基于NI LabVIEW平台的织物动态热湿测试仪开发.pdf

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1、第2 9 卷第3 期 2 0 0 8 年3 月 纺织学报 J o u r n a lo f “ r e x t i l eR e s e a r c h V 0 1 2 9N o 3 M 盯2 0 0 8 文章编号：0 2 5 3 9 7 2 1 ( 2 0 0 8 ) 0 3 0 0 2 5 0 5 基于N IL a b V I E W 平台的织物动态热湿测试 杨凯，陈益松，张渭源 ( 东华大学服装学院，上海2 0 0 0 5 1 ) 仪开发 摘要针对织物动态热湿舒适性能客观评价的问题，开发了一台基于N IL a b V l E W 平台的织物动态热湿测试仪。 该仪器是模拟出汗皮肤一微气候一

2、织物3 级系统，通过L a b V I E W 虚拟仪器程序实时测量待测织物覆盖于模拟出汗皮 肤表面时，其内外两面温湿度值的变化情况，对待测织物的动态热湿舒适性能进行评价。实验证明该仪器具有良 好的控制精度及重复精度。使用该仪器对4 种不同纤维织物进行研究，通过对微气候内的温湿度变化曲线及织物 内外层温湿度差曲线的分析，对4 种织物的动态热湿舒适性能进行评价。 关键词动态热湿舒适；L a b V I E W ；虚拟仪器；温湿度 中图分类号：T S1 0 1 9 2 3文献标识码：A D e v e l o p m e n to ft e x t i l e Sd y n a m i ch e

3、a t m o i s t u r em e a s u r i n gi n s t r u m e n t b a s e do nN IL a b V I E W Y A N GK a i ，C H E NY i s o n g ，Z H A N GW e i y u a n ( F a s h i o nI n s t i t u t e ，D o n g h u aU n i v e r s i t y ，S h a n g h a i 2 0 0 0 51 ，C h i n a ) A b s t r a c t A i m i n ga to b j e c t i v ee v

4、 a l u a t i o no nt e x t i l e Sd y n a m i ch e a t m o i s t u r ec o m f o r tp r o p e r t i e s ，t h i sp a p e r d e v e l o p e dat e x t i l e 7 Sd y n a m i ch e a t m o i s t u r e m e a s u r i n gi n s t r u m e n tb a s e do nN IL a b V I E W w h i c hs i m u l a t e d s w e a t i n g

5、s k i n m i c r o c l i m a t e f a b r i c B yt e s t i n gt h er e a lt i m ec h a n g e so ft e m p e r a t u r ea n dr e l a t i v eh u m i d i t yi n i n n e ra n do u t e r8 u l 玉a c e $ o ff a b r i cw h e ni tw a s ：c o v e r e d w i t hs i m u l a t e ds w e a t i n gs k i nb yL a b V I E W

6、v i r t u a l i n s t r u m e n ts o f t w a r ep r o g r a m t h ei n s t r u m e n tm a d ee v a l u a t i o no ft e x t i l e S d y n a m i ch e a t m o i s t u r e c o m f o r t p r o p e r t i e s A n di tW a sp r o v e dt oh a v eg o o dc o n t r o l l i n gp r e c i s i o na n dr e p e a ta c

7、 c u r a c yb yl o t so fe x p e r i m e n t s T h i si n s t r u m e n tW a su s e dt os t u d yf o u rk i n d so ff a b r i c sw i t hd i f f e r e n tf i b e r sb ya n a l y z i n gt h e i rt e m p e r a t u r ea n d r e l a t i v eh u m i d i t yv a r i a t i o nc u r v e si nm i c r o c l i m a

8、 t e ，a n dt e m p e r a t u r ea n dr e l a t i v eh u m i d i t yd i f f e r e n c ec u r v e so f i n n e ra n do u t e rS u r f a c e so ff a b r i c sa n dn l a k e e v a l u a t i o no ft h ef o u rf a b r i c s d y n a m i ch e a t m o i s t u r ec o m f o r t p r o p e r t i e s K e yw o r d

