基于红外热成像技术的袜子热湿舒适性研究yd19009
柯宝珠，花卉，陈雪娅，黄心洁 上海工程技术大学，上海201620
收稿日期：2015-07-21
基金项目：市级大学生创新计划项目(项目编号：CS1409003)
作者简介：柯宝珠(1977-)，女，湖北黄石人，副教授。
原载：山东纺织科技2015/5；1-4
【摘要】文章运用红外热成像仪直接测量人体在穿着纯棉、涤棉混纺、竹纤维等不同材质的袜子静止、慢跑后脚部的温度分布情况，同时设计了主观问卷调查表，对不同材质袜子在静止、慢跑后脚部的主观热湿舒适感觉进行了评价，并且以此研究设计了更加符合人体脚部湿热分布不均的袜子。
【关键词】红外热成像；袜子；湿热舒适性
【中图分类号】TS941 文献标识码：A 文章编号：1009-3028(2015)05-0001-05
1 引言
红外热成像仪是将红外光学透镜与红外传感器配合，根据测得的红外光谱的辐射照度来实现物体的非接触光学测温。早期的红外技术的应用主要在军事、光谱学、无损检测、商业多光谱成像分析、资源遥感、红外天文学、交通、风切变换探测、医疗、公安等领域。
红外技术在军事、医疗以及气象等领域已广泛应用，但其在纺织服装行业上的应用历史较短。红外测温技术在纺织服装领域的应用主要集中在面料纺织品的测试上，王云仪等[1]利用红外热像仪结合恒温水浴试验装置，对大豆蛋白复合纤维、莫代尔纤维以及混纺织物产品的热湿传递性能以及在热湿传递中的热湿耦合现象进行研究性能探索。陈益松等[2]利用红外摄像拍摄人体和服装表面的温度，通过实验发现红外摄像温度测量是一种有效的测量方式。在纺织工业中，由于某些工艺(如浆纱烘干、脱水织物烘干、织物热定型等)难于接触测温，红外辐射测温法值得广泛推广和应用。董侠等[3]对红外测温仪就预制试样的发射率不同、测量位置不同及试样受到红外辐射的照度不同等三种情况对红外测温仪测量结果的影响，探讨了准确测温的最佳使用条件和方法。龚小舟、夏羽等[4]通过红外热成像仪分别测试以经编间隔织物为里料的防弹衣的热湿传导性、透气散热性来探讨经编间隔织物对防弹衣的舒适性能的影响。探讨了利用经编间隔织物对防弹装备舒适性提高的可行性。用经编间隔织物代替传统防弹衣里料(平纹机织布)，并制成成衣。刘飒、李云红等[5]采用红外热成像技术对碳纤维织物的热传导性进行测算与评价。
然而红外技术在袜子舒适性研究以及功能的温度测量上应用较少。袜子作为人们日常生活服饰中不可或缺的一部分，其舒适与否直接影响到人们的生理健康和心理舒适感。炎炎夏日或者人体大运动量下，如果穿着的袜子不够吸湿排汗和透气，则会感觉闷热不适，甚至会引发脚臭或感冒。数九寒冬，如果穿着的袜子不够保暖又会因脚部温度分布不均而冻坏脚趾。本项目试图通过热成像技术来分析人体在静止、慢跑后脚部温度变化以及分布状况来设计适合人体脚部热湿舒适性的袜子。利用红外热成像技术研究袜子的热湿舒适性具有非常重要的意义，也是本文的创新。
2 实验
2.1 实验仪器及材料
本实验采用的仪器为FLIR T250红外热成像仪，该热成像仪热敏度为0.08℃，红外图像分辨率为240像素×180像素，温度范围为-20～+350℃，该热成像仪通过将红外辐射量转换成为电子视频信号，经过电子学处理，形成被测目标的红外热成像[6]。
本实验采用纯棉、涤棉混纺(65％棉，35 涤纶)、竹纤维三种材质袜子各3双。
2.2 实验条件和方法
