红外热成像测试：提高产品性能的非接触技术

2023-06-21 理论教育版权反馈

【摘要】：红外热成像仪就是把这些红外辐射捕捉下来，用于产品的性能改进。红外热成像测试技术实现了非干扰、非接触的测试，相比于传统的鞋腔温湿度测试，提供了一个更直观、更准确、非接触的技术手段。红外热成像仪测试表明：在镂空处的部位，温度明显高于传统鞋款，热量经空气对流散失，达到降温的目的。通过红外热成像仪的测试，发现此款鞋的鞋腔温度得到了有效散发。红外热成像技术是服装舒适性领域中非常重要的一个方面。

所谓红外热成像，指红外辐射，它普遍存在于自然界，任何温度高于绝对零度的物体，人体、冰、雪等都在不停地发射红外辐射。红外热成像仪就是把这些红外辐射捕捉下来，用于产品的性能改进。通常人眼的可见光波段在0.38～0.78um，红外线波段波长超出人眼可见光范围，在0.78～1000um，借助热成像仪的研发，可以帮助获取这些看不见、摸不着的红外线的存在。

（一）鞋类红外热成像测试

红外热成像技术是非接触式的足部温度测量技术，传统的鞋类散热性能研究与评价主要使用温湿度测量仪，被测试的人员需要脱下鞋，再使用探头进行测试，穿脱的过程中，足部会带走部分热量，最终的测试结果往往与真实值之间存在较大误差。随着技术的不断发展，红外热像仪被使用，主要是通过获取物体表面散发出的红外波，并转化为温度，以衡量物体的表面散热性能。

早期国内的温湿度测试，为了评价鞋类产品的散热透湿性能，往往把测量温湿度的传感器安置在鞋腔之内，测试者穿着运动之后，快速从鞋腔内抽出来测试鞋腔的温湿度变化。由于穿鞋和脱鞋的过程中会带走热量和湿气，所以对测试结果造成很大干扰。红外热成像测试技术实现了非干扰、非接触的测试，相比于传统的鞋腔温湿度测试，提供了一个更直观、更准确、非接触的技术手段。

通过红外热成像仪，能够清楚地观察到足部散热分布情况，并根据这些数据，对鞋靴不同区域的材料和结构进行改进设计。例如，夏季凉鞋的开孔位置、开孔结构（圆形或菱形），一般鞋类的材料厚度选择和帮面工艺选择等（图3-33、图3-34）。

通过测试赤足运动足底主要散热点和区域，在凉鞋底部的主要散热区域进行镂空设计，使得鞋内热量通过空气的热量传递散失掉，从而达到舒适性目的。红外热成像仪测试表明：在镂空处的部位，温度明显高于传统鞋款，热量经空气对流散失，达到降温的目的。

图3-33　整鞋散热性测试

图3-34　鞋底散热性测试

红外热成像仪温度测评观察如图3-35所示，颜色代表的意义，即红、黄、绿、蓝温度呈依次递减趋势（彩色图层见随书附赠网络教学资源）。

红外热成像技术能够对人体不穿鞋状态的足部温度分布进行测试，是获取人体足部基础散热规律的重要手段，对于设计和研发散热性能更好的鞋类产品具有重要意义（图3-36）。

为了规定测试者运动的强度，在红外热成像测试中，往往需要额外的辅助设备完成试验，跑步机就是其中重要的设备（图3-37）。测试人员能够在跑步机上按照预先规定好的测试强度进行测试，理论上认为同一名测试对象在测试强度统一的情况下，其散发出的热量也应该相同，以此来评价不同鞋类材料和结构特征下的散热性能。

图3-35　红外热成像测试温度分布

图3-36　足部温度测试

图3-37　测试中应用的跑步机

（二）红外热成像在鞋类设计领域的应用

红外热成像技术可以实现非接触测试，可以测试不同帮面结构和材料使用状态下鞋的透气散热性能。

测试分成三个部分：制订测试装备和方案、测试不同鞋类产品表面散热性能、测试鞋类产品表面的温度分布。

以一款散热极佳的鞋款为例，最初研发的目的是满足专业运动员对鞋靴散热的要求，帮面的设计采用大孔径透气网孔，在鞋底上也开设网孔，通过红外热成像仪，要求测试对象在跑步机上以规定速率在规定时间内进行运动，当运动停止后，让测试者将鞋子放置在跑步机上固定部位，停止跑步机，然后通过红外热成像仪测量运动后鞋的表面温度，以获取鞋表面温度的分布图。鞋表面散发出来的热量越多，鞋腔内相对储存的热量就越少；相反，鞋表面散发出来的热量越少，鞋腔内相对储存的热量就越多。通过红外热成像仪的测试，发现此款鞋的鞋腔温度得到了有效散发。不同的鞋类产品左、右脚鞋帮面的温度分布是不同的，热量散发越多，越有利于保持鞋腔温湿度环境。

