红外热像用于服装表面温度与衣下空气层厚度的测量

上官形形,陈益松，王秀娟, 邹　磊

(1. 东华大学a. 服装与艺术设计学院；b. 现代服装设计与技术教育部重点实验室，上海 200051；2. 航宇救生装备有限公司，湖北 襄阳 441003)



红外热像用于服装表面温度与衣下空气层厚度的测量

上官形形1a, 1b,陈益松1a, 1b，王秀娟2, 邹磊2

(1. 东华大学a. 服装与艺术设计学院；b. 现代服装设计与技术教育部重点实验室，上海 200051；2. 航宇救生装备有限公司，湖北 襄阳 441003)

摘要：服装表面温度和衣下空气层厚度是研究服装穿着舒适性的重要参数.基于面料红外发射率的测定，校准了由红外热像测得的服装表面温度.考虑衣下空气层的存在，修正了人体-服装-环境系统的传热模型，同时基于面料的热阻测量值，提出了由红外热像测量静态衣下空气层厚度的估算算法.通过对人体服装穿着状态下的正面和背面红外热像拍摄，由服装外表面的温度场，计算了服装覆盖下的人体表面温度，估算了可测区域内典型空气层厚度，当空气层厚度较小时，测算值与观测值基本相符.

关键词：红外热像； 服装表面温度； 隔热性； 衣下空气层

服装穿着于人体，服装与皮肤之间有紧贴与不紧贴区域.服装不紧贴皮肤区域存在衣下空气层.衣下空气层的存在影响人体通过服装向环境的散热湿能力，是影响服装系统的热湿舒适性的重要因素.文献[1]利用红外热像仪测得紧贴皮肤部位的服装面料的温度来比较服装面料热阻的相对大小.该方法相对于传统热阻测量而言简单直接，但文中假定了织物的红外发射率均为0.84，未考虑不同红外发射率对红外热像仪测定表面温度的影响.实际上，织物的纤维材料、表面结构、整理涂层等因素都对织物红外发射率有影响[2-4].另外，该方法虽指出衣下空气层可看作服装的一部分，但没有给出详细的论述.文献[5]利用三维人体扫描仪获得裸体假人与着装假人的点云数据，通过逆向工程软件Geomagic建立人体表面模型与着装表面模型，两个表面模型之间的间隙可认为是衣下空气层.该方法虽然能得到衣下空气层较精确的分布，但该测量操作繁复，同时对穿着的服装也有特别的要求，需能够被扫描仪所扫描，且易出现数据不连续、需补破洞等问题.

在文献[1]的基础上，本文在测得服装面料红外发射率的数据后[3-4]，对通过红外热像测得的服装表面辐射温度进行修正从而得到其实际温度.同时，提出了以红外热像为基础的衣下空气层厚度的估算公式，使衣下空气层厚度的测量更加简单直观.

1红外热像技术测温机制

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.物体表面温度与物体的红外辐射能量、波长有密切关系[6].因此，通过对物体自身辐射的红外能量的测算，便能准确地测定它的表面温度.但实际上，物体的红外发射率因红外波长和温度的不同而不同，对于物理学上定义的具有漫反射特性的灰体，在温度变化范围不大时，其红外发射率等于其对外界红外辐射的吸收率，与波长和温度无关.具有漫反射特性的纺织面料属于灰体范畴，所以，织物的红外发射率可以认为是常数.

红外热像仪依靠接收的热辐射能量进行温度测量.但是进入镜头的能量不仅包括被测物体表面发射的红外辐射能量，还包括部分反射环境的红外辐射能量以及物体与热像仪之间的空气本身的热辐射能量.在实验室近距离对灰体进行测量过程中，物体和红外热像仪之间的空气辐射可以忽略，因此红外热像仪所接收到的物体表面的红外辐射力(Er，W/m2)[7]可表示为

(1)

其中：σ为史蒂芬-玻尔兹曼常数，(5.669 7±0.000 29)×10-8W/(m2·K4)；T为物体表面的实际温度，K；ε为物体的红外发射率；ρ为物体的红外反射率，当物体是不透明灰体时，ρ=1-α=1-ε，α为物体的红外吸收率；n为指数，对于窗口为8～14 μm波段的红外传感器，n近似为4；Ta为外环境空气层温度，K.