实验环境条件设置为25℃±1℃，相对湿度为50％±5％。受试者为3名21岁的年轻女大学生。选取3人测试结果的平均值为实验结果。实验开始前，受试者每人穿着相同材质的袜子，进入实验环境，静止状态下适应环境30 min后，用红外热成像仪在距离受试者脚部约50 cm处拍摄脚背和脚底分别在静止、慢跑10 min(速度为5km／h)后，将袜子脱去瞬间的红外热成像图。然后利用红外热成像系统软件，分析脚部表面温度的分布情况。
3 结果与分析
3.1 实验结果
图1为受试者脚部穿纯棉袜子静止30 min状态下，将袜子脱去瞬间的热成像图。图1中，越亮的地方，温度越高；越暗的地方，温度越低。
|
|
|
图1脚部穿纯棉袜子静止30 min状态下温度分布 |
表1为脚部分别穿纯棉、涤棉混纺、竹纤维三种材质袜了静止30 min状态下的脚背和脚底最高温度，由表中可以看出.脚背与脚底的最高温度排序均为：纯棉>涤棉混纺>竹纤维。脚背和脚底的最高温度都是脚背动脉处和脚底中心部。表2为三种材质下脚部各部位的平均温度，由表3可以看出。在穿三种材质袜子静止30 min的状态下.脚部各个部位的平均温度基本上符合纯棉>涤棉混纺>竹纤维这个顺序。
|
表1 脚部分别穿三种材质袜子静止30min状态下的 最高温度单位（℃） |
|
|
表2为三种材质下脚部各部位的平均温度。由表2可以看出，在穿三种材质袜子静止30 min的状态下，脚部各个部位的平均温度基本上符合纯棉>涤棉混纺>竹纤维这个顺序。
表3为脚部分别穿纯棉、涤棉混纺、竹纤维三种材质袜子慢跑10 min状态下的最高温度，由表可以看出.脚背与脚底的最高温度排序基本为：纯棉≥涤棉混纺>竹纤维。脚背的最高温度是脚趾间，纯棉和涤棉混纺状态下脚底最高温度位置是脚趾间底部，而竹纤维的脚底最高温度位置是脚底中心部。
|
表2脚部分别穿三种材质袜子静止30 min状态下的 各部位平均江度 单位：(℃) |
|
|
|
表3脚部分别穿三种材质袜子静止10 min状态下的最高温度及所在位置 |
|
|
表4为三种材质下脚部各部位的平均温度，由表4可以看出，在穿三种材质袜子慢跑lO min的状态下，脚部各个部位的平均温度基本上符合纯棉≥涤棉混纺>竹纤维这个顺序。
|
表4脚部分别穿三种材质袜子慢跑10 min状态下的 各部位平均温度 单位：(℃) |
|
|
图2为受试者脚部穿纯棉袜子慢跑10 min状态下温度分布情况。(5 km／h，835 m，52 calories)状态下。将袜子脱去瞬间的热成像图。图2中，越亮的地方，温度越高；越暗的地方，温度越低。
由于人体脚部出汗及着力点主要在脚底部位，所以脚表面分为四个区域，分别为脚背(F1)、脚趾(F2)、脚掌(F3)、脚趾底部(F4)、脚跟(F5)。如图3所示。图4为这五个区域在穿着三种材质袜子保持静止30 min状态下的平均温度的变化情况。图5为这五个区域在穿着三种材质袜子保持慢跑10 min状态下的平均温度的变化情况。
|
|
|
图2脚部穿竹纤维袜予慢跑10min状态下温度分布 |
|
|
|
图3 区域划分 |
|
|
|
图4脚部分别穿三种材质袜子静止30 min状态下的 各部位平均温度变化折线图 |
针对区域划分，设计了主观舒适性问卷，记录了2名受试者对这五个区域的主观评价。主观评价由热感值和湿感值构成，最终结果取2人评价结果的平均值。本次主观评价采用5级标尺，最小值为0，最大值为4，数值越大，表示热感值越大或湿感值越大，相关的主观标尺见表5、表6.。
|
|
|
图5 脚部分别穿三种材质袜子慢跑10 min状态下的 各部位平均温度变化折线图 |
|
表5 热感主观评价标尺 |
|
|
|
