割器型中的一个或多个声波事件1570的声发射曲线1560。在切割器制造商#2切割器样品#2切割器型中比切割器制造商#1切割器样品#1切割器型中显著发生了更多的声学事件1520和1570。因此，不同的切割器类型在各自的声发射曲线中显示不同的声学模式。基于这些结果，用户可以确定哪一切割器型比另一切割器型更硬，从而根据其硬度对切割器排序。在这种情况下，切割器制造商#1切割器样品#1切割器型硬于切割器制造商#2切割器样品#2切割器型。
根据图11-15示出的实验结果，至少可以作出部分观察报告。首先，该声传感器能够检测向该压头施加负荷时该切割器的金刚石台中的裂缝的形成和裂缝生长，且能够发送随后可分析的信号。第二，不同的切割器型显示不同的声学事件模式并可使用户对该切割器的硬度在与其它切割器相比时进行排序。第三，虽然在测试之后在该切割器的PCD台的表面不能检测到可视的损伤，但该声传感器能够检测发生在该切割器内的任何不可视损伤。
图16阐明了分析从该声传感器获取的数据点的方法1600的流程图，其中该方法1600包括根据本发明具体实施例的一环法1680和二环法1690。虽然以特定处理顺序显示了某些步骤，但步骤的顺序可以改变，而不偏离该具体实施例的范围和精神。此外，虽然在一个或多个步骤中执行某些功能，但执行该功能的步骤数量可以增加或减少，而不偏离该具体实施例的范围和精神。
参照图16，在步骤1605，方法1600开始。方法1600从步骤1605进行至步骤1610。在步骤1610中，确定一个或多个高于背景噪声的最低阈值以选拔作为一可能声学事件的数据点。在完成步骤1610后，方法1600进行至步骤1615和步骤1625，步骤1615和步骤1625在某些具体实施例中可同时发生。在步骤1615中，确定界定该背景噪声的外围包络后的背景点。在步骤1625中，基于步骤1610中确定的一个或多个阈值确定可能声事件点。步骤1615和步骤1625被包括一环法1680中，这将在下文中结合图17进一步详细介绍。
从步骤1615，方法1600进行至步骤1620。在步骤1620中，插入步骤1615中确定的背景点以产生背景噪声函数曲线。方法1600从步骤1620和1625，进行至步骤1630。在步骤1630中，利用步骤1680确定的可能声事件点和步骤1620确定的背景噪声函数曲线确定实际声事件点。方法1600从步骤1630，进行至步骤1635。在步骤1635，确定每个实际声事件点的振幅和持续时间。方法1600从步骤1635，进入步骤1640。在步骤1640中，计算每个声事件点下的区域。方法1600从步骤1640，进行至步骤1645。在步骤1645中，将区域的累积分布与每个声事件点的实际测试负荷进行比较。用户可以使用该比较确定一个切割器与另一切割器的相对硬度。这种比较可以采用定量和客观的方法确定。该声事件点的持续时间、振幅、频率和转移至该样品的相应的能量水平或负荷可以与被测的所述PCD或其他硬或超硬材料的耐冲击性能直接相关。方法1600不仅可以测量发起一些损伤所需的外部工作或负荷的最少量，也可以测量用于增强所述损伤水平必须的额外工作或负荷的量。在步骤1645之后，方法1600继续到步骤1650。在该步骤1650中，方法1600停止。
图19图示了根据本发明具体实施例的表示切割器经历负荷时的切割器声发射表征1900。图20图示了根据本发明具体实施例表示切割器经历负荷时的切割器声发射表征2000的局部放大图。图21示出了根据本发明具体实施例表示每个实际声学事件的累积分布描述2100。图19-21描绘了图16中方法1600阐明的大多数步骤。
