《Journal of Cultural Heritage》：Multi-frequency capacitive sensing with classification-compensated gaussian process regression for in-situ moisture content detection in wooden cultural heritage
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•用于木质文化遗产湿度监测的原位多频率电容传感技术。•CC-GPR技术能够通过多频率响应准确估计湿度。•跨频率融合和纹理补偿提高了各向异性的抗噪性。•现场测试验证了该技术的稳定性，其信噪比（SNR）优于红外热成像技术。引言木材是许多联合国教科文组织世界遗产遗址的主要结构和装饰材料
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用于木质文化遗产湿度监测的原位多频率电容传感技术。
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CC-GPR技术能够通过多频率响应准确估计湿度。
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跨频率融合和纹理补偿提高了各向异性的抗噪性。
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现场测试验证了该技术的稳定性，其信噪比（SNR）优于红外热成像技术。
引言
木材是许多联合国教科文组织世界遗产遗址的主要结构和装饰材料，但其木质纤维素结构使其对环境湿度非常敏感。湿度（MC）直接影响木材的尺寸稳定性和生物降解风险。安全的保护阈值通常在5%到12.5%之间[1]，而当湿度超过纤维饱和点（FSP）约30%到40%时，真菌腐蚀的风险会显著增加[2]。实际上，由于凝结效应，历史木材中的湿度可能超过45%[3]。因此，为了有效预防木质文化遗产（WCH）的损坏，需要在涵盖机械损伤和生物风险阈值的广泛范围内进行准确监测。尽管直接测量方法（如重量分析）可以提供高精度的湿度测量结果，但其破坏性限制了这些方法在不可移动文化遗产中的应用[4]。因此，无损检测和评估（NDT&E）技术变得至关重要，包括电阻法、微波法、红外热成像（IRT）、探地雷达和电容法，这些方法将在表1中总结。电阻法成本低廉且操作简单，但受纤维饱和点限制，并受表面条件影响[5]。微波技术具有深度穿透能力和高介电灵敏度，误差低于7%，但需要复杂的设备，如矢量网络分析仪和波导[[6]、[7]、[8]、[9]]。红外热成像可以快速进行全场湿度测绘，但受限于浅层穿透和对热激发的需求[10,11]。探地雷达能够感知地下电磁变化，但成本较高，且操作和解释需要专业知识[12]。
这些局限性促使人们开发出无损、便携且可靠的原位技术。电容传感作为一种可行的替代方案，具有非接触式操作、低成本和快速响应的特点[5,14]。该方法基于边缘电场与木材的相互作用，由于水和干燥木材成分之间的强介电对比，木材的有效介电常数会随湿度增加而增加[[13]、[16]、[17]]。早期的平行板配置显示了强烈的电容–湿度相关性，但需要双面接触，这限制了其在文化遗产中的应用[18]。共面电极的引入使得单面测量成为可能，单频率（1 kHz、200 kHz）的应用证明了其可行性[19,20]。为了克服单频率激励的局限，后续研究探索了多频率方法：Lev等人[21]应用了六种频率的线性回归，而D'Alvia等人[17]使用十种频率的平均介电常数构建了校准模型。最近，Zhang等人[22]将机器学习（ML）引入多频率传感，实现了高预测精度，代表了当前的技术水平。
尽管取得了进展，但仍存在三个系统性缺陷。首先，多频率介电信息尚未得到充分利用。Lev等人[21]中的线性回归难以捕捉非线性的湿度-电容关系，而D'Alvia等人[17]中的标量平均方法去除了编码关键介电特征的低频差异信息；同样，Zhang等人[22]中选择的两个频率缺乏物理依据，并忽略了中间频谱信息。其次，木材纹理各向异性是系统误差的主要来源，D’Alvia等人[23]通过被动几何设计减轻了这种影响，但未提出主动的算法补偿方法。第三，现有的电容湿度传感研究仅限于实验室环境[[17]、[18]、[19]、[20]、[21]、[22]、[23]，其在受电磁噪声和气候变化影响的遗产环境中的实际应用尚未得到验证。
本研究旨在通过提出一种多频率共面电容传感方法并与分类补偿高斯过程回归（CC-GPR）框架集成来解决这些研究空白。该系统使用有限元优化的共面探头在100 kHz～8 MHz范围内采集八通道介电信号。基于随机森林（RF）的纹理分类器将频率差异响应转换为概率性的纹理方向估计，然后通过自适应补偿模块将原始电容向量标准化为方向不变的形式，再进行基于高斯过程回归（GPR）的湿度反演。该框架通过在7%～60%湿度范围内对泡桐样本进行的受控实验室实验、多种算法的全面比较以及在惠州风格建筑结构中的连续现场测试进行了验证，同时使用红外热成像作为独立参考。本研究的主要贡献如下。
(1) 首次将共面电容传感技术应用于木质文化遗产的原位湿度检测，并在真实的遗产遗址进行了现场部署和定量验证。
(2) GPR模型自动学习每个频率的贡献权重，消除了手动频率选择的需要，并充分利用了多频率间的互补介电信息。
章节摘录
研究目的
本研究旨在通过克服现有最先进方法的局限性来改进木质文化遗产（WCH）的无损湿度评估，特别是它们对木材纹理各向异性的敏感性和现场应用的可靠性问题。湿度对WCH的稳定性和降解有着至关重要影响，但现有技术往往在准确性、侵入性和实用性之间难以取舍。本研究开发了一个结合多频率介电测量和数据驱动建模的稳健框架，以增强
材料与方法
准确的湿度评估是WCH保护决策的基础，因为它直接关系到风险评估和干预策略。本节介绍了模拟和实验研究中使用的材料和方法。这一框架建立了理论建模与实际遗产测量的可靠桥梁。
多频率模拟用于湿度估计
图4显示了在多频率激励下输出电容随湿度变化的情况。输出电容明显依赖于水分含量，证明了优化传感器结构的灵敏度。
图4(a)展示了整个频率范围内等效电容与湿度之间的关系。在所有频率下，电容随湿度升高而单调增加，证实了这一现象的普遍性
讨论
通过有限元模拟优化了共面电极的几何形状和边缘场分布（图1），因为仅理论优化不足以准确描述现场情况。在此基础上，引入了多频率操作以提高湿度传感能力。Zhang等人[33]证明，基于微波的多频率融合能够提供比单频率或双频率更丰富的介电信息
结论
本研究通过开发一个多频率共面框架并与CC-GPR算法集成，解决了电容湿度传感中频率限制导致的精度问题，实现了WCH中稳健且无损的湿度检测。主要结论如下。
(1) 有限元优化的传感器在7%–60%的湿度范围内实现了信号强度、穿透深度和灵敏度的平衡组合。
Jiaoyang Li|Tianyu Tan|Guanyu Piao
