基于电容体积层析成像技术的木材水分三维动态监测及裂纹影响机制研究

为解决木材耐久性研究中水分分布监测难题，研究人员开发了28电极钟形ECVT（电容体积层析成像）系统，结合介质替代校准法实现了木材内部三维水分分布的±2.4%精度测量，揭示了裂纹对水分渗透的优先通道效应，为木材劣化机制研究提供了新方法。

　　

木材作为天然可再生材料，其耐久性直接关系到建筑、文物等领域的长期保存。然而，木材的"天敌"——水分渗透引发的物理变形和生物降解（如真菌侵蚀）始终是行业痛点。传统核磁共振(NMR)和CT技术虽能精准监测水分，但高昂成本限制了大规模应用；近红外(NIR)又难以穿透深层组织。更棘手的是，木材生长轮和裂纹形成的非均匀结构，使得水分分布呈现复杂三维特征，现有技术难以实现高精度动态追踪。

针对这一系列挑战，国家自然科学基金支持的研究团队创新性地将电气工程领域的电容体积层析成像(ECVT)技术引入木材科学。这项发表于《Computers and Electronics in Agriculture》的研究，设计出钟形28电极传感器阵列，通过介质替代校准法攻克了木材非均质性导致的标定难题，首次实现木材内部水分三维动态可视化的同时，定量揭示了裂纹对水分渗透的"高速公路"效应。

关键技术包括：1）开发钟形28电极ECVT传感器优化关键区域成像精度；2）基于介质替代原理建立灰度-含水量(MC)定量关系；3）采用杉木样本（10 cm×10 cm×15 cm）开展开裂/未开裂对比实验；4）通过烘箱干燥法验证ECVT测量误差仅±2.4%。

【ECVT成像验证】
通过球形物体模拟实验证实，系统在187,500像素的三维重建中能准确定位2 mm精度目标，为后续木材水分追踪奠定技术基础。

【水分渗透机制】
对比实验显示：裂纹样本的水分渗透速率较完整样本快3.2倍，水分沿裂纹形成明显优先路径；生长轮结构导致水分呈现层状扩散特征，早材区域含水量比晚材高18.7%。

【校准方法创新】
提出的介质替代校准法将整体误差控制在1.68%，解决了木材密度不均导致的传统校准失效问题，建立的MC-灰度模型R²达0.96。

该研究不仅为木材耐久性评估提供了革命性的三维检测工具，其介质替代校准策略更可推广至其他非均匀材料检测领域。值得注意的是，ECVT系统在监测真菌易感区域（MC>20%阈值区）方面展现出独特优势，这对文物保护中的生物降解预警具有重要价值。研究团队特别指出，未来可结合¹H NMR技术进一步验证水分状态（自由水/结合水）分布，为木材劣变机制研究开辟新维度。