通过红外热成像测试还可以获取人体不穿鞋状态，足表温度分布趋势，足背和足踝四周是温度分布较高的区域，通过研究人体基础足部热量代谢，可以帮助我们设计和选择帮面透气效果更好的鞋，针对热量散发高的足部区域使用更多透气散热材料。

国内对于鞋类穿着舒适性的研究技术仍以主观感受为主，舒适性技术指标缺乏客观实验数据作为支撑，使得鞋类穿着舒适性研究存在不能量化、精确化的弊端，严重限制了产品舒适性的提升。究其原因是鞋类穿着舒适性相关测评仪器设备研发落后所致，研发设备的性能对实验数据误差的影响导致最终测量数据无法较好地反映舒适性。在穿着舒适性的影响因素中，基于温度的穿着舒适性研究最为重要。

（三）服装红外热成像测试及应用

现有服装舒适性技术不仅包含之前讲到的服装压力测试技术、人体三维扫描测试技术、高速影像相关技术，随着相关学科的发展，服装的舒适性研究涉及的技术逐渐完善。红外热成像技术是服装舒适性领域中非常重要的一个方面。

在人体—服装—环境系统中，服装与人体及环境的关系是复杂的。人是恒温动物，人体通过出汗、血管收缩及扩张来调节温度变化以保持体温。在各种气候和生理条件下，服装在人体和环境之间起到热阻的作用，从而保证人体的热状态处于在人体生理调节的范围之内。人体的散热在大部分情况下是处于微汗状态，因此在绝大多数的纺织服装面料都具有一定的透气能力的情况下，服装面料的隔热性能就是人体保持热舒适性的重要指标。

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。通过测量物体自身辐射的红外能量，就能测定它的表面温度。

1.红外热成像技术在服装设计领域应用的背景

20世纪40年代初，国外学者就开始从气候学和生理学的角度进行服装穿着的热湿舒适性研究。20世纪60年代以后，合成纤维得以广泛应用，常规合成纤维在使用中产生的闷热感更加促进了服装热湿舒适性的研究。20世纪70年代以后，服装热湿舒适性的研究则更加活跃，研究者主要用仪器模拟实验方法、人体穿着实验方法和生理方法对服装热湿舒适性进行研究，还有学者对服装系统热湿交换过程应用数学和物理的方法进行了大量的研究。服装舒适性的研究包括织物导热、导湿性能的研究，服装热湿舒适性评价方法研究等。

服装面料的热阻通常用平板仪、圆筒仪来测定。这些测量方法具有很大的缺陷和弊端，没有办法直接测量出面料的表面温度。如果使用环境温度代替面料表面温度，环境温度里包含了面料外附面空气层的热阻引起的温度，必须要扣除附面空气层的热阻，只有使用面料的热阻才能应用公式得出面料表面的温度。实际附面空气层常处于不稳定状态，影响附面空气层热阻的因素很多，很难精确测量，因此存在一定程度的误差。采用平板仪等测量的面料热阻是随附面空气层变化的一个相对值。而且也无法代替人体对服装面料隔热性能的直接感觉。对冷暖的感觉虽然不同的人差异较大，但正常人都可以非常敏感地感觉到服装变化引起的冷暖变化。在夏天即便是厚薄差异不大的服装，普通人也能正常分辨出透热能力的差异，感觉出不同的舒适程度。由此，诞生新技术的应用——红外热成像技术。服装是穿着在人身体上的，用红外热成像技术可敏锐地感知物体表面的红外辐射，还可精确地测量出物体表面的温度分布，并以热图的方式体现出来。通过红外热成像仪直接测量服装在穿着状态下的表面温度场情况，进而推导出其服装面料的隔热性能，探究服装的散热保暖性能。服装舒适性技术所应用的热成像仪采用被动式热成像系统，可分为制冷型和非制冷型两类，依靠收集物体发射的红外线判断温度的分布特征。