多数利用红外进行测温的物体其红外发射率为0.80～1.00[8]，实际应用中绝大多数制造商直接设定红外发射率为一个固定值(如0.95)来设计制造红外测温仪器.通过理论可知必须根据物体真实的红外发射率修正才可以得到物体表面的实际温度.对某一特定物体，红外辐射力Er一定，由式(1)得出：

(2)

(3)

其中：Tr为红外热像仪测得的物体表面的辐射温度，K；εc为红外热像仪默认设置的红外发射率.

通过式(3)，就可以根据服装面料的红外发射率修正红外热像仪测定的温度，从而考虑了服装面料红外发射率不同对测温准确性的影响.

2衣下空气层厚度红外测量原理

文献[1]就服装紧贴皮肤的前提下，提出红外热像用于服装面料隔热性能的评测方法，简单直接地比较了服装的隔热性能.但紧贴皮肤部位的服装区域有限，衣下空气层的存在影响人体通过服装系统向环境的散热量，影响服装面料的隔热性.图1为考虑空气层后的人体-服装-环境系统散热模型.

Tc—人体内部温度,K；Ts—人体表面温度,K；Td—服装内表面温度,K；Tb—服装外表面温度,K；Ta—外环境空气层温度,K图1　人体-服装-环境系统散热模型Fig.1　Heat transfer mode of human-clothing-environment system

文献[1]的公式可修正为

(4)

(5)

其中：q为通过单位面积的热功率，W/m2；Rc，Rd，Rb，Ra分别为人体的热阻、衣下空气层的热阻、服装面料的热阻、外环境空气层的热阻，K·m2/W.

由于面料和空气层厚度相对于服装表面积而言较小，通过服装的热流可近似认为是垂直于服装表面法线方向.人体内部温度Tc、人体的热阻Rc、外环境空气层温度Ta、外环境空气层的热阻Ra可以认为是恒定的.服装面料外表面温度Tb升高，由式(5)可知，q增加，Ts减小，Rb+Rd减小，对于同一件服装而言，服装的热阻Rb也是一个常数，所以Rd减小，即衣下空气层的热阻下降.在衣下空气层厚度范围不大的情况下，Rd与衣下空气层厚度呈正相关，Rd减小，则说明衣下空气层变薄.通过以上的方法，就可以比较衣下空气层的相对大小.

考虑到面料热阻测量的方式，式(4)和(5)的热阻在形式上近似等同于均质导热物体的热阻，对于均质物体，其导热公式为

(6)

其中：λ为物体的导热系数，W/(m·K)；d为物体的厚度，m；ΔT为物体两面的温度差，K.

假设衣下空气层是静止的均匀空气层，根据导热系数和热阻的定义得到：

(7)

(8)

(9)

其中：dj为衣下空气层的厚度，m；qc为恒温恒湿条件下人体舒适的基础干散热量，W/m2；λj为静止空气层的导热系数，0.027 W/(m·K).考虑到服装外表面空气为静态空气层，Rb应按GB/T11048—2008中的B法来测量.

对于同一件服装而言，服装面料的热阻Rb、静止空气层的导热系数是一个常数.在掌握恒温恒湿条件下人体舒适的基础干散热量qc、人体表面温度Ts的基础上，只要得到服装实际外表面温度Tb，根据式(9)，就可以得到衣下空气层的厚度.

3服装面料的红外评测试验

试验在温度为(22±0.5)℃和相对湿度为(65±3)%的恒温恒湿室内进行.用红外热像仪对着装人体进行表面温度场的拍摄，简单示意图如图2所示.由于人体是一个不规则的曲面，红外热像仪拍摄角度难以和人体曲面上每个表面法向相一致，此时红外热像仪不是正对着背部拍摄，而与背部法向存在一定的偏离角度β.文献[9]通过理论分析和试验论证表明曲率对测温结果无影响，由于其理论分析模型是一个简化模型，无法真实反映红外测温机理，结果有局限性.文献[10]论证了偏离角度β≤60°时，角度变化对红外测温结果基本没有影响；当偏离角度β>60°时，红外测得温度偏离实际温度(小于实际温度)，角度越大，测温偏差越大.因此在试验过程中，保证红外拍摄角度垂直于人体前胸和后背中央，确保中央区域的准确测量.

