紅外熱像技術(shù)在服裝保暖性能測(cè)試中的應(yīng)用

文/陳廣涵 田萌

1 引言

在“人體—服裝—環(huán)境”系統(tǒng)中，當(dāng)人體處于寒冷的環(huán)境時(shí)，皮膚表面溫度較高，熱量從皮膚表面出發(fā)通過(guò)對(duì)流和輻射，經(jīng)皮膚與服裝內(nèi)表面之間的空氣層傳遞到服裝內(nèi)表面，再經(jīng)熱傳導(dǎo)傳遞到服裝外表面，最后傳遞到外界環(huán)境。服裝作為人體與環(huán)境之間熱量交換的緩沖體，可以一定程度減少人體和環(huán)境之間的熱交換[1]。這種抵抗或阻止人體體熱散失的性能即服裝的保暖性能，其主要取決于服裝材料和服裝結(jié)構(gòu)兩個(gè)方面[2]。

目前，服裝保暖性能的測(cè)試常通過(guò)服裝面料的傳熱系數(shù)、熱阻、保溫率、克羅值等指標(biāo)來(lái)實(shí)現(xiàn)。這些通過(guò)測(cè)試計(jì)算得出的保暖性能指標(biāo)，均存在直觀性不足、消費(fèi)者對(duì)測(cè)試結(jié)果理解較為困難等問(wèn)題。常用的測(cè)試保暖性能的方法有平板法和暖體假人法。平板法具有測(cè)試簡(jiǎn)單、重復(fù)性好等優(yōu)勢(shì)，但測(cè)試時(shí)需裁剪成儀器規(guī)定的尺寸，更適用于織物或半成品材料，未充分考慮服裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)熱阻的影響。暖體假人法可用服裝產(chǎn)品直接測(cè)試，并可在模擬實(shí)際穿著環(huán)境下測(cè)試，解決了平板法未考慮服裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等缺陷，但目前的暖體假人法存在體型單一、無(wú)法進(jìn)行活動(dòng)、控溫方法及量程受限等問(wèn)題。

研究發(fā)現(xiàn)，自然界中一切物體的溫度都會(huì)高于絕對(duì)零度（零下 273.15℃），由于物體內(nèi)部分子存在熱運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象，不斷地向周圍空間釋放紅外光（波）。物體的溫度越高，紅外線熱輻射能量越強(qiáng)，其紅外輻射能量的大小及其波長(zhǎng)與物體溫度有著十分密切的關(guān)系。研究表明，物體輻射出的紅外線峰值波長(zhǎng)與絕對(duì)溫度成反比，即物體的溫度越高，其輻射出的峰值波長(zhǎng)越短。當(dāng)測(cè)得物體表面輻射出的波長(zhǎng)時(shí)，即可根據(jù)維恩位移定律計(jì)算得到物體表面溫度，這就是紅外熱像測(cè)溫技術(shù)的理論基礎(chǔ)[3-4}。利用紅外熱像技術(shù)，可以根據(jù)不同需求針對(duì)性開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)各種測(cè)溫設(shè)備，如紅外熱像儀。紅外熱像儀的優(yōu)點(diǎn)有：拍攝靈活，對(duì)試驗(yàn)條件要求低；紅外熱像掃描數(shù)據(jù)豐富，可對(duì)任何部位進(jìn)行精確的掃描，可測(cè)量靜止?fàn)顟B(tài)情況也可測(cè)量運(yùn)動(dòng)狀態(tài)；數(shù)據(jù)處理方式全面，有區(qū)域內(nèi)最低溫度、最高溫度、平均溫度，也可多點(diǎn)測(cè)溫、區(qū)域測(cè)溫、線測(cè)溫等[5]。

針對(duì)傳統(tǒng)服裝保暖性能測(cè)試方法的局限性，本文提出一種采用人體試穿結(jié)合紅外熱成像技術(shù)測(cè)試服裝的保暖性能的測(cè)試方法。該方法通過(guò)對(duì)試穿服裝人體紅外熱像的實(shí)時(shí)捕捉，直接獲取保暖服裝的表面溫度信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)保溫產(chǎn)品更直觀有效的測(cè)試。

2 基于紅外熱像技術(shù)服裝保暖性能試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)大氣條件為溫度（20±2）℃，相對(duì)濕度（65±4）%。采用FOTRIC 350紅外熱像儀進(jìn)行測(cè)溫。人體試穿選擇成年健康男、女測(cè)試者各1名，測(cè)試者身體指標(biāo)信息見(jiàn)表1。試樣均根據(jù)試驗(yàn)人員的身高體型選擇合適的號(hào)型，其信息如表2。

