红外热像仪在纺织服装行业的应用∗

李 欢 李云红 惠史科 李江波 刘珂良 郑王璞 文玉培

（西安工程大学电子信息学院 西安 710048）

红外热像仪在纺织服装行业的应用∗

李 欢 李云红 惠史科 李江波 刘珂良 郑王璞 文玉培

（西安工程大学电子信息学院 西安 710048）

针对红外热像仪进行了纺织服装行业应用的综述性介绍。研究涉及以下方面：1）搭建了红外热像测温物理模型；2）基于红外热成像技术的碳纤维织物导热性能研究，提出了一种碳纤维织物导热性能评价的新方法；3）搭建了基于红外热像技术的服装舒适性研究的测试平台，进行设定环境下的穿着实验测量。研究表明：红外热像技术及计算机处理方法在纺织材料性能测试及服装热舒适研究中具有较高的实用价值，红外热像仪在纺织服装领域具有广泛的发展前景，为其他领域的研究也具有很好的借鉴意义。

红外热像仪；温度测量；纺织；服装；性能测试

1 引言

红外热像仪是一种通过光电转换、电信号处理等手段，将目标物体表面的温度分布图像转换成视频图像的高科技产品。随着红外技术的不断提升，使得红外热像仪在社会各个领域中得到了广泛的应用，目前它正展现出极为广阔的市场前景［1］。不断发展中的红外热像仪已经从军用领域转向民用领域，并发挥着其它产品难以替代的重要作用。在民用领域，红外热像仪被广泛应用于预防检测、消防、制程控制、安防、汽车夜视、环境监测、电力、建筑、石化以及医疗等领域。此外，随着红外热像仪应用领域的不断拓展，未来它将渗透到国民经济的各个领域。可以预测，民用领域的红外热像仪市场极有可能呈现出爆发性增长，潜在的需求市场将高达上千亿美元。

张辉等［2］进行了8μm～14μm波段织物发射率测试与研究，结果表明，发射率指标能够表征不同材料织物的红外辐射特性，发射率大小顺序为锦纶织物＞涤纶织物＞毛织物＞棉织物＞化学镀金属织物。郝立才等［3～7］进行了织物热红外伪装性能测试评价技术研究，介绍了红外伪装织物的现有测试评价方法，对比阐述了量热法、反射率法测试织物红外发射率的原理及特点，以及基于热成像探测能力的阈值条件和人工判读评价织物伪装性能的特点和缺陷，指明了现有热红外伪装织物测试评价方法应改进和完善的方向。柯宝珠等［8～11］进行了冬季针织保暖手套及服装的热舒适性研究，通过对保暖手套的温热舒适性物理指标的测量，结合整体舒适性的主观评价和生理实验，为手套的温热舒适性评价提供可操作的预测与评价方法，提高一般手套热湿舒适性预测与评价效率，指导企业设计与生产，给消费者提供消费参考依据。吴晓磊等［12］进行了基于红外热像仪的棉花水分状况诊断方法研究，结果表明：逆太阳光与冠层45°夹角获取的CWSI与SWC、LWP和gs具有较好的相关性，是观测冠层温度的适宜方法；随着距离的增大，冠层温度会表现出衰减的现象，远距离的拍摄需要进行必要的校准工作；通过分析干湿参考表面温度与冠层温度之间的关系，提出了适合华北地区棉花水分胁迫指数的简化计算模式。乌应杰［13］进行了服装轰燃实验冷却阶段表面温度研究，结果表明：服装表面温度、织物厚度、衣下间隙、假人体表温度以及热防护性能之间存在相关的数值联系，表明了燃烧结束后服装表面温度越低、织物厚度越大，衣下间隙越大，假人体表温度就越低，服装整体的热防护性能就越好。

论文搭建了红外热像测温物理模型，在此基础上进行了基于红外热成像技术的碳纤维织物导热性能研究，通过碳纤维织物导热性能评价新方法［20］；及红外热像技术的服装舒适性的研究。为红外热像仪在纺织服装领域应用奠定了坚实的基础，同时对将红外热像技术应用在在电力系统及森林防火领域具有很好的借鉴意义。

2 红外热像测温物理模型

红外热像仪测温存在的主要问题是温度并不是直接测量的，红外探测器接收的辐射包括目标自身的辐射、目标对周围环境的反射辐射，上述辐射经过大气衰减到达探测器，另外大气本身也有透射辐射以及热像仪内部的辐射。

热辐射原理图如图1所示。图中ε为物体的发射率；τ为大气透射率；Tobj为被测物体温度；Tatm为大气温度；Tsur为环境温度；被测物体的辐射能为 ετWobj；大气辐射能为 (1-τ)Watm；周围环境的反射辐射能为 (1-ε)τWsur。

图1 热辐射原理图

一切温度高于绝对零度的物体都在以电磁波的形式向外辐射能量，其辐射能包括各种波长，其中波长范围在0.76μm～1000μm之间的称为红外光波。红外光具有很强的温度效应，这正是辐射测温技术所感兴趣的。红外测温技术的理论基础是普朗克分布定律，该定律揭示了黑体辐射能量在不同温度下按波长的分布规律，其数学表达式为：