参照图19，该切割器声发射表征1900包括时间轴1910和声发射轴1930。该时间轴1910以x-轴表示且其单位设置为5000秒。因此，为了获得以秒为单位的时间，应将该时间轴1910上的数值除以5000。该声发射轴1930以y-轴表示且其单位设置为十毫伏。因此，为了获得以毫伏为单位的电压，应将该声发射轴1930上的数值除以十。在切割器声发射表征1900上示出了声发射数据1960。该声发射数据1960代表从该声传感器获取的记录信号。根据该声发射数据1960，所记录的该声发射数据包含一个或多个背景点1962和一个或多个可能的声事件点1964。参考附图16和19，并根据图16中的步骤1615和步骤1625，对该声发射数据1960进行分类以包括背景点1962和可能声事件点1964。根据一个示例性实施例，采用存在于数据记录仪590(图5)中的算法对该声发射数据1960分类。然而，该算法也可以存储在替代的具体实施例中的其它设备中或是手工完成。另外，本领域普通技术人员知道的和有利于本公开内容的其它方法也可用于分类该声发射数据1960。如图19所示，每个背景点1962用圆圈标记，而每个可能的声事件点1964用正方形标记。存在既没有定义为背景点1962也没有定义为可能声事件点1964的一些点。这些标记用于说明本发明的具体实施例的目的并不限制其范围。
参考图16和19并根据图16中的步骤1620，使用确定的背景点1962对背景噪声函数曲线1970插值。根据一个具体实施例，背景噪声函数曲线1970使用四次多项式来插值；然而，其他次的多项式也可以用于插值该背景点1962，而不背离该具体实施例的范围和精神。
参照图20，给出了切割器声发射表征2000图的局部放大。根据该图，每个声发射数据点1960(其中包括实际声事件点2010)具有发生的持续时间2020。此外，每个实际声事件点2010具有振幅2030，该振幅2030是从该背景噪声函数曲线1970垂直测量至该实际声事件点2010的位置。参照图16和20和根据图16中的步骤1635，计算该实际声事件点2010的振幅2030和持续时间2020。一旦确定了振幅2030和持续时间2020，通过将该振幅2030乘以该持续时间2020以计算每个实际声事件点2010下的面积2040。这一步骤在图16的步骤1640中完成。根据某些具体实施例，该面积2040的单位为毫伏乘以5000秒；然而，也可以采用其它单位，而不偏离该具体实施例的范围和精神。
参照图21，给出了每个实际声事件的累积分布表征2100。根据该图，累积分布表征2100包括负荷轴2110和声发射面积轴2130。该负荷轴2110以x-轴表示且其单位为千牛顿。该声发射面积轴2130以y-轴表示和单位为毫伏乘以五万秒。这是根据实际声事件点确定的面积。因此，为了获得以毫伏乘以秒为单位的面积，应将声发射面积轴2130上的数值除以五万。参考图16和21和根据图16中的步骤1645，对于每一个实际声学事件，将沿着该声发射面积轴2130绘制的该累积分布面积与沿着该负荷轴2110绘制的实际测试负荷进行比较。该累积分布表征2100提供了切割器制造商#1切割器样品#1切割器图2150和切割器制造商#2切割器样品#2切割器图2160之间的比较。
例如，在三个切割器制造商#1切割器样品#1切割器图2150中的一个中，在约二万八千牛顿和约3550毫伏乘50,000秒下有一实际声事件点，以点A2152标记。这意味着，在所有在先实际声事件点下产生了一个3550毫伏乘以50000秒的累积面积，其包括发生在约二万八千牛顿负荷下的实际声事件点面积。在同一曲线上的下一个实际声事件点(点B2154)发生在32.5千牛顿。在该实际声事件点下的面积约为650毫伏乘以50000秒，这在该累积分布的表征2100中未直接显示。然而，在约32.5千牛顿下，有约4200毫伏乘以50000秒的累积面积。因此，约4200毫伏乘以50000秒减去3550毫伏乘以50000秒等于约650毫伏乘以50000秒。较硬的切割器，或是固有硬度更高的切割器在一给定负荷下提供了较少累积面积的曲线。具有许多高振幅实际声事件点的陡峭曲线的切割器本质上硬度低于具有少量高振幅实际声事件点的稍平坦的曲线的切割器。因此，根据该累积分布表征2100，对切割器制造商#1切割器样品#1切割器图2150和切割器制造商#2切割器样品#2切割器图2160进行了比较，表明切割器制造商#1切割器样品#1切割器本质上硬于切割器制造商#2切割器样品#2切割器。此外，根据图21，有三条曲线代表切割器制造商#1切割器样品#1切割器图2150和两条曲线代表切割器制造商#2切割器样品#2切割器图2160。这些图2150和2160表明该方法1600(图16)具有高分辨率，使得能检测同一组样品中的变异。图16中提供的该方法向用户提供信息以供用户对其它切割器中的切割器硬度进行客观排序。
