紅外熱像儀在紡織服裝行業(yè)的應(yīng)用?

李 歡 李云紅 惠史科 李江波 劉珂良 鄭王璞 文玉培

（西安工程大學(xué)電子信息學(xué)院 西安 710048）

紅外熱像儀在紡織服裝行業(yè)的應(yīng)用?

李 歡 李云紅 惠史科 李江波 劉珂良 鄭王璞 文玉培

（西安工程大學(xué)電子信息學(xué)院 西安 710048）

針對紅外熱像儀進(jìn)行了紡織服裝行業(yè)應(yīng)用的綜述性介紹。研究涉及以下方面：1）搭建了紅外熱像測溫物理模型；2）基于紅外熱成像技術(shù)的碳纖維織物導(dǎo)熱性能研究，提出了一種碳纖維織物導(dǎo)熱性能評價的新方法；3）搭建了基于紅外熱像技術(shù)的服裝舒適性研究的測試平臺，進(jìn)行設(shè)定環(huán)境下的穿著實驗測量。研究表明：紅外熱像技術(shù)及計算機(jī)處理方法在紡織材料性能測試及服裝熱舒適研究中具有較高的實用價值，紅外熱像儀在紡織服裝領(lǐng)域具有廣泛的發(fā)展前景，為其他領(lǐng)域的研究也具有很好的借鑒意義。

紅外熱像儀；溫度測量；紡織；服裝；性能測試

1 引言

紅外熱像儀是一種通過光電轉(zhuǎn)換、電信號處理等手段，將目標(biāo)物體表面的溫度分布圖像轉(zhuǎn)換成視頻圖像的高科技產(chǎn)品。隨著紅外技術(shù)的不斷提升，使得紅外熱像儀在社會各個領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用，目前它正展現(xiàn)出極為廣闊的市場前景［1］。不斷發(fā)展中的紅外熱像儀已經(jīng)從軍用領(lǐng)域轉(zhuǎn)向民用領(lǐng)域，并發(fā)揮著其它產(chǎn)品難以替代的重要作用。在民用領(lǐng)域，紅外熱像儀被廣泛應(yīng)用于預(yù)防檢測、消防、制程控制、安防、汽車夜視、環(huán)境監(jiān)測、電力、建筑、石化以及醫(yī)療等領(lǐng)域。此外，隨著紅外熱像儀應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展，未來它將滲透到國民經(jīng)濟(jì)的各個領(lǐng)域?？梢灶A(yù)測，民用領(lǐng)域的紅外熱像儀市場極有可能呈現(xiàn)出爆發(fā)性增長，潛在的需求市場將高達(dá)上千億美元。

張輝等［2］進(jìn)行了8μm～14μm波段織物發(fā)射率測試與研究，結(jié)果表明，發(fā)射率指標(biāo)能夠表征不同材料織物的紅外輻射特性，發(fā)射率大小順序為錦綸織物＞滌綸織物＞毛織物＞棉織物＞化學(xué)鍍金屬織物。郝立才等［3～7］進(jìn)行了織物熱紅外偽裝性能測試評價技術(shù)研究，介紹了紅外偽裝織物的現(xiàn)有測試評價方法，對比闡述了量熱法、反射率法測試織物紅外發(fā)射率的原理及特點，以及基于熱成像探測能力的閾值條件和人工判讀評價織物偽裝性能的特點和缺陷，指明了現(xiàn)有熱紅外偽裝織物測試評價方法應(yīng)改進(jìn)和完善的方向。柯寶珠等［8～11］進(jìn)行了冬季針織保暖手套及服裝的熱舒適性研究，通過對保暖手套的溫?zé)崾孢m性物理指標(biāo)的測量，結(jié)合整體舒適性的主觀評價和生理實驗，為手套的溫?zé)崾孢m性評價提供可操作的預(yù)測與評價方法，提高一般手套熱濕舒適性預(yù)測與評價效率，指導(dǎo)企業(yè)設(shè)計與生產(chǎn)，給消費(fèi)者提供消費(fèi)參考依據(jù)。吳曉磊等［12］進(jìn)行了基于紅外熱像儀的棉花水分狀況診斷方法研究，結(jié)果表明：逆太陽光與冠層45°夾角獲取的CWSI與SWC、LWP和gs具有較好的相關(guān)性，是觀測冠層溫度的適宜方法；隨著距離的增大，冠層溫度會表現(xiàn)出衰減的現(xiàn)象，遠(yuǎn)距離的拍攝需要進(jìn)行必要的校準(zhǔn)工作；通過分析干濕參考表面溫度與冠層溫度之間的關(guān)系，提出了適合華北地區(qū)棉花水分脅迫指數(shù)的簡化計算模式。烏應(yīng)杰［13］進(jìn)行了服裝轟燃實驗冷卻階段表面溫度研究，結(jié)果表明：服裝表面溫度、織物厚度、衣下間隙、假人體表溫度以及熱防護(hù)性能之間存在相關(guān)的數(shù)值聯(lián)系，表明了燃燒結(jié)束后服裝表面溫度越低、織物厚度越大，衣下間隙越大，假人體表溫度就越低，服裝整體的熱防護(hù)性能就越好。

