CN102507641A

CN102507641A - 一种自适应型织物热湿舒适性能测试仪及其耦合测试方法

Info

Publication number: CN102507641A
Application number: CN2011103243444A
Authority: CN
Inventors: 朱方龙
Original assignee: Donghua University
Current assignee: Donghua University
Priority date: 2011-10-24
Filing date: 2011-10-24
Publication date: 2012-06-20

Abstract

本发明涉及一种自适应型织物热湿舒适性能测试仪和测试方法，测试仪包括测试主体和测试附体，测试主体包括测试头，测试头自下而上依次为加热板、铜板、模拟皮肤器、模拟皮肤和夹持有试样的试样夹；试样和模拟皮肤之间设有温湿度传感器；模拟皮肤器的表面粘附有膜电偶；模拟皮肤器上开有多个与蠕动泵控制阀相连的出汗微孔；测试附体包括着装人体热生理模型模块、控制模块和表面热流量计算模块；表面热流量计算模块根据出汗微孔的出汗量及膜电偶的温度计算表面热流量；着装人体热生理模型模块将计算得到的表面热流量作为边界条件实时向控制模块发出控制蠕动泵和加热板的信号。本发明能模拟随外界环境变化而变化的人体热生理特征。

Description

一种自适应型织物热湿舒适性能测试仪及其耦合测试方法

技术领域

本发明涉及服装织物热湿舒适性测试仪，特别是涉及一种能模拟人体热生理特征的自适应型织物热湿舒适性测试仪及其耦合测试方法。

背景技术

织物或服装的热湿舒适性是指人体着装后在不同的气候环境下，人体与环境之间热、湿交换达到生物热力学的综合平衡，能满足人体生理状态的要求。测试织物热湿舒适性能的装置又叫作织物微气候测试仪，该装置的原理主要通过模拟外界环境及人体热生理属性，检测模拟人体皮肤与织物试样之间的微小气候中的热湿传递情况，即测试人体产热量与汗汽在织物内外层与环境之间的交换过程。国内外对该类仪器及测试方法研究很多，如原田研制的织物微气候热平板仪能同时测量织物的热、湿传递性能，模拟皮肤使用0.38mm的微孔聚四氟乙烯膜，模拟人体的无感出汗，使用0.6mm厚，细孔直径0.3mm的铜板，模拟人体显性出汗；另如中国专利CN 1011694401A公开了一种织物动态热湿传递特性的测量设备，包括了：仿生学皮模型构件、至少一组第二传感器以及数据采集与控制装置，可用于测量在非显性排汗到显性排汗范围内所进行的动态或静态排汗时的织物热湿传递特性的测量设备。

这类测试仪器主要技术难点是在于人体热生理特征及外界环境的模拟上，而目前外界环境(包括恶劣环境)模拟技术已较为成熟，而不同环境下人体热生理特征参数的模拟技术则较为单一，目前所公开的关于织物微气候仪专利都有一个共同局限性，即模拟人体皮肤热生理参数装置的控制原理是恒能量和恒定出汗量输入，如美国专利5749259公开了用于模拟人体皮肤的测试仪用于预测织物动态热湿传递特性的相关方法，但其模拟皮肤的热属性参数采用恒定热流及出汗量控制。

根据人体生理学研究结果，人体着装后在不同的气候环境下的人体皮肤温度及出汗量是动态变化的，也就是说着装人体从一个环境进入另一个环境中，人体的皮肤温度及出汗量是在不断变化的，或者人体在着装过程中其皮肤温度和出汗量也是不断变化的。因此也有微气候仪的热流及出汗量的输入是变化的，但变化量并不能按照人体生理变化的特征而定性设定，而是按照某一定量变化规则进行设定输入，但人体从一个环境进入另一个不同的环境中，其生理参数(如出汗量、皮肤温度)变化并不能用某一函数进行描述，它是不规则的变化过程，因此需要借助于着装人体生理模型实时数值分析计算某一状态下的人体生理参数，作为微气候仪的控制参数，这一过程我们称为自适应过程。