图17阐明了根据本发明具体实施例的图16中的一环法1680的详细流程。参考图17，在步骤1705，开始一环法1680。从步骤1705，一环法1680继续至步骤1710。在步骤1710，读取第一数据点。在步骤1710完成后，一环法1680继续至步骤1715，在步骤1715中读取下一数据点。在步骤1715之后，一环法1680继续至步骤1720。在步骤1720，计算两个数据点之间的差值并将该差值与用于定义声事件的第一公差值进行比较。根据一个具体实施例，第一公差值为约0.5毫伏。然而，在其他具体实施例中，第一公差值可以更高或更低。如果两个数据点之间的差值不低于第一公差值，则一环法1680继续至步骤1725。在步骤1725，该两个数据点中的第二个被定义为可能的声事件点。从步骤1725，一环法1680继续至步骤1745，在该步骤1745中，一环法1680确定是否有另一个数据点。如果在步骤1745，确定不存在另一个数据点，一环法1680继续至步骤1750，在步骤1750中停止一环法1680。然而，如果在步骤1745，确定存在另一个数据点，一环法1680返回到步骤1715。
如果在步骤1720中，确定两个数据点之间的差值低于第一公差值，一环法1680继续至步骤1730。在步骤1730，将两个数据点之间的差值与第二公差值进行比较。根据一个具体实施例，第二公差值为约0.01毫伏。然而，在其他具体实施例中第二公差值可以更高或更低。如果两个数据点之间的差值不低于第二公差值，则一环法1680返回到步骤1715且不定义该第二数据点。然而，如果两个数据点之间的差值低于第二公差值，则一环法1680继续至步骤1735。
在步骤1735，确定两个数据点之间的差值是否为负的并且在一行中负的次数少于“z”次，或两个数据点之间的差值是否为正的并且在一行中正的次数少于“u”次。根据一个具体实施例，“z”为2“u”为3。然而，在其他具体实施例中“u”值和“z”值的一方或双方可以更高或更低。如果两个数据点之间的差值为负的并且在一行中负的次数少于“z”次，或两个数据点之间的差值为正的并且在一行中正的次数少于“u”次不成立，则一环法1680返回到步骤1715且不定义该第二数据点。然而，如果两个数据点之间的差值为负的并且在一行中负的次数少于“z”次，或两个数据点之间的差值为正的并且在一行中正的次数少于“u”次，则一环法1680继续至步骤1740。
在步骤1740，将所述两个数据点的第二个定义为为背景边界点。从步骤1740，一环法1680继续至步骤1745，在步骤1745确定是否有另一个数据点。一环法1680持续，直到步骤1750达到上述步骤的要求。因此，一环法1680提供了用于确定哪些数据点应被定义为一个可能声事件点、背景边界点或未定义为任何类型的点的方法。
图18阐明了根据本发明具体实施例的图16中的二环法1690的详细流程。参考图18，在步骤1805，开始二环法1690。二环法1690从步骤1805继续至步骤1810。在步骤1810，使用背景边界点生成背景噪声函数曲线。在步骤1810完成后，二环法1690继续至步骤1815，在步骤1815读取该第一可能声事件点。在步骤1815后，二环法1690继续至步骤1820。在步骤1820，计算该可能声事件点与该背景噪声函数曲线之间的差值并确定该差值是否大于用于定义实际声事件点的第三公差值。根据一个示例性实施例，第三公差值为约0.08毫伏。然而，在其他示例性实施例中，第三公差值可以更高或更低。如果该可能声事件点与该背景噪声函数曲线之间的差值不大于第三公差值，则二环法1690继续至步骤1825。在步骤1825，读取下一个可能声事件点，且二环法1690返回到步骤1820。然而，如果该可能声事件点与该背景噪声函数曲线之间的差值大于第三公差值，则二环法1690继续至步骤1830。