論文搭建了紅外熱像測溫物理模型，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了基于紅外熱成像技術(shù)的碳纖維織物導(dǎo)熱性能研究，通過碳纖維織物導(dǎo)熱性能評價新方法［20］；及紅外熱像技術(shù)的服裝舒適性的研究。為紅外熱像儀在紡織服裝領(lǐng)域應(yīng)用奠定了堅實的基礎(chǔ)，同時對將紅外熱像技術(shù)應(yīng)用在在電力系統(tǒng)及森林防火領(lǐng)域具有很好的借鑒意義。

2 紅外熱像測溫物理模型

紅外熱像儀測溫存在的主要問題是溫度并不是直接測量的，紅外探測器接收的輻射包括目標(biāo)自身的輻射、目標(biāo)對周圍環(huán)境的反射輻射，上述輻射經(jīng)過大氣衰減到達(dá)探測器，另外大氣本身也有透射輻射以及熱像儀內(nèi)部的輻射。

熱輻射原理圖如圖1所示。圖中ε為物體的發(fā)射率；τ為大氣透射率；Tobj為被測物體溫度；Tatm為大氣溫度；Tsur為環(huán)境溫度；被測物體的輻射能為 ετWobj；大氣輻射能為 (1-τ)Watm；周圍環(huán)境的反射輻射能為 (1-ε)τWsur。

圖1 熱輻射原理圖

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，其輻射能包括各種波長，其中波長范圍在0.76μm～1000μm之間的稱為紅外光波。紅外光具有很強(qiáng)的溫度效應(yīng)，這正是輻射測溫技術(shù)所感興趣的。紅外測溫技術(shù)的理論基礎(chǔ)是普朗克分布定律，該定律揭示了黑體輻射能量在不同溫度下按波長的分布規(guī)律，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

式中：Mλ為黑體光譜輻射通量密度，W?cm-2μm-1；c1稱 為 第 一 輻 射 常 數(shù) ，3.74138×10-12W?cm2；c2稱為第二輻射常數(shù)，c2=1.43879cm?K；λ為光譜輻射的波長，μm ；T為黑體的絕對溫度，K。

作用于熱像儀的輻射照度為

其中，To為被測物體表面溫度，Tu為環(huán)境溫度，Ta為大氣溫度，ελ為表面發(fā)射率，aλ為表面吸收率，τaλ為大氣光譜透射率，εaλ為大氣發(fā)射率，A0為熱像儀最小空間張角所對應(yīng)的目標(biāo)的可視面積，d為該目標(biāo)到測量儀器之間的距離，通常一定條件下，A0d-2為一常值。

熱像儀通常工作在某一個很窄的波段，3μm～5μm或8μm～14μm之間，ελ、αλ、τaλ通?？烧J(rèn)為與λ無關(guān)。得到熱像儀的響應(yīng)電壓為