9、 sd y n a m i ch e a t m o i s t u r ec o m f o r t ；L a b V I E W ；v i r t u a li n s t r u m e n t ；t e m p e r a t u r ea n dr e l a t i v eh u m i d i t y 服装材料和织物的热湿传递性能及其评价是服 装舒适性研究的重要内容，但是多年来，学术界的研 究主要集中于稳态( 静态) 时服装的热湿传递，而 实际上人体的散热散湿并非总是在稳态条件下进 行。近2 0 年来，人们逐渐开始认识到动态热湿传递 性能与稳态时有很大差别，也纷纷开始将研究集中

10、于织物的动态热湿舒适性上托。3 1 ，但是动态热湿传 递过程相当复杂，而且由于实验仪器的限制，无法对 其进行动态跟踪，许多瞬时的变化无法了解，这在很 大程度上影响了对热湿动态变化的真正观测，也就 难以对其舒适性进行客观的评价制。本文以美国国 家仪器( N I ) 公司的虚拟仪器为架构，以L a b V I E W 为 系统软件开发环境，开发了一台用于测试织物( 服装 材料) 动态热湿传递性能的微气候模拟仪。该微气 候仪能准确地对织物的动态热湿舒适性能进行 评价。 1 仪器的基本结构及功能 织物动态热湿测试仪的基本结构如图1 所示。 收稿日期：2 0 0 7 0 41 2修回日期：2 0 0 7

11、 1 0 1 7 作者简介：杨凯( 1 9 8 2 一) ，女，博士生。主要研究方向为服装舒适性。E m a i l ：k a i k a i 4 2 2 y a h o o c o m c a 。 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 2 6 纺织学报 第2 9 卷 它是模拟皮肤一微气候一织物3 级系统。模拟皮肤和 待测织物之间是模拟衣下微气候区，为了减少微气 候区温湿度分布不匀的影响，仪器制成圆筒形。为 使热湿传递沿垂直于待测织物的一维方向进行，除

12、试样表面暴露于环境外，底部及四周均有内衬聚氨 酯塑料泡沫的有机玻璃外壳作隔热保护层。选择人 造麂皮( 厚0 8 1m m ，面密度2 7 6 9g m 2 ) 作为模拟皮 肤，它具有良好的水扩散性能及形状稳定性。用加 热电阻丝作为热源，给水加热，以使模拟皮肤的温湿 度值稳定在3 3o C 、1 0 0 ( 相当于人体皮肤出汗时的 温湿度值) 。待测织物通过橡胶圈固定在仪器凹槽 上，橡胶圈连同待测织物可从仪器一侧拉出和推入， 以模拟皮肤开始出汗和停止出汗的动态过程。待测 织物与模拟皮肤问的微气候区厚度可在0 5 、1 、1 5 、 2c m 之间选择，可进行单层或多层织物不同空气层 厚度的测试。

13、3 组温度、湿度传感器分别固定在待 测织物的内外两面和模拟皮肤的上表面，其温湿度 信号连同加热电阻丝的功率信号通过信号调理器、 A D 转换和数据采集卡后，送往仪器测控系统，测控 系统用于控制模拟皮肤温湿度，并对待测织物内外 两面的温湿度值进行实时记录和显示。 有机玻璃模拟待测温湿度 图1 仪器基本结构图 F i g 1 B a s i cs t r u c t u r a ld i a g r a mo ft h ei n s t r u m e n t 为保证该仪器的精度，传感器等硬件设施的选 择至关重要b 。温度传感器采用热电阻温度传感 器，由于铂电阻具有良好的稳定性和测量精度，是经 典