式中：Mλ为黑体光谱辐射通量密度，W⋅cm-2μm-1；c1称 为 第 一 辐 射 常 数 ，3.74138×10-12W⋅cm2；c2称为第二辐射常数，c2=1.43879cm⋅K；λ为光谱辐射的波长，μm ；T为黑体的绝对温度，K。

作用于热像仪的辐射照度为

其中，To为被测物体表面温度，Tu为环境温度，Ta为大气温度，ελ为表面发射率，aλ为表面吸收率，τaλ为大气光谱透射率，εaλ为大气发射率，A0为热像仪最小空间张角所对应的目标的可视面积，d为该目标到测量仪器之间的距离，通常一定条件下，A0d-2为一常值。

热像仪通常工作在某一个很窄的波段，3μm～5μm或8μm～14μm之间，ελ、αλ、τaλ通常可认为与λ无关。得到热像仪的响应电压为

其中，AR为热像仪透镜的面积，令K=ARA0d-2，

当被测表面满足灰体时，即ε=α，对大气认为εα=αa=1-τa，则

依据普朗克辐射定律，得到

被测表面真实温度的计算公式为

当使用不同波段的热像仪时，n的取值不同，对HgCdTe（8μm～13μm）探测器，n值为4。

3 基于红外热像技术的碳纤维材料导热性能研究

为了测量碳纤维试样的导热系数λ及热扩散系数a等参数。采用红外热像仪拍摄碳纤维材料的表面温度场分布图，搭建了碳纤维性能测试实验平台，利用实验装置对5种碳纤维材料进行温度场分析和测量。

3.1 试样

选择实验材料为碳纤维材料，尺寸为100mm×80mm×1.5mm（长×宽×厚），如图2所示。这是一种黑色、柔软、松散的多孔带状导体，以5种不同温度：1200℃、1400℃、1600℃、1800℃和2000℃在高温炉中进行处理，得到5种导热性能不同的碳纤维试样A0、A1、A2、A3和A4。

3.2 实验设备及装置

实验用红外热像仪为瑞典的ThermaCAMTMSC3000，其测温范围为-40℃～+500℃，采用具有尖端制冷型量子阱红外光子探测器和高可靠性的内循环制冷器，可提供优异的图像分辨率、极高的热灵敏度、超宽的动态范围。探测波长为8μm～9μm，采样频率为50/60Hz。

实验中为了减少空气隙对传热的影响将试样紧贴在加热平板上。采用主动式双面法对碳纤维材料进行表面温度场扫描，红外热像仪固定在试样的正前方0.8m处，实验环境温度为22℃，湿度55%RH。实验装置如图2所示。方案中碳纤维材料发射率经红外热像仪精确测定为0.64。

图2 热像检测系统示意图

3.3 实验数据及结果分析

碳纤维性能测试这里给出两种方案，方案一是把没有经过热处理的碳纤维材料从室温开始加热到82℃、158℃、277℃和280℃，在加热平板开始通电加热的瞬间把测试材料用导热硅脂迅速地贴到加热平板上，热像仪开始工作，每隔1秒采集一幅热像图，采集的热像如图3所示。方案二把经过热处理的5种碳纤维试样A0、A1、A2、A3和A4迅速贴到加热平板上，加热平板表面温度控制在80.0℃，采集5种试样的热像图。

图3 108.2℃时试样材料的红外图像

方案一里没有经过热处理的碳纤维材料从室温开始加热到82℃、158℃、277℃和280℃的试样材料表面温度随时间变化的实验数据如图4所示，在材料刚接触加热平板时，材料表面的温度迅速升高，之后材料表面温度逐渐平缓并逐渐稳定在加热平板设定的最终稳定温度上。

图4 材料温度拟合曲线

4 基于红外热像技术的服装舒适性研究

实验采用美国FLIR公司生产的SC3000测温红外热像仪，通过SC3000制冷型红外热像仪拍摄紧贴皮肤表面面料的温度场图像，保持环境温度22℃，相对湿度为50%的恒温恒湿条件。

4.1 服装面料的红外测温实验

将选取的6种面料做成的衣服袖子与手臂紧密接触，不留空气层。因为袖子服贴性比较好，测试的温度比较准确，所以我们选择拍摄手臂上的温度分布；采用这种方法降低了实验的难度，用于服装面料性能测试时快捷、方便。

图5（a）是作为参考的赤裸手臂的红外图像。图5（b）是覆盖了待测织物的手臂且表面温度稳定后的红外图像。通过图像处理软件分析出所选区域的最高温度值tb。

图5 红外图像

选取的6种服装面料的隔热值如表1所示，隔热值排序为：A＜B＜C＜D＜E＜F。为了评价整件服装的隔热性能，使用红外热像仪可直接测量人体穿着的不同服装面料的表面温度分布，拍摄红外图像如图6所示。

