红外热像技术在服装热舒适性中的应用

[摘要]本文阐述了红外检测的机理，以及红外热像技术应用于服装热舒适性的原理，通过实验介绍了具体应用方法。综述了其在服装热舒适性上的应用，说明它是判断服装热舒适性能的重要工具之一。 [关键词]红外热像仪；服装；热舒适性；热阻 1 服装热舒适性的基本指标和测试方法 早在20世纪50年代，生理学家对服装的舒适性进行了研究，认为在人体——服装——环境这一系统中，人体必须保持恒常的体温，当外界环境条件改变时，人体可以通过改变自己的热、湿条件进行调节，保持人体与环境的热、湿平衡。但是人体的生理调节范围是很窄的，当外界气候条件的变化超出生理调节范围时，着装就成为必要的生理调节手段。服装的功能也就体现在在各种气候和生理条件下，在人体和环境之间起导热和热阻作用，保证人体的热、湿条件处在人体生理调节范围之内。人体散热有时是处于有汗的条件下进行，这时服装的湿传递性能比较重要，即服装的湿阻；有时是处于无汗的条件下进行热传递，这时服装的热阻是判断服装舒适性能的重要指标。其导热作用是人体向周围环境散热或从周围环境中得到热量的主要途径。对于热传导，21，直接可用傅里叶导热定律推出，通过单位面积（m2）、单位时间（h）的导热量，即热流量q为： q＝Q／Ａt＝λ△T/d＝△Tλ/d 即R=△T/q 式中：q—织物的热流量（J／m²•h） Q—织物的导热量（J） At—织物导热面积与传热时间的乘积（m²•h） λ—导热系数（J／m•h℃） △T—织物内外表面温度差（℃） d—织物的厚度（m） R=d／λ，称为热阻（℃•m²•h／J）或（℃•m²/W） 隔热性与导热是同一事物传递性的互补描述方法。织物的热传递性能是影响服装隔热性能的主要因素，其测试方法较多，例如恒温法、冷却速率法、平板法等等。在下文中，我们把以上的仪器统称为测温仪。在服装的热传递性能的研究中，通过温度测温仪来测定服装的热阻，用热阻的大小来判断织物的隔热性能是常用的方法。 服装材料和服装的隔热特性，就是在有温度梯度的情况下，防止从温度高的一面向温度低的一面传热，因此在以上的实验中，根据热阻R=△T/q，用仪器测量其两面的温度差和传热量，就可以求出热租。从以上的实验中我们可以看出，在进行实验以及数据的研究中，测温仪有以下致命缺点：对温度测量而言，我们无法得到准确的表面温度，更不要说截取到最高温度；而且因为有空气层、对流的问题，我们也无法精确的测量通过单位面积（m²）、单位时间（h）的导热量，即热流量q，因此得出的数据有其缺陷性。还有其它缺陷如对温度的测量都是稳定状态下一个固定单一的研究，是点的片面的判断，从而产生了许多限制或者数据的不全面；不能全部测试表面温度，更不要说截取最到温度；在测发热值时很难确定，因此热阻的结果有不稳定性；仪器拍摄不是很灵活，受各种条件限制；对数据的处理全凭实验者自己的计算。针对热阻测量中的这些不足，我们可以尝试用红外测温技术来弥补以上的缺点。因此，我们引入一种新型的技术，即红外热像技术。 2 红外检测机理 红外线是一种电磁波，具有与无线电波及可见光一样的本质。红外线辐射是自然界存在的一种最为广泛的电磁波辐射，它是基于任何物体在常规环境下都会产生的自身的分子和原子无规则的运动，并不停地辐射出热红外能量，分子和原子的运动愈剧烈，辐射的能量愈大，反之，辐射的能量愈小。一切温度高于绝对零度的物体都在不停地向周围空间发出红外辐射能量。物体的红外辐射能量的大小及其波长的分布与它的表面温度有着十分密切的关系。因此，通过对物体自身辐射的红外能量的测量，便能准确地测定它的表面温度，这就是红外辐射测温所依据的客观基础。 红外热像仪主要分为扫描型和非扫描型、制冷型和非制冷型等，见图1。笔者采用的是DL—700C红外热像仪，见图2，它具有所有红外热像仪本身具有的优点： 2.1 精确的温度测量和高清晰度的图像质量，快速、易于使用。便于操作的按键及操纵杆能控制热像仪的所有功能。通过一个按键就能实现自动聚焦、冻结和储存图像。 