14、的温度传感器，故本文选用P t l 0 0 铂电阻温度传 感器，尺寸为5r a m ( 长) 2m m ( 宽) 1r a m ( 厚) ，温 度范围为一5 0 1 0 0 ，精度为0 1o C 。湿度传感器 采用美国H o n e y w e l l 公司制造的H I H 3 6 1 0 型高分子 膜( 热固性树脂膜) 湿敏电容传感器，其尺寸为 8 9m m ( 长) 3 8m l n ( 宽) x0 6m m ( 厚) ，电源电压 为5V 直流，精度为2 。信号调理卡选用S C X I 1 1 2 2 型号，其技术参数为：1 6 个独立输入通道，2 个独立 激励通道，每秒1 0 0 个采样

15、点。支持多路复用模式。 数据采集卡选用N IP C I 6 0 2 4 E 型号，其技术参数为： 1 2 位分辨率，1 6 路单端模拟输入，每秒2 0 万个采样 点的采样率。 该仪器的测控软件系统以美国国家仪器( N I ) 公 司的虚拟仪器为架构，以L a b V I E W 软件为开发环境 编制哺+ 8 1 。系统结构图见图2 。系统分为测量和控 制2 个模块。测量模块主要完成待测织物内外两面 温湿度数据的采集、图形化显示、文件存储和超限报 警；控制模块将模糊控制算法嵌入到P I D 控制模式 中，控制模拟皮肤维持在人体大量出汗的状态，即温 度3 3 。相对湿度1 0 0 。 匡垂圃日匝亘

16、固畸匦亟塑匦塑塑图西 匾匦垂圃学匝圃日 图2 测控系统结构图 F i g 2 S t r u c t u r a ld i a g r a mo fm e a s u r i n ga n dc o n t r o l l i n gs y s t e m 该仪器可用于评价织物的动态热湿舒适性能。 首先开启仪器测控系统，加热水域，控制模拟皮肤的 温湿度并稳定在3 3o C ，1 0 0 ，将温度、湿度传感器 分别固定在待测织物的内外两面，再将待测织物固 定在橡胶圈上，瞬时推入仪器，放置于仪器凹槽中， 以模拟人体皮肤开始出汗的动态过程，此时仪器测 控系统将随时间变化的织物表面温湿度信号采集下 来

17、，并以数据文件的形式存储在磁盘中，根据需要可 以随意对数据文件进行调用和各种处理。 2 仪器性能分析 为判定该仪器的性能，在人工气候室( 温度 ( 2 5 1 ) 、相对湿度( 5 0 2 ) ) 进行了棉织物的 动态热湿传递重复实验。实验过程中，模拟出汗皮 肤的温湿度控制情况如图3 所示。可以看出，模拟 皮肤表面的温湿度可以很快达到设定值( 约5r a i n ) ， 而且温度和相对湿度的波动范围始终分别控制在 ( 3 3 0 1 5 ) 、( 1 0 0 2 ) ，其总变异系数分别不超 过0 2 5 、0 9 4 。表明模拟皮肤的稳定性良好，该 仪器的控制精度较高。 为检验该仪器的重复精度

18、，对同一种棉织物进 行了3 0 次重复实验。织物达到动态平衡后的温湿 度实验结果和数据处理见表1 。温度测量值的极限 误差小于0 2 5 62o C ，算术平均值极限误差小于 0 0 1 85 ，变异系数小于0 2 7 ；相对湿度测量值 的极限误差小于1 6 8 91 ，算术平均值极限误差小 于0 1 3 27 ，变异系数小于0 8 2 ，说明该仪器系 统的精密度良好。 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 第3 期杨凯等：基于N IL d b V I

19、E W 平台的织物动态热湿测试仪开发 2 7 p 趟 赠 鋈 瑙 刑 韶 罂 时间35 ( a ) 模拟皮肤温度曲线 时间3s C o ) 模拟皮肤相对湿度曲线 图3 模拟出汗皮肤的温湿度控制曲线 F i g 3T e m p e r a t u r e ( a ) a n dr e l a t i v eh u m i d i t y ( b ) c o n t r o l l i n gc u r v e so fs i m u l a t e ds w e a t i n gs k i n 表l 温湿度值的数据处理结果 T a b 1D a t ap r o c e s s i n gr