图2　红外热像拍摄示意图Fig.2　Shooting diagram of infrared thermography

将经密为270根/10 cm、纬密为300根/10 cm、面密度为0.012 3 g/cm2、厚度为0.53 mm、颜色为红色、红外发射率为0.81、热阻为0.011 4 K·m2/W的机织纯棉面料制作成服装.人体着装后，用Mikronscan 7604 PRO非制冷型红外热像仪观察服装正面和背面的服装表面温度，待服装表面温度稳定后，分别拍摄正面、背面的红外热像图，如图3所示.

(a) 正面　(b) 背面

通过红外图像处理软件MikroSpec 4.0分析服装表面温度及衣下空气层的分布情况.由于人体构造复杂，各部分皮肤表面温度特别是四肢与躯干部分相比有明显差异，但躯干部分是人体的核心区域，表面温度相对均匀，同时，躯干部分也是人体对温度场最敏感的区域.因此以人体躯干的胸部和背部作为重点研究区域.图3表明，表面温度高的正面胸部和背面肩胛骨部位与服装紧贴，与文献[11]中紧贴部位的划分一致.为了便于讨论，将图像中的热场分布大致划分为6个温度区域：Ⅰ皮肤暴露区域、Ⅱ服装与皮肤紧贴区域、Ⅲ少量空气层区域、Ⅳ空气层增多区域、Ⅴ大量空气层区域及VI躯干外区域.必须指出，服装表面的温度场是连续变化的，本文的划分仅为方便讨论.

选取了5个区域(VI不作为正常测量区域)着装状态下正面及背面共11个测量点.根据式(3)可知，服装实际外表面温度Tb与其表面辐射温度正相关.所以只需要比较上述红外热像仪测得的11个点的表面辐射温度，就能根据式(5)直接比较11个点处的衣下空气层厚度的相对大小，而通过式(9)可计算衣下空气层厚度的具体值.本试验采用的非制冷型红外热像仪红外发射率的默认值εc设定值为0.98.在已知面料红外发射率的数据后，每个点的实际表面温度Tb的具体数值可由式(3)计算得到.查阅文献[12]可知，22℃下成年男子静坐时，显热量为78 W，站立显热量为静坐的1.2倍.因此22℃站立状态下，成年男子的基础干散热量qc为50.3 W/m2.由于式(9)的计算中，在着装情况和暴露于空气中的人体表温度是不同的，所以通过紧贴皮肤区域中空气层的厚度dj=0反算出Ts=307.35 K(34.2℃).在掌握人体表面温度Ts的具体数据后，根据式(9)计算各点的空气层厚度.拍摄现场所测相应各点空气层厚度的数据作为观测值. 计算值与观测值如表1所示.

表1　试验数据及测量结果

(续　表)

注：由于人体皮肤红外发射率为0.98，因此Ⅰ区域温度不必修正.

由表1可知，当空气层厚度较小时，其测算值与观测值较接近；当空气层厚度较大时，其测算值小于观测值，且空气层厚度越大，偏差也越大.衣下空气层厚度测算值与实际观测结果虽有偏离，但基本趋势一致.两者的差异分析有4个原因：(1)由于测算值的计算方法是基于理想状态的绝对静态空气，但实际上静态空气只是一种相对状态，由于人体作为热源对衣下空气的加热作用形成的微流动和弱对流现象，而仅按照静态空气层导热系数的测算值并不精确.(2)从裸态的人体热像图可知，人体皮肤温度分布并不完全一致，试验中通过空气层厚度为0，反推得到的人体表面温度是一个估算值.(3)文献[9]中对金属试验所得60°的偏离角度的临界值对人体服装表面测温并不适用.实际观察发现人体服装表面测温时，当偏离角度β大于30°时，偏离角度变化对红外测得的服装表面温度(小于实际温度)有影响，偏离角度越大，测温偏差越大，总体趋势与文献[10]研究结果一致.(4)面料热阻测量应综合考虑热传导、热对流和热辐射的影响，而GB/T 11048—2008《纺织品 生理舒适性稳态条件下热阻和湿阻的测定》却忽略了对流和辐射的部分.因此在后续的研究中需要进一步考虑空气导热和对流联合作用、人体表面温度的准确测量、人体表面倾斜率对红外测温的准确性的影响、空气层内部辐射对面料热阻的影响及进行相应的校正.服装边缘VI区的人体曲面的法向和红外热像仪拍摄方向的偏离角度β大于30°，脱离了人体正常辐射可测区域，为无效测量区.