经过检索发现也缺乏一种装置或者方法来模拟着装人体进入不同环境下的人体热生理实际变化特征，从而也不能实际测量织物动态热湿传递特性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种自适应型织物热湿舒适性能测试仪及其耦合测试方法，能模拟随外界环境变化而变化的人体热生理特征。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种自适应型织物热湿舒适性能测试仪，包括测试主体和测试附体，所述测试主体包括测试头，所述测试头自下而上依次为加热板、铜板、模拟皮肤器、模拟皮肤和夹持有试样的试样夹；所述试样和模拟皮肤之间设有温湿度传感器；所述模拟皮肤器的表面粘附有膜电偶；所述模拟皮肤器上开有多个与蠕动泵控制阀相连的出汗微孔；所述测试附体包括着装人体热生理模型模块、控制模块和表面热流量计算模块；所述表面热流量计算模块根据出汗微孔的出汗量及膜电偶的温度计算表面热流量；所述着装人体热生理模型模块将计算得到的表面热流量作为边界条件实时向控制模块发出控制蠕动泵和加热板的信号。

所述测试附体还包括与着装人体热生理模型模块相连的前处理信息采集模块。

所述皮肤模拟器采用耐腐蚀性材料制成。

所述模拟皮肤为静电纺超细纤维膜或平纹棉织物。

所述测试主体还包括用于保证热流一维流向的隔热筒。

所述着装人体热生理模型模块包括了人体热调节模型和体温调节效应器；所述的人体热调节模型由被动系统和主动系统组成，所述的被动系统将人体划分为15个节段，15个节段均为圆柱体，分别是头部、脸部、颈部、2个肩部、2个胳膊、2个手部、胸部、腹部、2个腿部和2个脚，每个节段分成4个同心层：核心层、肌肉层、脂肪层和皮肤层，每一层作为一个节点，人体的中心血池作为一个节点，形成被动系统的61节点热调节模型；所述主动系统通过调节热生理活动的水平，实现产热和散热的动态平衡，维持体温的相对稳定；人体代谢产热量由被动系统的基本代谢产热量和主动系统中由于人体运动或寒颤自主性热调节所引发的附加代谢产热量组成。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：还提供一种自适应型织物热湿舒适性能耦合测试方法，当覆盖有织物的测试仪从第一环境进入第二环境时，包括以下步骤：

(1)运用着装人体热生理模型模块计算人体的出汗量及皮肤温度值；

(2)出汗量及皮肤温度值分别作为测试头上的出汗微孔的出汗量及膜电偶的温度的控制参数；

(3)测量计算第一时间模拟皮肤器表面的热流量；

(4)将测量获得的表面热流量作为反馈信号，通过第一时间的迭代，作为边界条件读入着装人体热生理模型模块，再重复步骤(1)、步骤(2)和步骤(3)，在预设时间段内进行多次循环迭代计算，获得每个时间的出汗量及皮肤温度值；

(5)根据第n个时间所获得的出汗量及皮肤温度值，通过控制模块实时控制出汗微孔的出汗量及模拟皮肤器的温度，其中，n＞1；

(6)织物的热湿传递性能数据采集与分析。

在所述步骤(1)前还包括将第二环境的参数、第一环境下人体初始生理参数值读入前处理信息采集模块，并传输给所述着装人体热生理模型模块的步骤。

有益效果

由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本发明通过自适应的方法模拟着装人体进入不同环境下的人体热生理实际变化特征，从而能够实际测量织物动态热湿传递特性。本发明通过静电纺超细纤维膜模拟人体无感出汗，采用一般平纹棉织物，模拟人体有感出汗，从而使得实验结果更精确可靠。

附图说明

图1是本发明的织物热湿舒适性测试仪示意图；

图2是本发明的织物热湿舒适性测试仪的测试头示意图；

图3是本发明运用测试仪测试织物热湿传递性能的流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

在图1所示的本发明自适应型织物热湿舒适性测试仪的结构示意图中，本测试仪由测试主体和测试附体构成，测试主体所有的输出信号经由测试附体处理并由其控制测试主体的参数输入(如出汗量、加热温度)。结合图2所示织物热湿舒适性测试仪的测试头示意图，膜电偶和温湿传感器的模拟信号经转换器转换成数字信号，输入计算机经处理，热湿传感器的信号数据被存储，两只膜电偶数据经处理输入着装人体热生理模型模块。

