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(duì)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(cè)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(píng)價(jià)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(cè)試平臺(tái)，進(jìn)行設(shè)定環(huán)境下的穿著實(shí)驗(yàn)測(cè)量。研究表明：紅外熱像技術(shù)及計(jì)算機(jī)處理方法在紡織材料性能測(cè)試及服裝熱舒適研究中具有較高的實(shí)用價(jià)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(cè)量；紡織；服裝；性能測(cè)試

1 引言

紅外熱像儀是一種通過光電轉(zhuǎn)換、電信號(hào)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(huì)各個(gè)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(chǎng)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(cè)、消防、制程控制、安防、汽車夜視、環(huán)境監(jiān)測(cè)、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(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域?？梢灶A(yù)測(cè)，民用領(lǐng)域的紅外熱像儀市場(chǎng)極有可能呈現(xiàn)出爆發(fā)性增長(zhǎng)，潛在的需求市場(chǎng)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(cè)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?yàn)殄\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(cè)試評(píng)價(jià)技術(shù)研究，介紹了紅外偽裝織物的現(xiàn)有測(cè)試評(píng)價(jià)方法，對(duì)比闡述了量熱法、反射率法測(cè)試織物紅外發(fā)射率的原理及特點(diǎn)，以及基于熱成像探測(cè)能力的閾值條件和人工判讀評(píng)價(jià)織物偽裝性能的特點(diǎn)和缺陷，指明了現(xiàn)有熱紅外偽裝織物測(cè)試評(píng)價(jià)方法應(yīng)改進(jìn)和完善的方向?？聦氈榈龋?～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(duì)保暖手套的溫?zé)崾孢m性物理指標(biāo)的測(cè)量，結(jié)合整體舒適性的主觀評(píng)價(jià)和生理實(shí)驗(yàn)，為手套的溫?zé)崾孢m性評(píng)價(jià)提供可操作的預(yù)測(cè)與評(píng)價(jià)方法，提高一般手套熱濕舒適性預(yù)測(cè)與評(píng)價(jià)效率，指導(dǎo)企業(yè)設(shè)計(jì)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(cè)冠層溫度的適宜方法；隨著距離的增大，冠層溫度會(huì)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(jiǎn)化計(jì)算模式。烏應(yīng)杰［13］進(jìn)行了服裝轟燃實(shí)驗(yàn)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(cè)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(píng)價(jià)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(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，同時(shí)對(duì)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(cè)溫物理模型

紅外熱像儀測(cè)溫存在的主要問題是溫度并不是直接測(cè)量的，紅外探測(cè)器接收的輻射包括目標(biāo)自身的輻射、目標(biāo)對(duì)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(cè)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(cè)物體溫度；Tatm為大氣溫度；Tsur為環(huán)境溫度；被測(cè)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(duì)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(zhǎng)，其中波長(zhǎng)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(cè)溫技術(shù)所感興趣的。紅外測(cè)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(zhǎng)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(zhǎng)，μm ；T為黑體的絕對(duì)溫度，K。

作用于熱像儀的輻射照度為

其中，To為被測(cè)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(duì)應(yīng)的目標(biāo)的可視面積，d為該目標(biāo)到測(cè)量?jī)x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(gè)很窄的波段，3μm～5μm或8μm～14μm之間，ελ、αλ、τaλ通常可認(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(cè)表面滿足灰體時(shí)，即ε=α，對(duì)大氣認(rèn)為εα=αa=1-τa，則

依據(jù)普朗克輻射定律，得到

被測(cè)表面真實(shí)溫度的計(jì)算公式為

當(dāng)使用不同波段的熱像儀時(shí)，n的取值不同，對(duì)HgCdTe（8μm～13μm）探測(cè)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(cè)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(chǎng)分布圖，搭建了碳纖維性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，利用實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)5種碳纖維材料進(jìn)行溫度場(chǎng)分析和測(cè)量。

3.1 試樣

選擇實(shí)驗(yàn)材料為碳纖維材料，尺寸為100mm×80mm×1.5mm（長(zhǎng)×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(shí)驗(yàn)設(shè)備及裝置

實(shí)驗(yàn)用紅外熱像儀為瑞典的ThermaCAMTMSC3000，其測(cè)溫范圍為-40℃～+500℃，采用具有尖端制冷型量子阱紅外光子探測(cè)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(dòng)態(tài)范圍。探測(cè)波長(zhǎng)為8μm～9μm，采樣頻率為50/60Hz。

實(shí)驗(yàn)中為了減少空氣隙對(duì)傳熱的影響將試樣緊貼在加熱平板上。采用主動(dòng)式雙面法對(duì)碳纖維材料進(jìn)行表面溫度場(chǎng)掃描，紅外熱像儀固定在試樣的正前方0.8m處，實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度為22℃，濕度55%RH。實(shí)驗(yàn)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(cè)定為0.64。

