紅外熱像用于服裝表面溫度與衣下空氣層厚度的測量

上官形形,陳益松，王秀娟, 鄒　磊

(1. 東華大學a. 服裝與藝術(shù)設(shè)計學院；b. 現(xiàn)代服裝設(shè)計與技術(shù)教育部重點實驗室，上海 200051；2. 航宇救生裝備有限公司，湖北 襄陽 441003)

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紅外熱像用于服裝表面溫度與衣下空氣層厚度的測量

上官形形1a, 1b,陳益松1a, 1b，王秀娟2, 鄒磊2

(1. 東華大學a. 服裝與藝術(shù)設(shè)計學院；b. 現(xiàn)代服裝設(shè)計與技術(shù)教育部重點實驗室，上海 200051；2. 航宇救生裝備有限公司，湖北 襄陽 441003)

摘要：服裝表面溫度和衣下空氣層厚度是研究服裝穿著舒適性的重要參數(shù).基于面料紅外發(fā)射率的測定，校準了由紅外熱像測得的服裝表面溫度.考慮衣下空氣層的存在，修正了人體-服裝-環(huán)境系統(tǒng)的傳熱模型，同時基于面料的熱阻測量值，提出了由紅外熱像測量靜態(tài)衣下空氣層厚度的估算算法.通過對人體服裝穿著狀態(tài)下的正面和背面紅外熱像拍攝，由服裝外表面的溫度場，計算了服裝覆蓋下的人體表面溫度，估算了可測區(qū)域內(nèi)典型空氣層厚度，當空氣層厚度較小時，測算值與觀測值基本相符.

關(guān)鍵詞：紅外熱像； 服裝表面溫度； 隔熱性； 衣下空氣層

服裝穿著于人體，服裝與皮膚之間有緊貼與不緊貼區(qū)域.服裝不緊貼皮膚區(qū)域存在衣下空氣層.衣下空氣層的存在影響人體通過服裝向環(huán)境的散熱濕能力，是影響服裝系統(tǒng)的熱濕舒適性的重要因素.文獻[1]利用紅外熱像儀測得緊貼皮膚部位的服裝面料的溫度來比較服裝面料熱阻的相對大小.該方法相對于傳統(tǒng)熱阻測量而言簡單直接，但文中假定了織物的紅外發(fā)射率均為0.84，未考慮不同紅外發(fā)射率對紅外熱像儀測定表面溫度的影響.實際上，織物的纖維材料、表面結(jié)構(gòu)、整理涂層等因素都對織物紅外發(fā)射率有影響[2-4].另外，該方法雖指出衣下空氣層可看作服裝的一部分，但沒有給出詳細的論述.文獻[5]利用三維人體掃描儀獲得裸體假人與著裝假人的點云數(shù)據(jù)，通過逆向工程軟件Geomagic建立人體表面模型與著裝表面模型，兩個表面模型之間的間隙可認為是衣下空氣層.該方法雖然能得到衣下空氣層較精確的分布，但該測量操作繁復，同時對穿著的服裝也有特別的要求，需能夠被掃描儀所掃描，且易出現(xiàn)數(shù)據(jù)不連續(xù)、需補破洞等問題.

在文獻[1]的基礎(chǔ)上，本文在測得服裝面料紅外發(fā)射率的數(shù)據(jù)后[3-4]，對通過紅外熱像測得的服裝表面輻射溫度進行修正從而得到其實際溫度.同時，提出了以紅外熱像為基礎(chǔ)的衣下空氣層厚度的估算公式，使衣下空氣層厚度的測量更加簡單直觀.

1紅外熱像技術(shù)測溫機制

一切溫度高于絕對零度的物體都在以電磁波的形式向外輻射能量.物體表面溫度與物體的紅外輻射能量、波長有密切關(guān)系[6].因此，通過對物體自身輻射的紅外能量的測算，便能準確地測定它的表面溫度.但實際上，物體的紅外發(fā)射率因紅外波長和溫度的不同而不同，對于物理學上定義的具有漫反射特性的灰體，在溫度變化范圍不大時，其紅外發(fā)射率等于其對外界紅外輻射的吸收率，與波長和溫度無關(guān).具有漫反射特性的紡織面料屬于灰體范疇，所以，織物的紅外發(fā)射率可以認為是常數(shù).