其中，AR為熱像儀透鏡的面積，令K=ARA0d-2，

當(dāng)被測表面滿足灰體時，即ε=α，對大氣認(rèn)為εα=αa=1-τa，則

依據(jù)普朗克輻射定律，得到

被測表面真實溫度的計算公式為

當(dāng)使用不同波段的熱像儀時，n的取值不同，對HgCdTe（8μm～13μm）探測器，n值為4。

3 基于紅外熱像技術(shù)的碳纖維材料導(dǎo)熱性能研究

為了測量碳纖維試樣的導(dǎo)熱系數(shù)λ及熱擴(kuò)散系數(shù)a等參數(shù)。采用紅外熱像儀拍攝碳纖維材料的表面溫度場分布圖，搭建了碳纖維性能測試實驗平臺，利用實驗裝置對5種碳纖維材料進(jìn)行溫度場分析和測量。

3.1 試樣

選擇實驗材料為碳纖維材料，尺寸為100mm×80mm×1.5mm（長×寬×厚），如圖2所示。這是一種黑色、柔軟、松散的多孔帶狀導(dǎo)體，以5種不同溫度：1200℃、1400℃、1600℃、1800℃和2000℃在高溫爐中進(jìn)行處理，得到5種導(dǎo)熱性能不同的碳纖維試樣A0、A1、A2、A3和A4。

3.2 實驗設(shè)備及裝置

實驗用紅外熱像儀為瑞典的ThermaCAMTMSC3000，其測溫范圍為-40℃～+500℃，采用具有尖端制冷型量子阱紅外光子探測器和高可靠性的內(nèi)循環(huán)制冷器，可提供優(yōu)異的圖像分辨率、極高的熱靈敏度、超寬的動態(tài)范圍。探測波長為8μm～9μm，采樣頻率為50/60Hz。

實驗中為了減少空氣隙對傳熱的影響將試樣緊貼在加熱平板上。采用主動式雙面法對碳纖維材料進(jìn)行表面溫度場掃描，紅外熱像儀固定在試樣的正前方0.8m處，實驗環(huán)境溫度為22℃，濕度55%RH。實驗裝置如圖2所示。方案中碳纖維材料發(fā)射率經(jīng)紅外熱像儀精確測定為0.64。

圖2 熱像檢測系統(tǒng)示意圖

3.3 實驗數(shù)據(jù)及結(jié)果分析

碳纖維性能測試這里給出兩種方案，方案一是把沒有經(jīng)過熱處理的碳纖維材料從室溫開始加熱到82℃、158℃、277℃和280℃，在加熱平板開始通電加熱的瞬間把測試材料用導(dǎo)熱硅脂迅速地貼到加熱平板上，熱像儀開始工作，每隔1秒采集一幅熱像圖，采集的熱像如圖3所示。方案二把經(jīng)過熱處理的5種碳纖維試樣A0、A1、A2、A3和A4迅速貼到加熱平板上，加熱平板表面溫度控制在80.0℃，采集5種試樣的熱像圖。

圖3 108.2℃時試樣材料的紅外圖像

方案一里沒有經(jīng)過熱處理的碳纖維材料從室溫開始加熱到82℃、158℃、277℃和280℃的試樣材料表面溫度隨時間變化的實驗數(shù)據(jù)如圖4所示，在材料剛接觸加熱平板時，材料表面的溫度迅速升高，之后材料表面溫度逐漸平緩并逐漸穩(wěn)定在加熱平板設(shè)定的最終穩(wěn)定溫度上。

圖4 材料溫度擬合曲線

4 基于紅外熱像技術(shù)的服裝舒適性研究

實驗采用美國FLIR公司生產(chǎn)的SC3000測溫紅外熱像儀，通過SC3000制冷型紅外熱像儀拍攝緊貼皮膚表面面料的溫度場圖像，保持環(huán)境溫度22℃，相對濕度為50%的恒溫恒濕條件。

4.1 服裝面料的紅外測溫實驗

將選取的6種面料做成的衣服袖子與手臂緊密接觸，不留空氣層。因為袖子服貼性比較好，測試的溫度比較準(zhǔn)確，所以我們選擇拍攝手臂上的溫度分布；采用這種方法降低了實驗的難度，用于服裝面料性能測試時快捷、方便。

圖5（a）是作為參考的赤裸手臂的紅外圖像。圖5（b）是覆蓋了待測織物的手臂且表面溫度穩(wěn)定后的紅外圖像。通過圖像處理軟件分析出所選區(qū)域的最高溫度值tb。

