磁吸收检测技术：原理、机制与前沿应用

磁吸收技术的发现颇具戏剧性。1957年，Willam L. Rollwitg在对火箭发动机燃料进行电子自旋共振测量时，意外观察到一个现象：含有四氧化三铁（Fe₃O₄）的燃料所产生的电子自旋共振信号，与不含该成分的同类燃料信号截然不同。这一偶然的发现，为一种全新的无损检测技术——磁吸收检测，拉开了序幕。

核心物理机制

从本质上讲，磁吸收技术是通过测量置于射频线圈场中的铁磁材料，其吸收能量的变化来工作的。这种能量吸收的变化，与施加于材料的另一个偏磁场强度紧密相关。

为了理解这一过程，我们可以构想一个基础模型，如 图1 所示。铁磁材料同时浸润在两个磁场中：一个是由射频线圈产生的高频、小振幅射频磁场（强度为 H_RF），另一个是强度更高、缓慢变化的偏磁场（强度为 H_B）。

图1 磁吸收检测的基本概念：材料同时处于射频场和偏磁场中

当偏磁场 H_B 在材料中缓慢地正弦变化时，材料会呈现出我们熟悉的 B/H 磁滞回线（见 图2）。现在，如果在这个基础上叠加一个频率更高、幅度更小的射频磁动势 H_RF，材料内部会形成一个微型的、依附于主回线的次级磁滞回线，即 B_RF/H_RF 回线。这个次级回线的位置和形态，会随着主回线上 H_B 值的变化而动态漂移。

图2 在偏磁场 H_B 和射频磁场 H_RF 共同作用下材料的磁滞回线

这种动态响应的核心在于射频磁导率（μ_RF = B_RF/H_RF）。μ_RF 并非一个恒定值，而是偏磁场 H_B 的函数。如 图3 所示，随着 H_B 按正弦规律变化，μ_RF 也呈现周期性变化，其变化曲线揭示了两者之间的非线性关系。

图3 射频磁导率 μ_RF 与交流偏磁场 H_B 的关系曲线

μ_RF 的变化正是磁吸收现象的物理基础。因为材料从射频线圈吸收的能量与 μ_RF 直接相关，所以当 μ_RF 随 H_B 变化时，能量吸收也随之波动。这种能量吸收的波动，直接体现在射频线圈阻抗的动态变化上，从而为我们打开了一扇观测材料内部特性的窗口。

最终，线圈阻抗的变化被解调为“磁吸收信号”。一个有趣的特征是，如 图4 所示，尽管信号波形因磁滞等非线性效应而发生畸变，但其基波频率恰好是偏磁场 H_B 频率的两倍，并包含了丰富的高次谐波分量。这些信号的幅度、相位和谐波构成，都蕴含着材料的微观信息。

图4 H_B 和 μ_RF 随时间的变化关系，显示出 μ_RF 的基频是 H_B 的两倍

应用场景剖析

1. 粉末材料的测量

磁吸收技术在表征铁磁性粉末（如氧化铁、碳基铁粉）的粒度方面显示出独特的优势。实验表明，当不同粒径的粉末样品被置入测试线圈时，射频线圈的品质因数（Q值）峰值会出现在不同的频率点。例如，在一组从0.7MHz到3.0MHz的扫频测试中：

• 3μm 样品的 Q 值峰值出现在 2.6MHz
• 5μm 样品的 Q 值峰值出现在 2.3MHz
• 10μm 样品的 Q 值峰值出现在 1.8MHz
• 20μm 样品的 Q 值峰值出现在 0.8MHz

这清晰地表明，通过追踪Q值峰对应的频率，可以反推出粉末的平均粒径或粒径分布。

更进一步的，采用核磁共振探测器进行的磁吸收测量，可以获得更丰富的信号细节。表1 展示了对不同粒径的铁涂氧粉末的测量结果，其中包含了示波器上的利萨如图形、信号频谱以及峰-峰值幅度。这些数据综合起来，为粉末材料的质量控制和工艺优化提供了有力的依据。

表1 铁涂氧粉末的磁吸收测量数据（前三个信号在 H_B 峰-峰值为 24×10^-3T 下获得，最后一个信号在 0.6×10^-3T 下获得）

2. 材料内部应力的非破坏性评估

应力是影响材料性能和结构安全的关键因素，而它对铁磁材料磁畴取向的影响，恰好为磁吸收检测提供了用武之地。这一效应基于材料的磁致伸缩特性。

• 正磁致伸缩材料（如多数铁基合金）：当施加张应力时，磁畴倾向于沿着应力方向重新排列（见 图5）。
• 负磁致伸缩材料（如镍）：施加张应力则会促使磁畴转向与应力垂直的方向。

图5 外加磁场和张应力对磁畴取向的影响示意图

这种由应力驱动的磁畴重排，直接改变了材料对磁场的响应，从而显著影响磁吸收信号的幅度和波形。其规律性表现为（如 图6 所示）：

1. 当偏磁场 H_B 平行于应力方向时：
   • 对于正磁致伸缩材料，张力越大，信号幅度越大；压力越大，幅度越小。
   • 对于负磁致伸缩材料，张力越大，信号幅度越小；压力越大，幅度越大。
2. 当偏磁场 H_B 垂直于应力方向时，上述关系完全相反。

图6 磁吸收信号幅度与应力的关系（偏磁场与应力方向平行）

这种明确的对应关系，使得通过测量磁吸收信号的变化来定量评估材料内部的残余应力或服役应力成为可能。测量时，可根据被测件的形态设计不同的探头配置，如 图7 所示的金属线测量装置和 图8 所示的条棒试样测量装置。甚至，通过在非铁磁材料表面制备一层铁磁薄膜，还可以间接测量基底的表面应力，极大地拓展了其应用范围。

图7 用于测量金属线磁吸收信号的实验配置

图8 在弯曲钢条上进行平行与垂直磁吸收测量的探头配置

要精确解析应力与磁吸收信号之间的复杂关系，并有效排除材料本身磁滞等干扰因素，需要深厚的理论知识和精密的实验控制。这正是专业检测实验室的核心价值所在。 精工博研测试技术（河南）有限公司（原郑州三磨所国家磨料磨具质量检验检测中心），央企，国字头检测机构，专业的权威第三方检测机构，专业检测材料应力检测，可靠准确。欢迎沟通交流，电话19939716636