紅外熱像儀依靠接收的熱輻射能量進行溫度測量.但是進入鏡頭的能量不僅包括被測物體表面發(fā)射的紅外輻射能量，還包括部分反射環(huán)境的紅外輻射能量以及物體與熱像儀之間的空氣本身的熱輻射能量.在實驗室近距離對灰體進行測量過程中，物體和紅外熱像儀之間的空氣輻射可以忽略，因此紅外熱像儀所接收到的物體表面的紅外輻射力(Er，W/m2)[7]可表示為

(1)

其中：σ為史蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)，(5.669 7±0.000 29)×10-8W/(m2·K4)；T為物體表面的實際溫度，K；ε為物體的紅外發(fā)射率；ρ為物體的紅外反射率，當物體是不透明灰體時，ρ=1-α=1-ε，α為物體的紅外吸收率；n為指數(shù)，對于窗口為8～14 μm波段的紅外傳感器，n近似為4；Ta為外環(huán)境空氣層溫度，K.

多數(shù)利用紅外進行測溫的物體其紅外發(fā)射率為0.80～1.00[8]，實際應(yīng)用中絕大多數(shù)制造商直接設(shè)定紅外發(fā)射率為一個固定值(如0.95)來設(shè)計制造紅外測溫儀器.通過理論可知必須根據(jù)物體真實的紅外發(fā)射率修正才可以得到物體表面的實際溫度.對某一特定物體，紅外輻射力Er一定，由式(1)得出：

(2)

(3)

其中：Tr為紅外熱像儀測得的物體表面的輻射溫度，K；εc為紅外熱像儀默認設(shè)置的紅外發(fā)射率.

通過式(3)，就可以根據(jù)服裝面料的紅外發(fā)射率修正紅外熱像儀測定的溫度，從而考慮了服裝面料紅外發(fā)射率不同對測溫準確性的影響.

2衣下空氣層厚度紅外測量原理

文獻[1]就服裝緊貼皮膚的前提下，提出紅外熱像用于服裝面料隔熱性能的評測方法，簡單直接地比較了服裝的隔熱性能.但緊貼皮膚部位的服裝區(qū)域有限，衣下空氣層的存在影響人體通過服裝系統(tǒng)向環(huán)境的散熱量，影響服裝面料的隔熱性.圖1為考慮空氣層后的人體-服裝-環(huán)境系統(tǒng)散熱模型.

Tc—人體內(nèi)部溫度,K；Ts—人體表面溫度,K；Td—服裝內(nèi)表面溫度,K；Tb—服裝外表面溫度,K；Ta—外環(huán)境空氣層溫度,K圖1　人體-服裝-環(huán)境系統(tǒng)散熱模型Fig.1　Heat transfer mode of human-clothing-environment system

文獻[1]的公式可修正為

(4)

(5)

其中：q為通過單位面積的熱功率，W/m2；Rc，Rd，Rb，Ra分別為人體的熱阻、衣下空氣層的熱阻、服裝面料的熱阻、外環(huán)境空氣層的熱阻，K·m2/W.

由于面料和空氣層厚度相對于服裝表面積而言較小，通過服裝的熱流可近似認為是垂直于服裝表面法線方向.人體內(nèi)部溫度Tc、人體的熱阻Rc、外環(huán)境空氣層溫度Ta、外環(huán)境空氣層的熱阻Ra可以認為是恒定的.服裝面料外表面溫度Tb升高，由式(5)可知，q增加，Ts減小，Rb+Rd減小，對于同一件服裝而言，服裝的熱阻Rb也是一個常數(shù)，所以Rd減小，即衣下空氣層的熱阻下降.在衣下空氣層厚度范圍不大的情況下，Rd與衣下空氣層厚度呈正相關(guān)，Rd減小，則說明衣下空氣層變薄.通過以上的方法，就可以比較衣下空氣層的相對大小.

考慮到面料熱阻測量的方式，式(4)和(5)的熱阻在形式上近似等同于均質(zhì)導熱物體的熱阻，對于均質(zhì)物體，其導熱公式為

(6)

其中：λ為物體的導熱系數(shù)，W/(m·K)；d為物體的厚度，m；ΔT為物體兩面的溫度差，K.

假設(shè)衣下空氣層是靜止的均勻空氣層，根據(jù)導熱系數(shù)和熱阻的定義得到：

(7)

(8)

(9)

其中：dj為衣下空氣層的厚度，m；qc為恒溫恒濕條件下人體舒適的基礎(chǔ)干散熱量，W/m2；λj為靜止空氣層的導熱系數(shù)，0.027 W/(m·K).考慮到服裝外表面空氣為靜態(tài)空氣層，Rb應(yīng)按GB/T11048—2008中的B法來測量.

對于同一件服裝而言，服裝面料的熱阻Rb、靜止空氣層的導熱系數(shù)是一個常數(shù).在掌握恒溫恒濕條件下人體舒適的基礎(chǔ)干散熱量qc、人體表面溫度Ts的基礎(chǔ)上，只要得到服裝實際外表面溫度Tb，根據(jù)式(9)，就可以得到衣下空氣層的厚度.