圖5 紅外圖像

選取的6種服裝面料的隔熱值如表1所示，隔熱值排序為：A＜B＜C＜D＜E＜F。為了評價整件服裝的隔熱性能，使用紅外熱像儀可直接測量人體穿著的不同服裝面料的表面溫度分布，拍攝紅外圖像如圖6所示。

表1 測試織物及其隔熱值大小排序

圖6 人體穿著服裝時的紅外圖像

4.2 服裝面料熱傳遞性能實驗

穿著實驗是在恒溫恒濕的實驗室內(nèi)進(jìn)行，相對濕度為55%±5%，環(huán)境溫度為22±2℃，測試距離≤ 1m，風(fēng)速 ≤0.1m/s。

結(jié)合面料的熱傳遞性能通過比較受試者穿著不同服裝時的體表溫度變化，來研究大豆與棉混紡織物的熱濕舒適性。采用棉、50/50的大豆/棉、大豆纖維三種面料，比較和分析了服裝的穿著實驗結(jié)果和主觀熱濕評價結(jié)果。

實驗選擇兩個實驗測量點（即熱像儀的測量點），根據(jù)人體汗腺的分布特點，選定背胛和前胸兩個出汗較多的測試位置。重點關(guān)注的時刻分別為運(yùn)動15分鐘（實驗總時間的第25分鐘）、停止運(yùn)動后的5分鐘（實驗總時間的第45分鐘）和休息25分鐘后（實驗總時間的第65分鐘）。

4.3 結(jié)果分析

由于個體間的差異，受試者體表溫度的大小和變化各不相同，受試者出汗早晚和出汗量的多少也不同，但從整體變化趨勢來看，受試者體表溫度的變化趨勢是一致的，遵循先下降后上升然后恢復(fù)到靜止水平。

1）靜坐階段（0～10分鐘），體表溫度比較穩(wěn)定；

2）當(dāng)進(jìn)入運(yùn)動階段（10～40分鐘）后，隨著運(yùn)動時間的延續(xù)，運(yùn)動產(chǎn)生的熱量導(dǎo)致體溫的升高，當(dāng)體溫達(dá)到身體自律調(diào)節(jié)點后，體溫不再升高。為了維持體溫人體開始通過出汗來散熱，在汗液的蒸發(fā)并散失到外環(huán)境的過程中體表溫度開始下降，汗液的蒸發(fā)帶走了大量的熱量；

3）恢復(fù)階段（40～70分鐘），由于體表積聚的大量汗液還在蒸發(fā)和散失，所以在短時間范圍內(nèi)體表溫度持續(xù)下降，然后慢慢恢復(fù)到靜坐時的溫度。

同一個受試者后背的體表溫度變化幅度比前胸小，但兩個測量點的溫度的變化趨勢卻是一致的。

通過三種服裝穿著實驗結(jié)果分析，大豆纖維和棉纖維服裝溫度變化趨勢差不多，穿著大豆纖維和棉纖維的服裝運(yùn)動時體表溫度下降比較緩慢，體表的高濕度持續(xù)時間也較長。體表溫度下降最快的是50/50大豆/棉服裝。穿著50/50大豆/棉服裝時，運(yùn)動過程中體表溫度隨濕度的上升而下降，運(yùn)動停止后體溫隨濕度的下降而快速恢復(fù)。

通過對1組面料的紅外測溫實驗，應(yīng)用紅外熱像技術(shù)進(jìn)行服裝隔熱能力比較。理論分析和實際檢測證明，雖然紅外與熱濕傳遞之間還沒有完全建立關(guān)系，但與傳統(tǒng)的方法相比紅外熱像技術(shù)僅在測試服裝的隔熱值（熱阻）時更簡單直接。然后通過對不同環(huán)境下的穿著實驗中溫度變化曲線分布的客觀結(jié)果和主觀評價結(jié)果分析，得出三種實驗服裝中，50/50大豆/棉服裝的熱濕舒適性能最好。由此可見，紅外熱像技術(shù)在服裝熱舒適領(lǐng)域研究和應(yīng)用中是一種行之有效的方法，是判斷服裝熱舒適性能的重要工具之一。