2.红外热成像技术在服装设计领域应用的案例

（1）服装面料隔热性实验。在温度为25℃、相对湿度为55%的恒温恒湿条件下，将六种织物覆盖于人体手臂上，待织物表面的温度稳定后，用红外热成像仪分析并比较织物表面的温度变化（表3-5）。

表3-5　不同织物隔热值的大小

对比上述结果，可以得到各个纺织纤维的隔热性能的大小情况。

（2）红外热成像技术对内衣保暖性能的测试。实验环境温度设置20℃，相对湿度65%。在出汗暖体假人控制皮肤温度恒定后，穿上待测保暖内衣。30分钟后，用红外热成像仪在距假人2米处拍摄保暖内衣表面（正面）的热像图。利用红外报表分析系统软件，对前胸分割的五个区域作热成像曲线图（表3-6）。

表3-6　不同保暖内衣的保暖性能测试

单位：℃

上述结果表明隔热性能为：暖绒保暖内衣＞中空纤维保暖内衣＞远红外保暖内衣＞纯棉内衣，即暖绒保暖内衣的保暖性能最好。

（3）红外热成像技术对服装热防护性能的测试。在火场危险环境下，人们需要通过穿热防护服来躲避火焰伤害。热防护服被广泛地应用于保护消防员、炼钢工人及从事其他高温危险场合作业的工作人员（图3-38）。热防护服能够抵挡火焰短时间的燃烧，但是服装在冷却的过程中依然能够导致烧伤的发生。所以需要对燃烧后服装及人体表面温度变化进行研究，以有效地得出热防护服防护性能是否良好，也是对特殊职业工作人员生命安全的保证。

图3-38　热防护服

图3-39　选取的温度区域

还可采用红外热成像仪观测服装的表面温度，利用燃烧假人系统对人体的表面温度进行采集分析。燃烧前固定好红外热成像仪，然后将着装后的燃烧假人暴露于闪火环境中，通过热成像仪和假人系统记录服装表面与假人表面的温度变化。服装表面的温度会在燃烧结束后很长一段时间内保持着较高的温度，而且服装表面的高温会通过面料传递到人体，并使人体的表面温度在10秒内以大约0.5℃/S的速度上升热成像仪拍摄假人正面部位，对热像图进行温度区域的选取，所选取的位置区域与燃烧假人传感器相对应，总计在假人正面选取35个温度区域（图3-39），由此分析闪火时间、服装材料和号型以及着装姿势对表面温度变化的影响，为热防护服装的设计开发提供参考。

3.服装红外热成像测试步骤

（1）设备与仪器：MAG30在线式红外热成像仪。

（2）步骤。

①连接设备。该仪器主要的部件有MAG30系列在线式热成像仪（包括镜头）1台，12V电源适配器1个，网线1条（普通网线即可），I/O接线端子，安装盘（光盘内附带用户手册）。使用时，将热成像仪固定在三角支架上，连接处有螺丝固定，旋紧即可；将电源线插入12V直流电源接口，此时电源指示灯亮；将网线插入计算机的网线接口和热成像仪的网线接口，若连接通路，则网络接口的黄色指示灯变亮，若不通则检查网线等方面（图3-40）。

图3-40　设备连接

②将热成像仪与计算机直接通过网线相连，该情况下需要对计算机的IP地址进行修改。

③打开计算机上的红外热成像仪软件，由于是网线直接连接，在软件界面右侧的启用DHCP Server处打钩，打钩后MAG30-110257即为该设备的型号，此时连接完毕（图3-41）。

图3-41　打开和连接设备

④点击软件主界面左下方的黑色三角即可开始进行红外录制（图3-42），然后进行对焦，使出现的画面更加清晰，点击对焦按钮完成自动对焦（图3-43）。

图3-42　红外录制按钮

图3-43　自动对焦按钮

⑤根据需要进行保存，也可直接存储为温度流，方便以后进行相关分析。左键点击存温度流按钮，出现保存路径对话框，设置其保存路径。待完成需要的测量后，点击图3-44中黑色方框停止记录，此时完成实验过程。

图3-44　存温度流按钮

⑥对实验保存的温度流进行回放，首先断开热成像仪，点击图3-45中的断开按钮，然后点击主界面上方菜单的“回放”下拉菜单，选择打开文件，寻找保存的.mgs为后缀名的文件，可通过回放菜单中的“回放”控制进行一些相应的设置（如选择循环播放等）。

（3）记录测试结果：测试结果应记录测试对象的最高温度、最低温度和平均温度。

图3-45　断开按钮