在步骤1830，计算该可能声事件点与该背景噪声函数曲线之间的振幅、持续时间和面积。二环法1690从步骤1830继续至步骤1840。在步骤1840，确定是否有另一个可能的声事件点。如果有另一个可能的声事件点，则二环法1690回到步骤1825，在步骤1825继续二环法1690。然而，在步骤1840，如果没有另一个可能声事件点，则二环法1690继续至步骤1845，在步骤1845停止二环法1690。因此，二环法1690提供了一种确定哪些数据应被定义为一个实际声事件点，然后计算每个定义的声事件点的面积的方法。
图22示出了根据本发明示例性实施例的图10中的处理器1020的框图。如前所述，在该处理器1020内执行用于执行图16-18中阐述的一个或多个步骤的方法。然而，在某些其他具体实施例中，这些方法是手动或结合手动和处理器执行。该处理器1020设在数据记录仪590或计算机系统内。虽然示出了一个处理器1020，在不背离该具体实施例的范围和精神下可以采用多台处理器。处理器1020包括一个或多个处理器引擎2200。
处理器引擎2200包括声数据收集引擎2210、背景点确定引擎2220、可能声事件点确定引擎2230、背景噪声函数曲线插值引擎2240、实际声事件点确定引擎2250、实际声事件区域计算引擎2260以及累积面积和负荷曲线引擎2270。尽管处理器引擎2200内包括七个引擎，但在其他具体实施例中引擎数量可以更多或更少。此外，前述的这些处理器引擎2200的一个或多个可以组合成更少的处理器引擎2200或分成额外的处理器引擎2200，而不背离该具体实施例的范围和精神。
该声数据收集引擎2210收集至少来自声传感器的数据，其中包括背景点和可能声事件点。在某些具体实施例中，该声数据收集引擎2210还收集来自负荷的数据，使相应的背景点和可能声事件点与某一特定的负荷相关。背景点检测引擎2220评估来自声传感器的数据并确定该数据点是否是为背景点。该背景点检测引擎2220执行图16中步骤1615。该可能声事件点检测引擎2230评估从声传感器获得的数据并确定该数据点是否为可能声事件点。该可能声事件点检测引擎2230执行图16中的步骤1625。该背景点检测引擎2220和该可能声事件点确定引擎2230彼此同时运行，但在一些替代的具体实施例中也可独立运行。
该背景噪声函数曲线插值引擎2240利用在先确定的背景点生成背景噪声函数曲线。该背景噪声函数曲线插值引擎2240执行图16中的步骤1620。该实际声事件点检测引擎2250利用在先确定的可能声事件点和该背景噪声函数曲线确定实际声事件点。该实际声事件点检测引擎2250执行图16中的步骤1630。一旦确定了实际声事件点，该实际声事件面积计算引擎2260确定在实际声事件点和背景噪声函数曲线之间形成的面积。该实际声事件面积计算引擎2260执行图16中的步骤1635和步骤1640。该累积面积和负荷曲线引擎2270将面积的累积分布与每个实际声事件点的实际测试负荷作比较。该累积面积和负荷曲线引擎2270执行图16中的步骤1645。虽然在某些具体实施例中处理器引擎2200位于处理器1020内，但该处理器引擎2200可以存在于存储介质中，存储介质包括但不限于一个或多个硬盘、USB驱动器、光盘、数字视频光盘或其他本领域普通技术人员已知或未知的存储设备。
虽然在具体实施例中描述了处理器引擎2200，确定该切割器的硬度的指令可以按照存在于该存储介质1040(图10)中的软件的形式来提供。该软件包括类似于上述处理器引擎2200的模块和/或代码。