4结语

本文基于服装面料红外发射率的测定，校准了由红外热像测得的服装表面温度，提高红外热像技术测温的准确性.考虑衣下空气层的存在，修正了人体-服装-环境系统的传热模型，基于面料的热阻测量值，提出了由红外热像测量静态衣下空气层厚度的估算算法.通过对一种面料制成的服装进行人体着装红外热场拍摄试验，分别拍摄正面和背面的红

外热像图，同时实测对应测量点的衣下空气层厚度值.将所拍热像图的服装外表面的温度场依据衣下空气层的不同划分为6个区域，并估算了服装覆盖下的人体表面温度及可测区域的典型空气层厚度.当空气层厚度较小时，其测算值与观测值相符；当空气层厚度增大时，其测算值逐渐偏离观测值(小于观测值)，且空气层厚度越大，偏差也越大.虽然衣下空气层厚度测算值与实际观测结果有偏离，但基本趋势一致.本文所述方法简单易行，为后续研究提供了理论依据和研究基础，同时扩展了红外热像技术在服装舒适性领域的应用范围.

参考文献

[1] 陈益松,徐军.红外热像用于服装面料隔热性能的评测[J].纺织学报,2007,28(12):81-84.

[2] 万志琴,张渭源.织物有效辐射系数的理论探讨与实验研究[J].中国纺织大学学报,2000, 26(1):44-47.

[3] 徐军,陈益松,甄慧英,等.基于红外热像技术的织物红外发射率测量方法[J].纺织学报,2009, 30(9):41-44.

[4] 丁雪婷. 面料抗光热辐射性能与红外发射率的测量研究[D]. 上海：东华大学服装与艺术设计学院, 2013：20-29.

[5] 王云仪,张雪,李小辉,等.基于Geomagic软件的燃烧假人衣下空气层特征提取[J].纺织学报,2012,30(11):102-106.

[6] 姚仲鹏,王瑞君.传热学[M].北京：北京理工大学出版社，2007：239.

[7] OKAMOTO Y， INAGAKI T， SEKIYA M． Surface temperature measurement using infrared radiometer: 1st report，radiosity coefficient and radiation temperature[J]. Transaction of the Japan Society of Mechanical Engineering Series B，1993,59(568): 3932-3937．

[8] 蔡锦文.发射率的修正在红外校准工作中的应用[J].电子质量,2009,25(2):68-69,76.

[9] 郭道峰,王家森,刘忠齐.球面热源辐射特性的研究[J].中国医学影像技术,2002,18(8):830-833.

[10] 常国强,常海萍,王寅会,等.曲面红外测温方向性误差分析与修正方法[J].航空动力学报,2010,25(2):302-307.

[11] 张渭源.服装舒适性与功能[M].北京：中国纺织出版社，2005：45-46.

[12] 朱颖心.建筑环境学[M].北京：中国建筑工业出版社，2010：126-130.

文章编号：1671-0444(2016)03-0386-04

收稿日期：2015-05-18

作者简介：上官形形(1991—)，女，浙江温州人，硕士研究生，研究方向为服装舒适性.E-mail:sgxx_616@163.com 陈益松(联系人)，男，教授，E-mail:cys@dhu.edu.cn

中图分类号：TS 943.79

文献标志码：A

Measurement of Thickness of Air Layer under Clothing and Clothing Surface Temperature by Infrared Thermography

SHANGGUANXing-xing1a, 1b,CHENYi-song1a, 1b,WANGXiu-juan2,ZOULei2

(a. Fashion and Art Design Institute; b. Key Laboratory of Clothing Design and Technology,Ministry of Education, 1. Donghua University,Shanghai 200051, China;2. Hangyu Lifesaving Equipment Co. Ltd.， Xiangyang 441003, China)

Abstract:The clothing surface temperature and thickness of the air layer are important parameters on clothing wearing comfort study. Based on the determination of fabric emissivity, the clothing surface temperature measured by infrared thermography is corrected. Considering the existence of the air layer under clothing, the heat transfer model of the human-clothing-environment system is amended. At the same time, based on the measurement of fabric thermal resistance, the estimation algorithm of static air layer thickness under clothing using infrared thermography is put forward. The front and back infrared images under wearing are taken, and the body surface temperature is calculated under cover of clothing from the temperature field of the outer surface of the clothing. The typical thickness of air layer in the measurable area is estimated. When the thickness of air layer is thin, estimated results are consistent with the actual situation values.

Key words:infrared thermography； clothing surface temperature； insulation； air layer under clothing