3服裝面料的紅外評測試驗

試驗在溫度為(22±0.5)℃和相對濕度為(65±3)%的恒溫恒濕室內(nèi)進行.用紅外熱像儀對著裝人體進行表面溫度場的拍攝，簡單示意圖如圖2所示.由于人體是一個不規(guī)則的曲面，紅外熱像儀拍攝角度難以和人體曲面上每個表面法向相一致，此時紅外熱像儀不是正對著背部拍攝，而與背部法向存在一定的偏離角度β.文獻[9]通過理論分析和試驗論證表明曲率對測溫結(jié)果無影響，由于其理論分析模型是一個簡化模型，無法真實反映紅外測溫機理，結(jié)果有局限性.文獻[10]論證了偏離角度β≤60°時，角度變化對紅外測溫結(jié)果基本沒有影響；當偏離角度β>60°時，紅外測得溫度偏離實際溫度(小于實際溫度)，角度越大，測溫偏差越大.因此在試驗過程中，保證紅外拍攝角度垂直于人體前胸和后背中央，確保中央?yún)^(qū)域的準確測量.

圖2　紅外熱像拍攝示意圖Fig.2　Shooting diagram of infrared thermography

將經(jīng)密為270根/10 cm、緯密為300根/10 cm、面密度為0.012 3 g/cm2、厚度為0.53 mm、顏色為紅色、紅外發(fā)射率為0.81、熱阻為0.011 4 K·m2/W的機織純棉面料制作成服裝.人體著裝后，用Mikronscan 7604 PRO非制冷型紅外熱像儀觀察服裝正面和背面的服裝表面溫度，待服裝表面溫度穩(wěn)定后，分別拍攝正面、背面的紅外熱像圖，如圖3所示.

(a) 正面　(b) 背面

通過紅外圖像處理軟件MikroSpec 4.0分析服裝表面溫度及衣下空氣層的分布情況.由于人體構(gòu)造復雜，各部分皮膚表面溫度特別是四肢與軀干部分相比有明顯差異，但軀干部分是人體的核心區(qū)域，表面溫度相對均勻，同時，軀干部分也是人體對溫度場最敏感的區(qū)域.因此以人體軀干的胸部和背部作為重點研究區(qū)域.圖3表明，表面溫度高的正面胸部和背面肩胛骨部位與服裝緊貼，與文獻[11]中緊貼部位的劃分一致.為了便于討論，將圖像中的熱場分布大致劃分為6個溫度區(qū)域：Ⅰ皮膚暴露區(qū)域、Ⅱ服裝與皮膚緊貼區(qū)域、Ⅲ少量空氣層區(qū)域、Ⅳ空氣層增多區(qū)域、Ⅴ大量空氣層區(qū)域及VI軀干外區(qū)域.必須指出，服裝表面的溫度場是連續(xù)變化的，本文的劃分僅為方便討論.

選取了5個區(qū)域(VI不作為正常測量區(qū)域)著裝狀態(tài)下正面及背面共11個測量點.根據(jù)式(3)可知，服裝實際外表面溫度Tb與其表面輻射溫度正相關(guān).所以只需要比較上述紅外熱像儀測得的11個點的表面輻射溫度，就能根據(jù)式(5)直接比較11個點處的衣下空氣層厚度的相對大小，而通過式(9)可計算衣下空氣層厚度的具體值.本試驗采用的非制冷型紅外熱像儀紅外發(fā)射率的默認值εc設(shè)定值為0.98.在已知面料紅外發(fā)射率的數(shù)據(jù)后，每個點的實際表面溫度Tb的具體數(shù)值可由式(3)計算得到.查閱文獻[12]可知，22℃下成年男子靜坐時，顯熱量為78 W，站立顯熱量為靜坐的1.2倍.因此22℃站立狀態(tài)下，成年男子的基礎(chǔ)干散熱量qc為50.3 W/m2.由于式(9)的計算中，在著裝情況和暴露于空氣中的人體表溫度是不同的，所以通過緊貼皮膚區(qū)域中空氣層的厚度dj=0反算出Ts=307.35 K(34.2℃).在掌握人體表面溫度Ts的具體數(shù)據(jù)后，根據(jù)式(9)計算各點的空氣層厚度.拍攝現(xiàn)場所測相應(yīng)各點空氣層厚度的數(shù)據(jù)作為觀測值. 計算值與觀測值如表1所示.

表1　試驗數(shù)據(jù)及測量結(jié)果

(續(xù)　表)

注：由于人體皮膚紅外發(fā)射率為0.98，因此Ⅰ區(qū)域溫度不必修正.