表1 測(cè)試者身體指標(biāo)信息

表2 樣品信息

2.2 試驗(yàn)步驟

（1）測(cè)試者穿著貼身長(zhǎng)袖襯衫（基礎(chǔ)衣），靜坐20min后，穿上試樣；

（2）打開(kāi)紅外熱像儀連續(xù)拍攝測(cè)試者后上背（測(cè)試位置如圖1）衣服表面的熱像圖；

圖1 測(cè)溫位置

（3）穿上試樣靜坐20min后，記錄測(cè)試者試樣表面的溫度T0；

（4）記錄測(cè)試者脫下試樣瞬間基礎(chǔ)衣表面的溫度T1；

（5）計(jì)算隔熱溫差ΔT=T1-T0。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 不同測(cè)試方法的結(jié)果比較

表3為測(cè)試者Ⅰ用紅外熱像法測(cè)得的平均隔熱溫差、用FZ/T 73016—2020《針織保暖內(nèi)衣 絮片型》中的方法測(cè)得的保溫率和用GB/T 35762—2017《紡織品 熱傳遞性能試驗(yàn)方法 平板法》測(cè)得熱阻和克羅值。假定服裝緊貼人體，服裝與人體之間不存在靜止空氣層，隔熱溫差與熱阻之間的關(guān)系可以通過(guò)公式（1）和公式（2）表示：

表3 不同測(cè)試方法的結(jié)果比較

在公式（1）中，q表示從人體身上散失到空氣中的熱流量，W；Ti和To分別表示人體體表溫度及衣服表面溫度，℃；h是環(huán)境空氣的對(duì)流系數(shù)，W/m2·K；A是熱量溫度的面積，m2；Tr室內(nèi)空氣的平均溫度，℃；R表示熱阻，m2·k/w。經(jīng)過(guò)換算，可以得到平均溫差的表達(dá)公式（2）。假設(shè)人體體表溫度Ti與室溫Tr保持恒定，可以得出當(dāng)熱阻增加時(shí)，平均溫差隨之減少。

從表3中可以看出，紅外熱像法測(cè)得的平均隔熱溫差與目前廣泛使用的保溫率、熱阻和克羅值趨勢(shì)基本符合公式（2）所反映的趨勢(shì)。進(jìn)一步證明紅外熱像法可以更加直觀準(zhǔn)確地反映服裝的保暖性能。

3.2 重復(fù)試驗(yàn)結(jié)果比較

表4為測(cè)試者分別穿著同件樣品重復(fù)測(cè)試5次得到的結(jié)果。從表4中可以看出，重復(fù)試驗(yàn)得到的隔熱溫差基本保持一致，證明紅外熱像法是一種可靠穩(wěn)定的保暖性能測(cè)量方法。其中

最大差異在0.3℃～0.6℃之間，這可能是人體在不同時(shí)期的體溫變化和代謝率不同導(dǎo)致的。

表4 重復(fù)試驗(yàn)結(jié)果比較

3.3 不同服裝松量結(jié)果比較

表5為相同樣品由不同體型測(cè)試者穿著測(cè)得的平均隔熱溫差。

表5 不同服裝松量結(jié)果比較

由表5中數(shù)據(jù)可以看出，保暖性能與服裝松量也有密切的關(guān)系。穿著規(guī)格合適的服裝比穿著偏小很多的服裝保暖性更好。因?yàn)楫?dāng)穿著偏小很多的服裝時(shí)，因擠壓拉伸導(dǎo)致織物空氣層和服裝與身體間的空氣層變小。而靜止空氣的導(dǎo)熱系數(shù)比纖維低，在一定范圍內(nèi)，當(dāng)空氣層變小，服裝的保暖性能也會(huì)相應(yīng)減弱。

4 結(jié)語(yǔ)

4.1 在試驗(yàn)結(jié)果中，紅外熱像測(cè)得的隔熱值與服裝的熱阻呈現(xiàn)出同向相關(guān)性，說(shuō)明隔熱值能一定程度上反映服裝熱阻的大小，且與傳統(tǒng)的保溫率和熱阻的方法相比，紅外熱像技術(shù)測(cè)試時(shí)更加簡(jiǎn)單直接。紅外熱像技術(shù)在服裝保暖性能領(lǐng)域和應(yīng)用中是一種行之有效的方法。

4.2 紅外熱像測(cè)得的隔熱值在重復(fù)性試驗(yàn)當(dāng)中表現(xiàn)穩(wěn)定，說(shuō)明該方法具有一定的穩(wěn)定性和可靠性。保暖性能作為舒適性指標(biāo)，人體試穿測(cè)試是有一定意義的。在需要時(shí)，可同時(shí)結(jié)合人體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、主觀評(píng)價(jià)等設(shè)計(jì)試驗(yàn)，可更多維度更貼近消費(fèi)體驗(yàn)地得到保溫性能的結(jié)果。

4.3 服裝松量與服裝保暖性能之間有密切關(guān)系，因此應(yīng)選擇與測(cè)試者相匹配的號(hào)型規(guī)格的服裝測(cè)試其保暖性能。紅外熱像測(cè)量法可以為設(shè)計(jì)出最佳保暖性能的服裝結(jié)構(gòu)提供理論依據(jù)和指導(dǎo)。