5 結(jié)語

發(fā)展到目前的熱成像系統(tǒng)已是現(xiàn)代半導(dǎo)體技術(shù)、精密光學(xué)機(jī)械、微電子學(xué)、特殊紅外工藝、新型紅外光學(xué)材料與系統(tǒng)工程的產(chǎn)物。近年來，紅外熱像儀的生產(chǎn)每年都有相當(dāng)比例的增加，已經(jīng)形成了較大的產(chǎn)業(yè)群，應(yīng)用也涵蓋了幾乎所有的領(lǐng)域。近幾年，紅外熱像儀也被應(yīng)用在紡織服裝領(lǐng)域，取得了較好的實驗效果。通過對紅外熱像技術(shù)的研究，可以發(fā)現(xiàn)紅外熱像技術(shù)在服裝熱舒適領(lǐng)域研究中是一種行之有效的方法，是判斷服裝熱舒適性能的重要工具之一，同時亦可將紅外熱像測溫技術(shù)應(yīng)用到電力系統(tǒng)在線監(jiān)測及森林防火預(yù)警等領(lǐng)域。

當(dāng)然，紅外技術(shù)在紡織工業(yè)的應(yīng)用領(lǐng)域還不夠?qū)?，有待進(jìn)一步研究紅外線與纖維集合體、織物結(jié)構(gòu)等的相互作用規(guī)律；探討織物后整理過程中不同染料等對紅外輻射的反射與吸收的差異。通過這些基礎(chǔ)研究使紅外技術(shù)得到更充分利用，還應(yīng)加強(qiáng)紅外輻射在紡織烘燥方面、紅外輻射加熱在漿紗烘燥及織物后整理中的應(yīng)用，除了上述內(nèi)容外，還能嘗試在蒸紗、變形紗等加工工序中應(yīng)用。紅外技術(shù)的應(yīng)用可以極大程度降低能耗和勞動強(qiáng)度，提高勞動生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量水平，是紡織行業(yè)實現(xiàn)低碳經(jīng)濟(jì)的重要技術(shù)支持。紅外熱像技術(shù)及計算機(jī)處理方法在紡織材料性能測試及服裝熱舒適研究中較高的實用價值，也使得紅外熱像儀在紡織服裝領(lǐng)域具有更加廣泛的發(fā)展前景。

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Infrared Thermal Imager in the Textile and Garment Industry Application Prospect

LI Huan LI Yunhong HUI ShikeLI Jiangbo LIU Keliang ZHENG Wangpu WEN Yupei

（School of Electronics&Information，Xi'an Polytechnic University，Xi'an 710048）

Infrared thermal imager is used to to introduce the application of textile and clothing industry review.The research involves the following aspects.1）Infrared thermal image temperature measuring physical model is set.2）Based on infrared thermal imaging technology performance study of thermal conductivity of carbon fiber fabric，a new method of performance evaluation of thermal conductivity of carbon fiber fabric is put forward.3）Clothing comfort research is set based on the technology of infrared thermal image testing platform，experimental measurements are wearing set environment.Studies have shown that，infrared thermal image technology and computer processing methods in the textile material performance test and clothing thermal comfort study has high practical value，the infrared thermal imager has wide development prospect in the field of textile and apparel.

infrared thermal imager，temperature measurement，textile，garment，performance testing

TN215

10.3969/j.issn.1672-9722.2017.11.045

Class Number TN215

2017年5月7日，

2017年6月26日

陜西省科技工業(yè)攻關(guān)項目（編號：2016GY-047）；陜西省科技廳自然科學(xué)基礎(chǔ)研究重點項目（編號：2016JZ026）；大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計劃項目（編號：2016052）資助。

李歡，女，碩士研究生，研究方向：圖像處理，信號與信息處理。李云紅，女，博士，教授，研究方向：紅外熱像技術(shù)，數(shù)字圖像處理，信號與信息處理?；菔房?，男，研究方向：信號與信息處理。李江波，男，研究方向：信號與信息處理。劉珂良，男，研究方向：信號與信息處理。鄭王璞，男，研究方向：信號與信息處理。文玉培，男，研究方向：信號與信息處理。