表6湿感主评价标尺 |
|
|
表7和表8分别表示静止30 min和慢跑1O
min后脚部的热感和湿感的主观评价值。
|
表7 静止30 rain状态下的热感和湿感的主观评价结果 |
|
|
|
表8 慢跑10 min状态下的热感和湿感的主观评价结果 |
|
|
3.2 分析与讨论
根据实验结果可看出：第一，脚部在静止状态下，五个区域的最高温度温差较大，最高温度在脚背动脉处；而且相对于平均温度来说，脚趾以及脚跟部位要低于脚底和脚背1～2℃(由表1、表2可得)。但是脚部在运动状态下，五个区域的温度基本上差不多，最高温度在脚趾间；平均温度来说，脚跟部分还是略低于脚掌、脚背、脚趾部分，但其
他部分基本差不多(由表3、表4可得)。第二，在纯棉、涤棉混纺、竹纤维这三种材质的袜子中，棉的保暖性最好；竹纤维的透热性能更好。具体分析如下：
由表1、表2及图4可得出，在静止状态下，受试者穿着三种材质袜子后的脚部温度分布状况，无论哪种都是脚背的温度最高，而脚趾间和脚后跟的温度最低。而且无论哪个区域都是纯棉的温度最高，而竹纤维的温度最低。由此可得在静止状态下，棉的保温性能更好；在运动状态下，竹纤维的保暖性能最低。
由表3、表4及图5可得出，在慢跑10 min
后，本来静止状态处于温度最低的脚趾间的温度由于关节摩擦等原因成了最高温度，而其他几个区域的温度差别不是很大，而且脚后跟依然处于整个脚部的温度最低。可以看出，三种材质在该状态下，五个区域都是竹纤维的温度最低，因此可得竹纤维的透热性能最好。
由表7、表8可以看出，在静止状态下，纯棉袜子和涤棉混纺袜子的主观热感平均水平最高，与实验结果一致，也说明了纯棉袜子的保暖性能比较好。而在运动状态下，竹纤维袜子给受试者带来的主观热感和湿感水平最低，这也与实验数据相符，竹纤维的透湿热性能最好。
4 结论
从红外热成像仪测得试验的足部温度分布图，结合主观评价结果，可以为设计出更加符合人体脚部湿热舒适性的袜子提供参考。从以上分析得出的结论是，纯棉袜子的保暖性能最好，竹纤维袜子的透湿热性能最好。运动状态下：脚背和脚心的温度很高，尤其脚心部位运动时湿感较明显，所以脚背和脚心部位可以选择透热性好的竹纤维材质；脚跟的温度一直都很低，而且湿度不高，所以可以选择保暖性更好一点的纯棉材质或耐磨性较好涤棉混纺；脚趾是运动状态下最热的部分，也是最湿的部分，所以在选择材质时既要考虑到透气透热性也要考虑到透湿性，所以就可以选择竹纤维材质。这种根据实验所得数据设计出的不同材质拼接的袜子，更加符合脚部湿热分布不均状况，使得人体穿着袜子更加舒适。
参考文献：
[1] 王云仪，余庆文，冯家好，李俊，陈益松.新型再生纤维织物的热湿耦合作用口].纺织学报，2008，29(2)：37-45.
[2] 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)：81-83.
[3] 董侠，徐卫林，姚穆.红外测温仪在纺织上使用的条件及方法[J].西北纺织工学院学报，1997，11(3)：262-267.
[4] 龚小舟，郭依伦，夏羽，张庆庆，边伟波，彭长龙，赵仲，胡桢.防弹衣舒适性能改善设计[J].防护装备技术研究，2013，6(3)：9-12.
[5] 刘飒，李云红，王延年.用红外热成像技术对碳纤维织物的热传导性进行评价[J].2010年全国科学仪器自主创新及应用技术研讨会论文，2010，4(2)：84-87，91.
[6] 吴宗凡.红外热像仪的原理和技术发展[J].光学及光电仪器，l997(2)：28-43.