20、 e s u l t so ft e m p e r a t u r e a n dr e l a t i v eh u m i d i t y 3 仪器的应用 该仪器主要用于讨论在人体持续剧烈运动或者 外界温度过高等情况下，人体大量出汗时的热湿传 递，因此选择用于制作运动服装或夏季休闲服装的 面料进行实验，主要有棉、羊毛、涤纶和细旦丙纶，各 种面料的具体参数见表2 。实验在人工气候室中进 行，实验前面料在人工气候室中经过2 4h 调湿处理， 然后开始测试。实验中，待测面料与模拟皮肤问的 微气候区厚度设置在1e m ，进行单层面料测试。 表2 面料参数表 T a b 2D e s c r i

21、p t i v ei n d e x e so ft h ef a b r i c s 实验中，测定不同面料动态热湿传递过程中，面 、 料内外两面的温度及相对湿度变化，每种面料均得 到温度随时间的变化曲线( 2 条) 和湿度随时间的变 化曲线( 2 条) 。典型的温湿度变化曲线如图4 所示。 p 倒 娟 料内表匝 料外表面 时同33 ( b ) 相对湿度曲线 图4 典型温湿度变化曲线 F i g 4T y p i c a lt e m p e r a t u r e ( a ) a n dr e l a t i v eh u m i d i t y ( b ) v a r i a t i o

22、nc u r v e s 从图4 可看出，曲线在不同的阶段呈现出不同 的形式和变化规律。放入待测面料前，面料的温湿 度与外界环境大致相等，不存在温湿度梯度；放人面 料后，模拟皮肤出汗，水分开始蒸发，微气候内的温 湿度迅速升高，面料内外两侧的温湿度梯度迅速提 高；随着热湿的不断扩散，当从模拟皮肤表面散发的 热湿与通过织物向外界散发的热湿趋于相等时，达 到新的动态平衡，此时微气候内的温度和湿度维持 在一个相对稳定的状态。从上述曲线中提取3 项动 态因子用于评价面料的动态热湿舒适性能。 1 ) 面料内表面温湿度曲线的初始斜率为测试的 前3 0s 中拟合直线的斜率，表征在面料刚接触热湿 弘“驼引捞勰；

23、号”筋 弛引如”勰”拍“M 黔“加：会鲐如帖柏 q魁嘣苌霉 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 2 8 纺织学报第2 9 卷 环境时，对热湿的瞬时吸收和传递性能。一般来说， 温湿度上升越快，感觉越不舒适。 2 ) 动态平衡时面料内表面温湿度上升的最大值 表征面料对热湿的传递和扩散性能，性能好的面料 容易散湿，面料与人体皮肤间温湿度的上升值也相 对小一些。 3 ) 动态平衡时面料内外两面的温湿度差。一般 而言，热湿传递性能好的面料，热量及湿气容易透过 面

24、料传递到环境中，内外两面的温湿度差也较小。 图5 为4 种不同面料微气候内表面温湿度变化 曲线。模拟皮肤出汗后，微气候内的热、湿达到新的 平衡状态，4 种面料的微气候内温湿度值有较大差 异，其值越高，表明面料对热、湿的阻力越大，热量和 湿气不易散发，热湿舒适性能越差。图中，温湿度从 大到小依次是棉织物、羊毛织物、涤纶织物和细旦丙 纶织物。 时间3s ( b ) 相对湿度曲线 图5 不同面料的内表面温湿度变化曲线 F i g 5T e m p e r a t u r e ( a ) a n dr e l a t i v eh u m i d i t y ( b ) v a r i a t i o

25、 n c u r v e si ni n n e rs u r f a c eo fd i f f e r e n tf a b r i c s 总的来讲，在人体饱和出汗时，亲水性织物( 棉、 羊毛等) 由于吸水性很好，大量吸收水分后，导致微 气候内湿度高，人体会产生闷湿的感觉，并且亲水性 基团的存在使水分子和棉或毛织物的结合比和疏水 性织物( 涤纶、丙纶等) 要牢固得多，因此面料将在较 高的湿度水平维持较长时间。涤纶、细旦丙纶等疏 水性面料吸收热量和水分大大少于棉织物，故微气 候内的温湿度值小于棉织物和羊毛织物，人体穿着 的热湿舒适性好于亲水性的棉、毛织物。 实验中，通过对织物内外表面温湿度