2.2 屏幕能连续提供热像仪各种功能的状态信息，包括电池使用状态、可存储能力和通讯状态等信息。 2.3方便的图像存储。存储全屏幕数据的格式文件，将这些图像存储到可移动的闪存卡上，并设有数字连接。 2.4自动的报告生成功能。全屏数据的红外热图能简易地下载和集成到新版软件中，使用户可非常简单地创建出专业的检测报告。 3 红外热像技术在服装热舒适性的应用 红外热像仪将物体表面的红外热谱图以高清晰度、高灵敏度的伪彩图象方式展现出来，通过分析服装表面温度场来探索服装的隔热能力。而且红外热像仪可将图象和语音存储起来，用于存档以及计算机分析之用，满足了服装行业对物体表面温度场的分析。服装各部位对应的红外辐射强度不同，亦即对应的表面温度不同。如果将物体每一点的温度记录下来，形成场分布图像，就可以明显看出其分布图象，并通过软件进行处理。 用红外热像仪扫描紧贴皮肤表面面料的温度，这样面料与皮肤之间没有空气层了，可以把面料和皮肤表面空气层的影响因素降到最低。把扫描温度图象显示以后，截取最高温度值，因为同一面料，最高温度代表面料与皮肤表面越服帖的地方，最能表现织物的性能；不同面料，只有截取最高温度，才能进行最有效的对比。用红外判断织物隔热性的原理是用红外扫描紧贴皮肤表面的面料温度，选择最高温度值作为标准，用最高温度减去裸体皮肤表面平均温度的差值进行比较，即△T=Ts—Tcl（Ts代表皮肤温度，Tcl代表服装表面温度）。△T越大，隔热值越小，导热性能越好；反之，△T越小，隔热值越大，导热性能越差。如图3。 4 红外热像仪应用于服装的实验操作 下面我们来介绍如何用红外热像仪器来进行面料的隔热性能实验。图4为实验进行的检测条件。图5为进行实验的八种面料。如下图所示。 上面八种面料分别对应如表1： 在恒温恒湿条件下，将八种面料做成袖套形式的织物覆盖于手臂上，待织物表面温度稳定后，用红外摄像仪分析比较织物表面温度的变化。之所以做成袖套形式的织物覆盖于人体是因为袖子覆贴性比较好，测试的温度比较准确；也降低实验的难度，用于面料性能测试比较快捷。实验步骤如下： 4.1 首先用红外摄像仪拍摄一张裸臂的图片（图6），接着把图片导人电脑，用红外图像处理软件分析裸臂表面皮肤温度：选取裸臂皮肤表面的一块区域，用红外图像处理软件分析选取区域中的最高温度值Ts； 4.2 把待测织物做成袖子的形式覆盖于手臂上面，待织物表面温度稳定后，用红外摄像仪拍摄图片（图7），把图片导人电脑，用红外图像处理软件分析覆盖于皮肤上面的织物表面温度：选取织物紧贴于皮肤表面的区域，用红外摄像仪分析所选区域中最高的温度值Tcl； 根据红外判断织物隔热性的原理△T=Ts-Tcl得出下列数据见（表2）： 通过分析上述图表可得织物的隔热性比较。E100%尼龙>D40%尼龙／60％天丝＞B35%粘胶／65%天丝＞A40%粘胶／60%天丝＞F100%涤纶＞C45%涤纶／55%天丝＞H100%棉＞G100%粘胶 5 结论 红外热像技术和温度测温仪比较，有不可比拟的优点： 5.1 红外热像可以扫描服装表面温度；而且可以得出表面温度的温度场图象，整体判断温度分布情况，清楚判断服装各个部位隔热大小，对夏季服装尤其有效． 5.2 红外热像可通过直接扫描最紧贴皮肤部位的最高温度来比较服装的热阻大小，判断服装的热阻大小。 5.3 红外热像拍摄灵活，对实验条件要求低。 5.4 红外热像扫描数据丰富，可对任何部位进行精确的扫描。 5.5 红外热像对数据的处理软件丰富，有区域内最低温度、最高温度、平均温度的方法来进行测量，也可采用多点测温、区域测温、线测温等等。 通过理论分析和实际检测证明，虽然红外与透湿之间还没有建立关系，但从热阻方面来说，应用红外热像技术对服装进行实验，并用计算机技术对其进行科学分析是一种行之有效的方法。 由于红外的发展，红外的应用越来越广泛，例如我们对羽绒服内部羽绒的测试，可以了解人体服装舒适各部位的差异等等，使它在服装行业可以得到更广泛的应用。随着红外热像技术的不断提高，拍摄的具体数据处理的更加合理化，它可以在服装上获得更多新的应用。