紅外熱像技術在服裝保暖性能測試中的應用

文/陳廣涵 田萌

1 引言

在“人體—服裝—環境”系統中，當人體處于寒冷的環境時，皮膚表面溫度較高，熱量從皮膚表面出發通過對流和輻射，經皮膚與服裝內表面之間的空氣層傳遞到服裝內表面，再經熱傳導傳遞到服裝外表面，最后傳遞到外界環境。服裝作為人體與環境之間熱量交換的緩沖體，可以一定程度減少人體和環境之間的熱交換[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構兩個方面[2]。

目前，服裝保暖性能的測試常通過服裝面料的傳熱系數、熱阻、保溫率、克羅值等指標來實現。這些通過測試計算得出的保暖性能指標，均存在直觀性不足、消費者對測試結果理解較為困難等問題。常用的測試保暖性能的方法有平板法和暖體假人法。平板法具有測試簡單、重復性好等優勢，但測試時需裁剪成儀器規定的尺寸，更適用于織物或半成品材料，未充分考慮服裝結構設計對熱阻的影響。暖體假人法可用服裝產品直接測試，并可在模擬實際穿著環境下測試，解決了平板法未考慮服裝結構設計等缺陷，但目前的暖體假人法存在體型單一、無法進行活動、控溫方法及量程受限等問題。

研究發現，自然界中一切物體的溫度都會高于絕對零度（零下 273.15℃），由于物體內部分子存在熱運動現象，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，其紅外輻射能量的大小及其波長與物體溫度有著十分密切的關系。研究表明，物體輻射出的紅外線峰值波長與絕對溫度成反比，即物體的溫度越高，其輻射出的峰值波長越短。當測得物體表面輻射出的波長時，即可根據維恩位移定律計算得到物體表面溫度，這就是紅外熱像測溫技術的理論基礎[3-4}。利用紅外熱像技術，可以根據不同需求針對性開發設計各種測溫設備，如紅外熱像儀。紅外熱像儀的優點有：拍攝靈活，對試驗條件要求低；紅外熱像掃描數據豐富，可對任何部位進行精確的掃描，可測量靜止狀態情況也可測量運動狀態；數據處理方式全面，有區域內最低溫度、最高溫度、平均溫度，也可多點測溫、區域測溫、線測溫等[5]。

針對傳統服裝保暖性能測試方法的局限性，本文提出一種采用人體試穿結合紅外熱成像技術測試服裝的保暖性能的測試方法。該方法通過對試穿服裝人體紅外熱像的實時捕捉，直接獲取保暖服裝的表面溫度信息，實現對保溫產品更直觀有效的測試。

2 基于紅外熱像技術服裝保暖性能試驗

2.1 試驗條件

試驗大氣條件為溫度（20±2）℃，相對濕度（65±4）%。采用FOTRIC 350紅外熱像儀進行測溫。人體試穿選擇成年健康男、女測試者各1名，測試者身體指標信息見表1。試樣均根據試驗人員的身高體型選擇合適的號型，其信息如表2。

表1 測試者身體指標信息

表2 樣品信息

2.2 試驗步驟

（1）測試者穿著貼身長袖襯衫（基礎衣），靜坐20min后，穿上試樣；

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

圖1 測溫位置

（3）穿上試樣靜坐20min后，記錄測試者試樣表面的溫度T0；

（4）記錄測試者脫下試樣瞬間基礎衣表面的溫度T1；

（5）計算隔熱溫差ΔT=T1-T0。

3 試驗結果與分析

3.1 不同測試方法的結果比較

表3為測試者Ⅰ用紅外熱像法測得的平均隔熱溫差、用FZ/T 73016—2020《針織保暖內衣 絮片型》中的方法測得的保溫率和用GB/T 35762—2017《紡織品 熱傳遞性能試驗方法 平板法》測得熱阻和克羅值。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系可以通過公式（1）和公式（2）表示：

表3 不同測試方法的結果比較

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是環境空氣的對流系數，W/m2·K；A是熱量溫度的面積，m2；Tr室內空氣的平均溫度，℃；R表示熱阻，m2·k/w。經過換算，可以得到平均溫差的表達公式（2）。假設人體體表溫度Ti與室溫Tr保持恒定，可以得出當熱阻增加時，平均溫差隨之減少。

從表3中可以看出，紅外熱像法測得的平均隔熱溫差與目前廣泛使用的保溫率、熱阻和克羅值趨勢基本符合公式（2）所反映的趨勢。進一步證明紅外熱像法可以更加直觀準確地反映服裝的保暖性能。

3.2 重復試驗結果比較

表4為測試者分別穿著同件樣品重復測試5次得到的結果。從表4中可以看出，重復試驗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定的保暖性能測量方法。其中

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

表4 重復試驗結果比較

3.3 不同服裝松量結果比較

表5為相同樣品由不同體型測試者穿著測得的平均隔熱溫差。

表5 不同服裝松量結果比較

由表5中數據可以看出，保暖性能與服裝松量也有密切的關系。穿著規格合適的服裝比穿著偏小很多的服裝保暖性更好。因為當穿著偏小很多的服裝時，因擠壓拉伸導致織物空氣層和服裝與身體間的空氣層變小。而靜止空氣的導熱系數比纖維低，在一定范圍內，當空氣層變小，服裝的保暖性能也會相應減弱。

4 結語

4.1 在試驗結果中，紅外熱像測得的隔熱值與服裝的熱阻呈現出同向相關性，說明隔熱值能一定程度上反映服裝熱阻的大小，且與傳統的保溫率和熱阻的方法相比，紅外熱像技術測試時更加簡單直接。紅外熱像技術在服裝保暖性能領域和應用中是一種行之有效的方法。

4.2 紅外熱像測得的隔熱值在重復性試驗當中表現穩定，說明該方法具有一定的穩定性和可靠性。保暖性能作為舒適性指標，人體試穿測試是有一定意義的。在需要時，可同時結合人體運動狀態、主觀評價等設計試驗，可更多維度更貼近消費體驗地得到保溫性能的結果。

4.3 服裝松量與服裝保暖性能之間有密切關系，因此應選擇與測試者相匹配的號型規格的服裝測試其保暖性能。紅外熱像測量法可以為設計出最佳保暖性能的服裝結構提供理論依據和指導。