具体地说，自适应型织物热湿舒适性测试仪包括测试主体I和测试附体II，所述测试主体I包括测试头1和隔热筒2，隔热筒2设置的目的保证热流的一维流向。所述测试头1自下而上依次为加热板3、铜板4、模拟皮肤器5、模拟皮肤6和夹持有试样8的试样夹7。所述试样8和模拟皮肤6之间设有温湿度传感器9，该温湿度传感器9用于测量试样8与模拟皮肤6之间的热湿传递性能。所述模拟皮肤器5的表面粘附有膜电偶10，所述模拟皮肤器5上开有多个均匀分布并与蠕动泵控制阀相连的出汗微孔11。所有膜电偶10和温湿度传感器9信号接入转换器，所述的转换器为PCI-MIO-16E-1数据采集卡(DAQ)，采集到的模拟信号经PCI-MIO-16E-1数据采集卡(DAQ)转换成标准数字信号输入计算机。其中，所述皮肤模拟器5采用耐腐蚀性强的PE材料制成，所述模拟皮肤6使用0.33mm厚的静电纺超细纤维膜，模拟人体无感出汗，或者采用一般平纹棉织物，模拟人体有感出汗。所述测试附体II包括前处理信息采集模块、着装人体热生理模型模块、控制模块和表面热流量计算模块，前处理信息采集模块与着装人体热流量计算模块相连。所述表面热流量计算模块根据出汗微孔11的出汗量及膜电偶10的温度计算表面热流量。所述着装人体热生理模型模块将计算得到的表面热流量作为边界条件实时向控制模块发出控制蠕动泵和加热板的信号。

着装人体热生理模型模块主要包括了人体热调节模型及服装织物热湿传递模型，所述人体热调节模型由被动系统和主动系统组成。所述被动系统中：将人体划分为15个节段，15个节段都抽象成圆柱体，每个节段进一步分成4个同心层：核心层、肌肉层、脂肪层、皮肤层，每一层又可以看作为一个节点。而人体的中心血池也可以看作一个节点，这样就形成被动系统的的61节点热调节模型。所述主动系统中：人体代谢产热量由基本代谢产热量和由于人体运动或寒颤自主性热调节所引发的附加代谢产热量。模型中体温调节效应器中的血液循环系统可认为由人体中心血池、逆流热交换、单组织节点血管三部分组成，根据Fick定律计算血流灌注率。人体与环境的热交换(边界条件)主要包括与环境的对流换热、辐射换热、蒸发散热以及呼吸散热量。

在图3所示的本发明自适应型织物热湿舒适性测试方法的流程示意图中，第1步时，在前处理信息采集模块中，读入相应内容，包括服装织物参数、初始环境参数、外边界条件以及其他控制条件参数；数据进入模型模块后，计算需要输入测试头1所需的两个物理控制参数出汗量m_sv，1及皮肤温度T_sk，1然后测试计算皮肤模拟器表面热流量q_sk，1；从第2步开始到第n步，以所测试计算到的q_sk，1，q_sk，2......，q_sk，n-1作为模型模块的边界条件，计算到m_sv，2，m_sv，3......m_sv，n以及T_sk，2，T_sk，2......T_sk，n，这些值作为每个时间步的出汗量及皮肤温度控制参数，输入控制模块，控制测试头出汗量及皮肤温度值；同时测试每步下的织物与模拟皮肤之间的热湿传递性能。当覆盖有织物的测试仪从第一环境进入第二环境时，其具体步骤如下：