26、的实时测 量，得到织物内外表面的温湿度曲线，同时，也得到 不同织物内外表面的温湿度差曲线，如图6 所示。 不同纤维织物的内外表面温湿度差曲线差异性明 显，达到动态平衡时其差值从大到小依次是棉织物、 ， 羊毛织物、涤纶织物和细旦丙纶织物。内外两面的 温湿度差越小，表面热量及湿气越容易透过面料传 递到环境中，在人体大量出汗时，其舒适性也越好。 p j I | l I 避 碉 述 剁 世 嘲 丧 霹 5 l1 0 l1 5 l2 0 12 5 l3 0 I3 5 l4 0 l 时间3s ( a ) 温度曲线 棉 。 羊毛 涤纶 细旦丙纶 棉 羊毛 涤纶 细旦丙纶 l5 11 0 l1 5 l2 0

27、l2 5 I3 0 l3 5 14 0 1 时问3s ( b ) 相对湿度曲线 图6 不同面料内外表面温湿度差曲线 F i g 6T e m p e r a t u r e ( a ) a n dr e l a t i v eh u m i d i t y ( b ) d i f f e r e n c e c u r v e so fi n n e ra n do u t e rs u r f i c 船o fd i f f e r e n tf a b r i c s 4 结论 本文引入美国国家仪器公司虚拟仪器的概念， 以L a b V I E W 软件为开发环境，开发了一台织物动态 热湿

28、测试仪。该仪器通过实时记录待测织物接触模 拟出汗皮肤时其内外两面温湿度值的变化情况，对 待测织物的动态热湿舒适性能进行分析与评价。并 通过大量实验证明了该仪器具有较高的控制精度及 重复精度。通过对棉、毛、涤纶、细旦丙纶4 种纤维 ( 下转第3 3 页) 5 O 5 O 5 0 2 2 l l O 4 2 O 8 6 4 2 O 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 第3 期宋广礼等：基于M a t L a b 图像处理技术的线圈长度测量方法 3 3 8

29、眦。 参考文献： t s t a t ：1 8 8 4l e 一0 1 5 d f ：9 1 】L a t i f iR ，S h a i k h z a d e hN a j a rS ，G h a z iS a e i d iA C o m p u t e r s d 01 4 9 1 V 1 s l o n 。a l d e dl a b n cm s 非圮t l o ns y s t e mf o ro n c l f c u l 盯k n l m n g 因为h = 0 或者P = 1 0 0 5 ，所以不拒绝H o ， 2 】A b o u L i a 眦M ，Y o u s s

30、e fS ，P a s t o f ec ，e ta 1 A s s e s s i n 冀 即认为2 种测量方法没有显著性差异，2 个样本均 s t r u c t u r a lc h a n g e si nk n i t sd u r i n gp r o c e s s i n g J T e x t i l eR e s 信兰的。气眈譬住阿间包含0 ，所以也认为2 种测定，J，2003,73(6tt=lz ：r _ 1 4 , 1j o , i t 。I R ) ：5 3 5 5 4 0 方法没有显著差异。计算平均差异系数为1 8 2 ， 1 妻青篓窖警黜分1 2 析) ：4 方0

31、 法- 4 测2 定纬编针织物的密 在误差的允许范围内，所以认为自动测量的结果和 4 孙晓明，“ f f f 6 波，王晋棠基于傅里叶变换的针织物密 手工测量的结果是一致的。 度分析 J 江南大学学报：自然科学版，2 0 0 3 ( 6 ) ： 一仕扒 5 陈莉，宋C “ T L 二维傅里叶变换在针织物的密度测量 崎耋日1 ；I g 中的应用rJ 东华大学学报：自然科学版，2 0 0 4 ，3 0 ( 5 ) ：6 9 7 2 1 ) 利用数字图像处理技术和傅里叶变换可以找 6 章毓晋图像处理和分析 M 北京：清华大学出版 出针织物线圈的特征点，通过对其进行反变换可以 ，社，1 9 9 9 ：