图23示出了分别能在图5和9中的声发射测试系统500和900中测试的岩石样品2300，代替根据本发明具体实施例的图1中的切割器100。参考图5、6、9和23，在该声发射测试系统500或该声发射测试系统900中，该岩石样本2300取代切割器100。测试方法和结果分析类似于上述的那些方法和分析，并提供有关该岩石样本2300的未定义抗压强度和/或硬度的信息。
该岩石样本2300是圆柱体状，类似于切割器100。该岩石样本包括在该岩石样品2300的一端的第一平面2310、在该岩石样品的相对端的第二平面2320以及从第一表面2310延伸至第二表面2320的圆周面2330。然而，在其他具体实施例中，该岩石样本2300呈其他几何和非几何形状，如立方体形。在某些具体实施例中，该岩石样本2300的形状为一个可重复的形状，使得多个岩石样品2300形成为具有基本类似的形状；从而允许对测试结果进行比较。
图24示出了按照示例性实施例中的在图5中插入可加压室2410的声发射测试装置505。该进而加压室2410内的压力以可控和可衡量的方式变化。在某些具体实施例中，该加压室2410内的压力从零到约40000psi变化；然而，在其他具体实施例中，压力范围可以更高或更低。在这个示例性实施例中，包括传感器570和压头550的其他组件能够承受形成在加压室2410内的压力。根据这些具体实施例，在不同程度的流体静压下岩石抗压强度和硬度是可测量的，从而提供地表下不同深度的岩石特性的重要信息。所收集的信息可用于提高岩石破坏机制的认知，也导致新理论和岩石固体力学模型。收集的信息也可用于确认尚未证明的其他已知理论。虽然压力室2410是在压力下测试诸如该岩石样品2300之类的硬或超硬材料100的方法，但在替换的具体实施例中，可以使用其他提供压力至硬或超硬材料100的机制，如采用高强度结合环组件并绕硬或超硬材料100组装。
设计师可利用对该岩石样本2300的UCS和硬度的认知来创造具有卓越性能的新和创新的钻头设计，和/或结合该UCS值和K1C制定一个新的钻头设计程序。从岩石样品2300获得的信息可用于校准地球科学和/或地质力学的软件和工具。
尽管描述了一些发明具体实施例，但替代的具体实施例包括加热硬或超硬材料100。对硬或超硬材料100的加热发生在将负荷加载到硬或超硬材料100之前、期间和/或之后。采用本领域普通技术人员已知的方式提供热量，其中包括但不限于火焰、激光、红外线和/或热液体。
虽然对每个具体实施例作了详细的描述，但应当理解适用于一具体实施例的任何功能和修改也适用于其他实施例。此外，虽然本发明参考了具体实施例进行描述，但这些描述不应理解为限制性的。参考描述的具体实施例，对披露的实施例及替代的实施例的各种修改对本领域普通技术的人员来说是显而易见的。本领域普通技术人员可以理解，可以将披露的构思和具体实施例作为基础来修改或设计或其他构造或方法以实现与本发明相同的目的。也应意识到通过文献中那些普通技术所作的这些等效结构并不偏离作为所附权利要求提出的本发明的范围和精神。因此，预期该权利要求涵盖落在本发明范围内的任何修改或实施例。

Claims (24)

1.一种声发射测试装置，包括：
硬岩石样品，包括第一表面；
与所述岩石样品可通信耦合的声传感器；
与所述第一表面可释放地耦合的钝的压头，所述钝的压头比所述岩石样品硬；以及
施加在所述钝的压头上的负荷，所述钝的压头将所述负荷转移到所述第一表面上；
其中所述负荷以斜升率增加至峰值负荷，所述峰值负荷被保持一段时间，然后所述负荷以斜降率减小，以及
其中所述声传感器感测发生在所述岩石样品中的声事件。
2.如权利要求1所述的声发射测试装置，其特征在于，所述斜降率大于所述斜升率。
3.如权利要求1所述的声发射测试装置，其特征在于，所述声传感器与所述岩石样品耦合。
4.如权利要求3所述的声发射测试装置，其特征在于，进一步包括位于所述声传感器与所述岩石样品之间的润滑剂。