表1 测试织物及其隔热值大小排序

图6 人体穿着服装时的红外图像

4.2 服装面料热传递性能实验

穿着实验是在恒温恒湿的实验室内进行，相对湿度为55%±5%，环境温度为22±2℃，测试距离≤ 1m，风速 ≤0.1m/s。

结合面料的热传递性能通过比较受试者穿着不同服装时的体表温度变化，来研究大豆与棉混纺织物的热湿舒适性。采用棉、50/50的大豆/棉、大豆纤维三种面料，比较和分析了服装的穿着实验结果和主观热湿评价结果。

实验选择两个实验测量点（即热像仪的测量点），根据人体汗腺的分布特点，选定背胛和前胸两个出汗较多的测试位置。重点关注的时刻分别为运动15分钟（实验总时间的第25分钟）、停止运动后的5分钟（实验总时间的第45分钟）和休息25分钟后（实验总时间的第65分钟）。

4.3 结果分析

由于个体间的差异，受试者体表温度的大小和变化各不相同，受试者出汗早晚和出汗量的多少也不同，但从整体变化趋势来看，受试者体表温度的变化趋势是一致的，遵循先下降后上升然后恢复到静止水平。

1）静坐阶段（0～10分钟），体表温度比较稳定；

2）当进入运动阶段（10～40分钟）后，随着运动时间的延续，运动产生的热量导致体温的升高，当体温达到身体自律调节点后，体温不再升高。为了维持体温人体开始通过出汗来散热，在汗液的蒸发并散失到外环境的过程中体表温度开始下降，汗液的蒸发带走了大量的热量；

3）恢复阶段（40～70分钟），由于体表积聚的大量汗液还在蒸发和散失，所以在短时间范围内体表温度持续下降，然后慢慢恢复到静坐时的温度。

同一个受试者后背的体表温度变化幅度比前胸小，但两个测量点的温度的变化趋势却是一致的。

通过三种服装穿着实验结果分析，大豆纤维和棉纤维服装温度变化趋势差不多，穿着大豆纤维和棉纤维的服装运动时体表温度下降比较缓慢，体表的高湿度持续时间也较长。体表温度下降最快的是50/50大豆/棉服装。穿着50/50大豆/棉服装时，运动过程中体表温度随湿度的上升而下降，运动停止后体温随湿度的下降而快速恢复。

通过对1组面料的红外测温实验，应用红外热像技术进行服装隔热能力比较。理论分析和实际检测证明，虽然红外与热湿传递之间还没有完全建立关系，但与传统的方法相比红外热像技术仅在测试服装的隔热值（热阻）时更简单直接。然后通过对不同环境下的穿着实验中温度变化曲线分布的客观结果和主观评价结果分析，得出三种实验服装中，50/50大豆/棉服装的热湿舒适性能最好。由此可见，红外热像技术在服装热舒适领域研究和应用中是一种行之有效的方法，是判断服装热舒适性能的重要工具之一。

5 结语

发展到目前的热成像系统已是现代半导体技术、精密光学机械、微电子学、特殊红外工艺、新型红外光学材料与系统工程的产物。近年来，红外热像仪的生产每年都有相当比例的增加，已经形成了较大的产业群，应用也涵盖了几乎所有的领域。近几年，红外热像仪也被应用在纺织服装领域，取得了较好的实验效果。通过对红外热像技术的研究，可以发现红外热像技术在服装热舒适领域研究中是一种行之有效的方法，是判断服装热舒适性能的重要工具之一，同时亦可将红外热像测温技术应用到电力系统在线监测及森林防火预警等领域。

当然，红外技术在纺织工业的应用领域还不够宽，有待进一步研究红外线与纤维集合体、织物结构等的相互作用规律；探讨织物后整理过程中不同染料等对红外辐射的反射与吸收的差异。通过这些基础研究使红外技术得到更充分利用，还应加强红外辐射在纺织烘燥方面、红外辐射加热在浆纱烘燥及织物后整理中的应用，除了上述内容外，还能尝试在蒸纱、变形纱等加工工序中应用。红外技术的应用可以极大程度降低能耗和劳动强度，提高劳动生产率和产品质量水平，是纺织行业实现低碳经济的重要技术支持。红外热像技术及计算机处理方法在纺织材料性能测试及服装热舒适研究中较高的实用价值，也使得红外热像仪在纺织服装领域具有更加广泛的发展前景。

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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

陕西省科技工业攻关项目（编号：2016GY-047）；陕西省科技厅自然科学基础研究重点项目（编号：2016JZ026）；大学生创新创业计划项目（编号：2016052）资助。

李欢，女，硕士研究生，研究方向：图像处理，信号与信息处理。李云红，女，博士，教授，研究方向：红外热像技术，数字图像处理，信号与信息处理。惠史科，男，研究方向：信号与信息处理。李江波，男，研究方向：信号与信息处理。刘珂良，男，研究方向：信号与信息处理。郑王璞，男，研究方向：信号与信息处理。文玉培，男，研究方向：信号与信息处理。