(1)将第二环境的参数、第一环境下人体初始生理参数值读入前处理信息采集模块，并传输给所述着装人体热生理模型模块。

(2)出汗量及皮肤温度值分别作为测试头上的出汗微孔的出汗量及膜电偶的温度的控制参数。

(3)测量计算第一时间模拟皮肤器表面的热流量，该热流量表示着装人体与外界环境的热量交换值，可利用下式计算：

q_{sk, 1} = (T_{c} - T_{sk, 1}) \frac{1}{R_{c, sk}}

其中，q_sk，1为第一时间模拟皮肤器表面的热流量，T_c是加热板与铜板之间的热电偶温度，T_sk，1是模拟皮肤器表面温度，R_c，sk是铜板与模拟皮肤器的串联热阻。

(4)将测量获得的表面热流量作为反馈信号，通过第一时间的迭代，作为边界条件读入着装人体热生理模型模块，再重复步骤(2)、步骤(3)和步骤(4)，在预设时间段内(如2分钟)进行多次循环迭代计算，获得每个时间的出汗量及皮肤温度值。

(5)根据第n个时间所获得的出汗量及皮肤温度值，通过控制模块实时控制出汗微孔的出汗量及模拟皮肤器的温度。

(6)织物的热湿传递性能数据采集与分析。

Claims

1.一种自适应型织物热湿舒适性能测试仪，其特征在于，包括测试主体(I)和测试附体(II)，所述测试主体(I)包括测试头(1)，所述测试头(1)自下而上依次为加热板(3)、铜板(4)、模拟皮肤器(5)、模拟皮肤(6)和夹持有试样(8)的试样夹(7)；所述试样(8)和模拟皮肤(6)之间设有温湿度传感器(9)；所述模拟皮肤器(5)的表面粘附有膜电偶(10)；所述模拟皮肤器(5)上开有多个与蠕动泵控制阀相连的出汗微孔(11)；所述测试附体(II)包括着装人体热生理模型模块、控制模块和表面热流量计算模块；所述表面热流量计算模块根据出汗微孔(11)的出汗量及膜电偶(10)的温度计算表面热流量；所述着装人体热生理模型模块将计算得到的表面热流量作为边界条件实时向控制模块发出控制蠕动泵和加热板(3)的信号。

2.根据权利要求1所述的自适应型织物热湿舒适性能测试仪，其特征在于，所述测试附体(II)还包括与着装人体热生理模型模块相连的前处理信息采集模块。

3.根据权利要求1所述的自适应型织物热湿舒适性能测试仪，其特征在于，所述皮肤模拟器(5)采用耐腐蚀性材料制成。

4.根据权利要求1所述的自适应型织物热湿舒适性能测试仪，其特征在于，所述模拟皮肤(6)为静电纺超细纤维膜或平纹棉织物。

5.根据权利要求1所述的自适应型织物热湿舒适性能测试仪，其特征在于，所述测试主体(I)还包括用于保证热流一维流向的隔热筒(2)。

6.根据权利要求1所述的自适应型织物热湿舒适性能测试仪，其特征在于，所述着装人体热生理模型模块包括了人体热调节模型和体温调节效应器；所述的人体热调节模型由被动系统和主动系统组成，所述的被动系统将人体划分为15个节段，15个节段均为圆柱体，分别是头部、脸部、颈部、2个肩部、2个胳膊、2个手部、胸部、腹部、2个腿部和2个脚，每个节段分成4个同心层：核心层、肌肉层、脂肪层和皮肤层，每一层作为一个节点，人体的中心血池作为一个节点，形成被动系统的61节点热调节模型；所述主动系统通过调节热生理活动的水平，实现产热和散热的动态平衡，维持体温的相对稳定；人体代谢产热量由被动系统的基本代谢产热量和主动系统中由于人体运动或寒颤自主性热调节所引发的附加代谢产热量组成。

7.一种使用如权利要求1所述的自适应型织物热湿舒适性能测试仪的耦合测试方法，其特征在于，当覆盖有织物的测试仪从第一环境进入第二环境时，包括以下步骤：

(3)测量计算第一时间模拟皮肤器表面的热流量；

(6)织物的热湿传递性能数据采集与分析。

8.根据权利要求7所述的自适应型织物热湿舒适性能耦合测试方法，其特征在于，在所述步骤(1)前还包括将第二环境的参数、第一环境下人体初始生理参数值读入前处理信息采集模块，并传输给所述着装人体热生理模型模块的步骤。