红外热像技术在服装保暖性能测试中的应用

文/陈广涵 田萌

1 引言

在“人体—服装—环境”系统中，当人体处于寒冷的环境时，皮肤表面温度较高，热量从皮肤表面出发通过对流和辐射，经皮肤与服装内表面之间的空气层传递到服装内表面，再经热传导传递到服装外表面，最后传递到外界环境。服装作为人体与环境之间热量交换的缓冲体，可以一定程度减少人体和环境之间的热交换[1]。这种抵抗或阻止人体体热散失的性能即服装的保暖性能，其主要取决于服装材料和服装结构两个方面[2]。

目前，服装保暖性能的测试常通过服装面料的传热系数、热阻、保温率、克罗值等指标来实现。这些通过测试计算得出的保暖性能指标，均存在直观性不足、消费者对测试结果理解较为困难等问题。常用的测试保暖性能的方法有平板法和暖体假人法。平板法具有测试简单、重复性好等优势，但测试时需裁剪成仪器规定的尺寸，更适用于织物或半成品材料，未充分考虑服装结构设计对热阻的影响。暖体假人法可用服装产品直接测试，并可在模拟实际穿着环境下测试，解决了平板法未考虑服装结构设计等缺陷，但目前的暖体假人法存在体型单一、无法进行活动、控温方法及量程受限等问题。

研究发现，自然界中一切物体的温度都会高于绝对零度（零下 273.15℃），由于物体内部分子存在热运动现象，不断地向周围空间释放红外光（波）。物体的温度越高，红外线热辐射能量越强，其红外辐射能量的大小及其波长与物体温度有着十分密切的关系。研究表明，物体辐射出的红外线峰值波长与绝对温度成反比，即物体的温度越高，其辐射出的峰值波长越短。当测得物体表面辐射出的波长时，即可根据维恩位移定律计算得到物体表面温度，这就是红外热像测温技术的理论基础[3-4}。利用红外热像技术，可以根据不同需求针对性开发设计各种测温设备，如红外热像仪。红外热像仪的优点有：拍摄灵活，对试验条件要求低；红外热像扫描数据丰富，可对任何部位进行精确的扫描，可测量静止状态情况也可测量运动状态；数据处理方式全面，有区域内最低温度、最高温度、平均温度，也可多点测温、区域测温、线测温等[5]。

针对传统服装保暖性能测试方法的局限性，本文提出一种采用人体试穿结合红外热成像技术测试服装的保暖性能的测试方法。该方法通过对试穿服装人体红外热像的实时捕捉，直接获取保暖服装的表面温度信息，实现对保温产品更直观有效的测试。

2 基于红外热像技术服装保暖性能试验

2.1 试验条件

试验大气条件为温度（20±2）℃，相对湿度（65±4）%。采用FOTRIC 350红外热像仪进行测温。人体试穿选择成年健康男、女测试者各1名，测试者身体指标信息见表1。试样均根据试验人员的身高体型选择合适的号型，其信息如表2。

表1 测试者身体指标信息

表2 样品信息

2.2 试验步骤

（1）测试者穿着贴身长袖衬衫（基础衣），静坐20min后，穿上试样；

（2）打开红外热像仪连续拍摄测试者后上背（测试位置如图1）衣服表面的热像图；

图1 测温位置

（3）穿上试样静坐20min后，记录测试者试样表面的温度T0；

（4）记录测试者脱下试样瞬间基础衣表面的温度T1；

（5）计算隔热温差ΔT=T1-T0。

3 试验结果与分析

3.1 不同测试方法的结果比较

表3为测试者Ⅰ用红外热像法测得的平均隔热温差、用FZ/T 73016—2020《针织保暖内衣 絮片型》中的方法测得的保温率和用GB/T 35762—2017《纺织品 热传递性能试验方法 平板法》测得热阻和克罗值。假定服装紧贴人体，服装与人体之间不存在静止空气层，隔热温差与热阻之间的关系可以通过公式（1）和公式（2）表示：

表3 不同测试方法的结果比较

在公式（1）中，q表示从人体身上散失到空气中的热流量，W；Ti和To分别表示人体体表温度及衣服表面温度，℃；h是环境空气的对流系数，W/m2·K；A是热量温度的面积，m2；Tr室内空气的平均温度，℃；R表示热阻，m2·k/w。经过换算，可以得到平均温差的表达公式（2）。假设人体体表温度Ti与室温Tr保持恒定，可以得出当热阻增加时，平均温差随之减少。

从表3中可以看出，红外热像法测得的平均隔热温差与目前广泛使用的保温率、热阻和克罗值趋势基本符合公式（2）所反映的趋势。进一步证明红外热像法可以更加直观准确地反映服装的保暖性能。

3.2 重复试验结果比较

表4为测试者分别穿着同件样品重复测试5次得到的结果。从表4中可以看出，重复试验得到的隔热温差基本保持一致，证明红外热像法是一种可靠稳定的保暖性能测量方法。其中

最大差异在0.3℃～0.6℃之间，这可能是人体在不同时期的体温变化和代谢率不同导致的。

表4 重复试验结果比较

3.3 不同服装松量结果比较

表5为相同样品由不同体型测试者穿着测得的平均隔热温差。

表5 不同服装松量结果比较

由表5中数据可以看出，保暖性能与服装松量也有密切的关系。穿着规格合适的服装比穿着偏小很多的服装保暖性更好。因为当穿着偏小很多的服装时，因挤压拉伸导致织物空气层和服装与身体间的空气层变小。而静止空气的导热系数比纤维低，在一定范围内，当空气层变小，服装的保暖性能也会相应减弱。

4 结语

4.1 在试验结果中，红外热像测得的隔热值与服装的热阻呈现出同向相关性，说明隔热值能一定程度上反映服装热阻的大小，且与传统的保温率和热阻的方法相比，红外热像技术测试时更加简单直接。红外热像技术在服装保暖性能领域和应用中是一种行之有效的方法。

4.2 红外热像测得的隔热值在重复性试验当中表现稳定，说明该方法具有一定的稳定性和可靠性。保暖性能作为舒适性指标，人体试穿测试是有一定意义的。在需要时，可同时结合人体运动状态、主观评价等设计试验，可更多维度更贴近消费体验地得到保温性能的结果。

4.3 服装松量与服装保暖性能之间有密切关系，因此应选择与测试者相匹配的号型规格的服装测试其保暖性能。红外热像测量法可以为设计出最佳保暖性能的服装结构提供理论依据和指导。