圖2 熱像檢測(cè)系統(tǒng)示意圖

3.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及結(jié)果分析

碳纖維性能測(cè)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(cè)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(shí)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(shí)間變化的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖4所示，在材料剛接觸加熱平板時(shí)，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(shí)驗(yàn)采用美國(guó)FLIR公司生產(chǎn)的SC3000測(cè)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(chǎng)圖像，保持環(huán)境溫度22℃，相對(duì)濕度為50%的恒溫恒濕條件。

4.1 服裝面料的紅外測(cè)溫實(shí)驗(yàn)

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?yàn)樾渥臃N性比較好，測(cè)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(shí)驗(yàn)的難度，用于服裝面料性能測(cè)試時(shí)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(cè)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?yàn)椋篈＜B＜C＜D＜E＜F。為了評(píng)價(jià)整件服裝的隔熱性能，使用紅外熱像儀可直接測(cè)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(cè)試織物及其隔熱值大小排序

圖6 人體穿著服裝時(shí)的紅外圖像

4.2 服裝面料熱傳遞性能實(shí)驗(yàn)

穿著實(shí)驗(yàn)是在恒溫恒濕的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行，相對(duì)濕度為55%±5%，環(huán)境溫度為22±2℃，測(cè)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(shí)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(shí)驗(yàn)結(jié)果和主觀熱濕評(píng)價(jià)結(jié)果。

實(shí)驗(yàn)選擇兩個(gè)實(shí)驗(yàn)測(cè)量點(diǎn)（即熱像儀的測(cè)量點(diǎn)），根據(jù)人體汗腺的分布特點(diǎn)，選定背胛和前胸兩個(gè)出汗較多的測(cè)試位置。重點(diǎn)關(guān)注的時(shí)刻分別為運(yùn)動(dòng)15分鐘（實(shí)驗(yàn)總時(shí)間的第25分鐘）、停止運(yùn)動(dòng)后的5分鐘（實(shí)驗(yàn)總時(shí)間的第45分鐘）和休息25分鐘后（實(shí)驗(yàn)總時(shí)間的第65分鐘）。

4.3 結(jié)果分析

由于個(gè)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(shì)來看，受試者體表溫度的變化趨勢(shì)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(dòng)階段（10～40分鐘）后，隨著運(yùn)動(dòng)時(shí)間的延續(xù)，運(yùn)動(dòng)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(diǎn)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(shí)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(shí)的溫度。

同一個(gè)受試者后背的體表溫度變化幅度比前胸小，但兩個(gè)測(cè)量點(diǎn)的溫度的變化趨勢(shì)卻是一致的。

通過三種服裝穿著實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，大豆纖維和棉纖維服裝溫度變化趨勢(shì)差不多，穿著大豆纖維和棉纖維的服裝運(yùn)動(dòng)時(shí)體表溫度下降比較緩慢，體表的高濕度持續(xù)時(shí)間也較長(zhǎng)。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(shí)，運(yùn)動(dòng)過程中體表溫度隨濕度的上升而下降，運(yùn)動(dòng)停止后體溫隨濕度的下降而快速恢復(fù)。

通過對(duì)1組面料的紅外測(cè)溫實(shí)驗(yàn)，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(shí)際檢測(cè)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(cè)試服裝的隔熱值（熱阻）時(shí)更簡(jiǎn)單直接。然后通過對(duì)不同環(huán)境下的穿著實(shí)驗(yàn)中溫度變化曲線分布的客觀結(jié)果和主觀評(píng)價(jià)結(jié)果分析，得出三種實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)效果。通過對(duì)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(shí)亦可將紅外熱像測(cè)溫技術(shù)應(yīng)用到電力系統(tǒng)在線監(jiān)測(cè)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(duì)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(dòng)強(qiáng)度，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量水平，是紡織行業(yè)實(shí)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(jì)算機(jī)處理方法在紡織材料性能測(cè)試及服裝熱舒適研究中較高的實(shí)用價(jià)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(xiàng)目（編號(hào)：2016GY-047）；陜西省科技廳自然科學(xué)基礎(chǔ)研究重點(diǎn)項(xiàng)目（編號(hào)：2016JZ026）；大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計(jì)劃項(xiàng)目（編號(hào)：2016052）資助。

李歡，女，碩士研究生，研究方向：圖像處理，信號(hào)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(hào)與信息處理?；菔房疲?，研究方向：信號(hào)與信息處理。李江波，男，研究方向：信號(hào)與信息處理。劉珂良，男，研究方向：信號(hào)與信息處理。鄭王璞，男，研究方向：信號(hào)與信息處理。文玉培，男，研究方向：信號(hào)與信息處理。