由表1可知，當空氣層厚度較小時，其測算值與觀測值較接近；當空氣層厚度較大時，其測算值小于觀測值，且空氣層厚度越大，偏差也越大.衣下空氣層厚度測算值與實際觀測結(jié)果雖有偏離，但基本趨勢一致.兩者的差異分析有4個原因：(1)由于測算值的計算方法是基于理想狀態(tài)的絕對靜態(tài)空氣，但實際上靜態(tài)空氣只是一種相對狀態(tài)，由于人體作為熱源對衣下空氣的加熱作用形成的微流動和弱對流現(xiàn)象，而僅按照靜態(tài)空氣層導熱系數(shù)的測算值并不精確.(2)從裸態(tài)的人體熱像圖可知，人體皮膚溫度分布并不完全一致，試驗中通過空氣層厚度為0，反推得到的人體表面溫度是一個估算值.(3)文獻[9]中對金屬試驗所得60°的偏離角度的臨界值對人體服裝表面測溫并不適用.實際觀察發(fā)現(xiàn)人體服裝表面測溫時，當偏離角度β大于30°時，偏離角度變化對紅外測得的服裝表面溫度(小于實際溫度)有影響，偏離角度越大，測溫偏差越大，總體趨勢與文獻[10]研究結(jié)果一致.(4)面料熱阻測量應(yīng)綜合考慮熱傳導、熱對流和熱輻射的影響，而GB/T 11048—2008《紡織品 生理舒適性穩(wěn)態(tài)條件下熱阻和濕阻的測定》卻忽略了對流和輻射的部分.因此在后續(xù)的研究中需要進一步考慮空氣導熱和對流聯(lián)合作用、人體表面溫度的準確測量、人體表面傾斜率對紅外測溫的準確性的影響、空氣層內(nèi)部輻射對面料熱阻的影響及進行相應(yīng)的校正.服裝邊緣VI區(qū)的人體曲面的法向和紅外熱像儀拍攝方向的偏離角度β大于30°，脫離了人體正常輻射可測區(qū)域，為無效測量區(qū).

4結(jié)語

本文基于服裝面料紅外發(fā)射率的測定，校準了由紅外熱像測得的服裝表面溫度，提高紅外熱像技術(shù)測溫的準確性.考慮衣下空氣層的存在，修正了人體-服裝-環(huán)境系統(tǒng)的傳熱模型，基于面料的熱阻測量值，提出了由紅外熱像測量靜態(tài)衣下空氣層厚度的估算算法.通過對一種面料制成的服裝進行人體著裝紅外熱場拍攝試驗，分別拍攝正面和背面的紅

外熱像圖，同時實測對應(yīng)測量點的衣下空氣層厚度值.將所拍熱像圖的服裝外表面的溫度場依據(jù)衣下空氣層的不同劃分為6個區(qū)域，并估算了服裝覆蓋下的人體表面溫度及可測區(qū)域的典型空氣層厚度.當空氣層厚度較小時，其測算值與觀測值相符；當空氣層厚度增大時，其測算值逐漸偏離觀測值(小于觀測值)，且空氣層厚度越大，偏差也越大.雖然衣下空氣層厚度測算值與實際觀測結(jié)果有偏離，但基本趨勢一致.本文所述方法簡單易行，為后續(xù)研究提供了理論依據(jù)和研究基礎(chǔ)，同時擴展了紅外熱像技術(shù)在服裝舒適性領(lǐng)域的應(yīng)用范圍.

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文章編號：1671-0444(2016)03-0386-04

收稿日期：2015-05-18

作者簡介：上官形形(1991—)，女，浙江溫州人，碩士研究生，研究方向為服裝舒適性.E-mail:sgxx_616@163.com 陳益松(聯(lián)系人)，男，教授，E-mail:cys@dhu.edu.cn

中圖分類號：TS 943.79

文獻標志碼：A

Measurement of Thickness of Air Layer under Clothing and Clothing Surface Temperature by Infrared Thermography

SHANGGUANXing-xing1a, 1b,CHENYi-song1a, 1b,WANGXiu-juan2,ZOULei2

(a. Fashion and Art Design Institute; b. Key Laboratory of Clothing Design and Technology,Ministry of Education, 1. Donghua University,Shanghai 200051, China;2. Hangyu Lifesaving Equipment Co. Ltd.， Xiangyang 441003, China)

Abstract:The clothing surface temperature and thickness of the air layer are important parameters on clothing wearing comfort study. Based on the determination of fabric emissivity, the clothing surface temperature measured by infrared thermography is corrected. Considering the existence of the air layer under clothing, the heat transfer model of the human-clothing-environment system is amended. At the same time, based on the measurement of fabric thermal resistance, the estimation algorithm of static air layer thickness under clothing using infrared thermography is put forward. The front and back infrared images under wearing are taken, and the body surface temperature is calculated under cover of clothing from the temperature field of the outer surface of the clothing. The typical thickness of air layer in the measurable area is estimated. When the thickness of air layer is thin, estimated results are consistent with the actual situation values.

Key words:infrared thermography； clothing surface temperature； insulation； air layer under clothing