5.如权利要求1所述的声发射测试装置，其特征在于，进一步包括其中具有空腔的测试样品固定器，其中所述岩石样品被放置于所述空腔内，且其中所述声传感器与所述测试样品固定器耦合。
6.如权利要求5所述的声发射测试装置，其特征在于，所述空腔的直径大于所述岩石样品的直径，从而在所述空腔的外表面与所述岩石样品的外表面之间形成气隙。
7.如权利要求6所述的声发射测试装置，其特征在于，进一步包括位于所述气隙内的润滑剂，所述润滑剂与所述空腔的外表面、所述岩石样品的外表面和它们之间的所述气隙的至少一部分接触。
8.如权利要求1所述的声发射测试装置，其特征在于，所述钝的压头包括PDC末端，所述PDC末端与所述岩石样品的第一表面接触。
9.如权利要求1所述的声发射测试装置，其特征在于，所述钝的压头包括浓度范围在6％到20％之间的钴。
10.如权利要求1所述的声发射测试装置，其特征在于，所述钝的压头包括第一末端，所述第一末端与所述岩石样品接触，所述第一末端为圆顶形。
11.一种声发射测试系统，包括：
声发射测试装置，包括：
硬岩石样品，包括第一表面；
与所述岩石样品可通信耦合的声传感器；
与所述第一表面可释放地耦合的钝的压头，所述钝的压头比所述岩石样品硬；
施加在所述钝的压头上的负荷，所述钝的压头将所述负荷转移到所述第一表面上；
与所述声发射测试装置可通信耦合的数据记录仪，所述数据记录仪从所述声发射测试装置接收数据，
其中所述负荷以斜升率增加至峰值负荷，所述峰值负荷保持一段时间，然后所述负荷以斜降率减小，以及
其中所述声传感器感测发生在所述岩石样品中的声事件。
12.如权利要求11所述的声发射测试系统，其特征在于，所述斜降率大于所述斜升率。
13.如权利要求11所述的声发射测试系统，其特征在于，所述声传感器与所述岩石样品耦合。
14.如权利要求11所述的声发射测试系统，其特征在于，进一步包括具有空腔的测试样品固定器，其中所述岩石样品放置于所述空腔内，且其中所述声传感器与所述测试样品固定器耦合。
15.如权利要求11所述的声发射测试系统，其特征在于，所述钝的压头包括第一末端，所述第一末端与所述岩石样品接触，所述第一末端包括浓度范围在6％到20％之间的钴。
16.如权利要求11所述的声发射测试系统，其特征在于，所述岩石样品受到压力。
17.一种确定岩石样品的硬度的方法，包括：
提供声发射测试系统，所述声发射测试系统包括：
声发射测试装置，包括：
硬的岩石样品，包括第一表面；
与所述岩石样品可通信耦合的声传感器；
与所述第一表面可释放地耦合的钝的压头，所述钝的压头比所述岩石样品硬；
施加在所述钝的压头上的负荷，所述钝的压头将所述负荷转移到所述第一表面上；
与所述声发射测试装置可通信耦合的数据记录仪，所述数据记录仪从所述声发射测试装置接收数据，
施加所述负荷至所述钝的压头，所述钝的压头将所述负荷转移到所述岩石样品上；
从所述声发射测试装置获取数据；
检测所述岩石样品中发生的声事件，以及
客观地计算所述岩石样品的硬度。
18.如权利要求17所述的方法，其特征在于，施加所述负荷至所述压头包括：
以斜升率增加所述负荷至峰值负荷；
保持峰值负荷一段时间；
以斜降率减小所述负荷。
19.如权利要求18所述的方法，其特征在于，所述斜降率大于所述斜升率。
20.如权利要求17所述的方法，其特征在于，从所述声发射测试装置获取数据包括从所述声传感器和所述负荷获取数据。
21.如权利要求17所述的方法，其特征在于，所述声传感器与所述岩石样品耦合。
22.如权利要求17所述的方法，其特征在于，所述声发射测试装置进一步包括具有空腔的测试样品固定器，其中所述岩石样品放置于所述空腔内，且其中所述声传感器与所述测试样品固定器耦合。
23.如权利要求17所述的方法，其特征在于，进一步包括加热所述岩石样品。
24.如权利要求17所述的方法，其特征在于，进一步包括对所述岩石样品施压。
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