32、3 5 3 6 ，5 5 5 7 得到针织线圈的二维特征图像。 “ 1 ：；芸篓：b y C h e d i g nL 埘i = ：艺品f 2 ) 通过对上述特征图像进行二值化和细化等处 J o 啪a lo fD o n s h u aU 。i ，e 鹅i t v ：E n e l i 。hE d i t i 。，2 0 0 5 ( 4 ) ： 理，可以分解出一个线圈的形态，并可计算出它的 2 6 2 8 长度 8 陈莉，宋广礼一种新的静态测试线圈长度的方 一3 0 ) 利用回归分析，可以得到二维线圈长度和实 9 竞黑警：学T 报h e g e 2 0 。0 m 6 。, t 珂2 7 。1

33、。) d ：9 d - i m e l l n 。, i o n l 9 a lp p e 疵。0 f 际线圈长度之间的回归方程。通过验证，利用所得 p h i n k 。i t t e d8 t m c t 。r e J JT e x t i l eI n s t ，1 9 5 9 ，5 0 ：4 4 8 一 方程自动测量出的线圈长度与手工测量的数据没有 4 6 4 显靴差异。 凇鳍n 叫嚣篙凳罴震曩鬣2 姚8 - 2 州3 2 , 刚2 3 2 卫- 帆2 3 7 M ： ”_ - “- _ - 一- m I _ “_ - 一- 1 l I - - H _ - m - - _ _ f ，“

34、_ 一- H 。_ - n - “ “_ - - ”_ 峄“- ( 上接笫2 8 页) 织物的测试，得到了不同织物动态热湿传递过程中， 织物内外两面的温度及相对湿度的实时变化曲线， 并对织物微气候内的温湿度变化曲线及织物内外表 面温湿度差曲线进行分析，结果显示，在模拟皮肤大 量出汗时，涤纶、细旦丙纶织物的热湿舒适性能优于 棉、毛织物。燃鬻 参考文献： 2 R e n eMR ，R e n eG ，H a n sM W a t e rv a p o rt r a n s f e ra n d c o n d e n s a t i o ne f f e c t si nm u h i l a y

35、 e rt e x t i l ec o m b i n a t i o n s J T e x t i l eR e s e a r c hJ o u r n a l ，2 0 0 4 ，7 4 ( 1 ) ：1 6 W a n gLP ，L iC An e wm e t h o df o rm e a s u r i n gd y n a m i c f a b r i ch e a ta n dm o i s t u r ec o m f o r t J 】E x p e r i m e n t a lT h e r m a l 【3 4 5 】 6 7 8 & F l u i dS c

36、 i e n c e 。2 0 0 5 ，2 9 ( 6 ) 7 0 5 7 1 4 刘迎曦，李风志，罗钟铉，等人体、服装、环境系统动 态热湿传递数值模拟 J 纺织学报，2 0 0 4 ，2 5 ( 5 ) ： 2 4 2 7 刘瑜以静态指标为输人参数的织物动态湿舒适性 能预测模型的建立 D 上海：东华大学，2 0 0 5 蒋培清织物动态热湿舒适性能研究 D 上海：中 国纺织大学，1 9 9 9 陈益松，杨凯，张渭源基于虚拟仪器构建服装测量 用温湿度仪 J 纺织学报，2 0 0 7 ，2 8 ( 5 ) ：1 1 7 1 2 1 K a t z e lJ V i r t u a li n s t r u m e n t J C o n t r o lE n g i n e e r i n g ， 2 0 0 6 ，2 ( 5 ) ：4 2 4 6 邓焱，王磊L a b V I E W7 1 测试技术与仪器应用 M 北京：机械工业出版社，2 0 0 4 ：1 5 8 1 6 6 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark