CN106770448B - 一种模拟人体生理感觉的纺织品冷暖感的测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模拟人体生理感觉的纺织品冷暖感的测试方法，可使用现有服装、寝具、面料等保温性能测试仪的硬件进行测试，并通过优化测试方法启用保温性测试中废弃时段的信号分析出试样的冷暖感，实施方法包括控制测试板温度和加热功率、设置测试环境温湿度、判定纺织品试样是否具有冷感或暖感、纺织品试样的冷感/或暖感指标的定量分析等步骤，与现有技术相比，本发明科学控制了模拟体表的仪器测试板加热功率，使之与人体真实的散热规律更加一致，测得物理量更能有效地表征人的生理感觉。给出了具有明确物理含义的暖感指标定义，能够科学合理地检测分析纺织品的冷感和暖感指标，有利于更加准确地测得纺织品的冷暖感和保温性指标。

Description

一种模拟人体生理感觉的纺织品冷暖感的测试方法

技术领域

本发明涉及一种模拟人体生理感觉的纺织品冷暖感的测试方法，属于纺织品检测技术领域。

背景技术

纺织品接触冷暖感是纺织品与皮肤接触初期对人体皮肤的温度刺激在人的大脑中形成的关于冷或暖的判断。体表平均温度一般为33℃，冬秋环境下存放的纺织品温度常常会低于皮肤温度，接触初期热量必然从高温的体表向低温的纺织品迅速流动，直至相互接触的二表面温度趋于一致时热流才会逐渐稳定即进入稳态传热，此前的传热功率大于稳态传热，称作非稳态传热或瞬态传热。稳态传热过程中覆盖着纺织品的人体向外散失的热功率体现纺织品的保暖性，用热阻表征；而非稳态传热过程中人体向外散失的热功率主要体现纺织品的冷感或暖感，也叫接触冷暖感。

国内外关于纺织品保暖性或热阻的研究已经非常成熟，但是，关于纺织品冷感或暖感的相关理论和测试技术却滞后很多，至今只有上述基本概念和日本产KES—F7织物热性能测试仪的Q_max指标及类似的冷暖感指标，其次是最原始的主观评价法。主观评价虽然能真实反映人对于纺织品冷暖感的判断，但是量化困难，随机误差大。

纺织品的接触冷暖感是其舒适性的一个重要组成部分，也是确定纺织品用途的重要依据。研究发现，纺织品冷感强弱一方面取决于纺织品自身性能，如纤维传热性能、热容量和织物单位面积质量、纤维堆砌结构等，另一方面受接触皮肤前纺织品所处的温湿度环境影响。所以，纺织品冷暖感是使用前被放置环境温湿度的条件值。

申请号为201410531445.2的发明专利公开了一种纺织品的冷暖感测试及指标计算方法，已经对纺织品冷暖感测试前的预处理环境条件作了科学的详细规定。但是，过去的研究成果或测试方法中关于测试环境温湿度的规定不科学，国内外很多测试标准都规定，在环境温度20℃、相对湿度65％下测试纺织品的热学性能(包括保温性、冷暖感等)，这导致纺织品的保温性太高或过低时模拟人体表面的测试板单位面积散热量与人体表面的实际散热量差异过大，测试结果与人的真实感觉产生明显差异。

从测试硬件角度讲，现有多数保温仪都有可能同时测试冷暖感，缺乏的是科学完善的冷暖感测试方法、表征指标和有效的数据处理方法。关于冷暖感指标，申请号为201210587792.8的发明专利公开了一种高蓬松易变形寝具产品的保温性能的检测设备及检测方法，与KES-F7热性能测试仪类似也采用瞬态热流量的最大值Q_max表征纺织品的冷暖感，这是一类非常理想化的冷暖感指标。因为，首先对于冷感很强的试样，仪器硬件不可能无限量地迅速输出热功率，导致实际测量的Q_max受仪器参数限制，不能完全反映试样的最大热流量；其次，Q_max不能反映对舒适性至关重要的冷感时间长短和因冷感人体损失的热量；第三，当稳态传热量差异大时，最大瞬态热流量Q_max也失去了可比性。

发明专利201410531445.2虽然给出了表征冷感的三个合理指标(冷感时间t，冷感时段总散热量W₁，纯冷感散热量W₂)，但是计算这三个指标的具体时间节点不合理，难以实施。该专利规定冷感时间的起点为试样刚接触测试板的时刻，终点为热功率曲线由下降转变为基本恒定的转折点，参见图1。实际上，试样开始接触测试板不同位置的时刻存在差异，测试时给寝具保温仪的测试板覆盖被子或给服装保温仪假体穿衣需要5-10秒，甚至更长，具体耗时与实验员操作速度和随机因素有关，无法定量控制。所以，测试板加热功率曲线的“起始点”是在一个短暂过程中不确定的点。而热功率曲线由下降转变为基本恒定的转折点也过分理想化，实际曲线上往往不存在这一点。因为任何仪器都做不到让测试板温度绝对恒定不变，只能将测试板温度控制在一个小范围，如33±0.2℃，这会导致热功率曲线出现一个极小值，参见图2，实际在热功率曲线上找不到由下降转变为基本恒定的转折点。

因此，现有冷感指标——测试板温度恒定条件下的最大瞬态热流量Q_max不能够全面表征纺织品的冷暖感，而发明专利201410531445.2基于不规范的测试环境温湿度下获得的热功率曲线和不确定的冷感起点和终点计算的冷感指标，自然也不能很好地反映人的真实冷感。并且，发明专利201410531445.2的测试板加热功率曲线在冷感时段内急速降为0，而后又急速上升，再急速下降后才能逐步稳定(参见图1)，这与人体穿上纺织品后的散热规律差异太大。

另外，关于纺织品的暖感，研究和应用领域只有一个含糊概念，认为纺织品的冷感弱等价于暖感强，但是，冷感弱到何种程度为暖感？如何测试表征纺织品的暖感？从来没有明确定义和测试分析方法。

本发明在发明专利201410531445.2的基础上，继续完善纺织品冷感和暖感的测试分析方法，特别是强化模拟人体生理感觉的测试方法。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的技术方案是提供了一种模拟人体生理感觉的纺织品冷暖感的测试方法，可使用现有服装、寝具、面料等保温性能测试仪的硬件进行测试，并通过优化测试方法启用保温性测试中废弃时段的信号分析出试样的冷暖感，实施方法包括以下步骤：

(1)控制仪器的测试板温度和加热功率

仪器的测试板应模拟人体表面温度和体表散热规律，测试板的表面温度应该控制在体表温度30～36℃范围的一个特定数值上，而测试板加热功率不能太大也不应太小，否则会背离人体的散热规律。优选地，控制仪器测试板的最大加热功率不得超过正常人感觉舒适的体表散热功率64.7W/m²的3倍。同时，测试板加热功率的最小值必需进行监测，在稳态传热阶段测试板加热功率的最小值不得低于20W/m²，若低于此值表明采用的测试环境温度大幅度高于该试样的实际使用环境温度，不合理，让仪器显示相关信息，调整环境温度后重新测试。非稳态传热时间的长短与纤维热容量和纤维堆砌结构等因素有关，一般测试开始20分钟以后基本进入稳态传热阶段。

(2)判定试样是否具有冷感或暖感

当测试板覆盖低温试样(试样温度﹤测试板温度)开始测试时，加热功率曲线会表现为先上升再下降而后逐渐过渡到稳态传热的变化规律，参见图2，该曲线的第一个上凸峰反映纺织品的冷感。当试样温度＞测试板温度时，例如测试前试样在热环境中放置过一段时间，加热功率曲线会表现为先下降再上升而后逐渐过渡到稳态传热的变化规律，参见图3，这意味着测试初期高温试样在替代测试板或人体向环境散热，导致人会感觉到温暖。所以，图3曲线的下凹部分反映纺织品的暖感。显然，当试样温度≈测试板或人体温度时，人体既无明显冷感也无明显暖感。由于测试板的加热功率曲线不可避免地存在噪声即小波动，判定冷暖感前必须对曲线进行滤波处理，参见图4，才能准确判断实验初始阶段的测试板加热功率曲线是上凸还是下凹。

判定试样是否具有冷感/暖感的方法：(a)按现有热阻测试方法确定稳态传热阶段测试板的平均加热功率并对测试板的加热功率曲线进行滤波；(b)若测试初期20分钟内的测试板加热功率的最大值判定该试样具有冷感；(c)若测试开始20分钟内的测试板加热功率的最小值判定该试样具有暖感；否则，判定该试样无明显冷暖感。

(3)冷感时段的起点和终点的确定方法

采用发明专利201410531445.2定义的三个冷感指标：冷感时间t、冷感时段总散热量W₁、纯冷感散热量W₂，三指标都采用冷感的起始时间点t₀和冷感结束时间点t₁计算，只有准确地找到这两个时间点，才能科学计算出纺织品的真实冷感散热量，进而准确度量冷感。

本发明规定：(a)在滤波后的热功率曲线上寻找冷感的起始时间点t₀和冷感的结束时间点t₁；(b)规定冷感起始时间点t₀为测试开始后热功率曲线上升到某一特定数值时对应的时刻，优选地冷感起始时间点t₀为测试开始后热功率曲线上升到的(1.0～1.2)倍范围某一值的对应时刻，为稳态传热阶段的平均加热功率；(c)规定冷感结束时间点t₁为非稳态传热中热功率曲线从最大值下降到某一特定数值时对应的时刻，优选地冷感结束时间点t₁为热功率曲线从最大值下降到的(1.0～1.2)倍范围的某一值f的对应时刻，参见图5，这样可避开放置试样速度和仪器参数对冷感指标的影响。

(4)暖感定义及其起点和终点的确定方法

本发明补充定义二个暖感指标：暖感时间t′和暖感时段的省热量W₃。暖感时间t′表征人体能够感觉到暖感的时间长短；而W₃的物理含义为温暖的试样能够替代人体向环境释放的热量，表征节省人体散失的热量，参见图3。当然也在滤波后的热功率曲线上寻找暖感的起始时间点t₀和暖感的结束时间点t₁。二指标的数学定义如下：

暖感时间t′＝t₁-t₀ (1)

暖感时段的省热量

并且规定：(a)暖感起始时间点t₀为测试开始后热功率曲线下降到平均功率的(0.8～1.0)倍范围某一值f的对应时刻；(b)冷感结束时间点t₁为非稳态传热过程中热功率曲线由最小值上升到平均功率的(0.8～1.0)倍范围某一数值f的对应时刻，参见图3。

(5)设置理想的测试环境温湿度

我们研究证明，测试环境温湿度对纺织品的热阻或保温性及冷暖感都有显著影响，应该在接近使用环境的人工气候仓内测试才能获得应用中的真实保温性和冷暖感等热性能指标，服装的理想测试环境温度T₂(℃)应该根据公式(3)设置：

T₂＝33-64.7(R+R₀) (3)

式中，R为服装试样热阻(m²·k/w)；R₀为仪器的空体热阻，一般很小也可忽略不计。公式(3)适用于计算服装测试所需环境温度。对于被类试样，都是在人体在静卧时使用，静卧时体表散热功率会大幅度小于64.7W/m²，使得相同环境下所需被类热阻明显高于服装。

测试环境的相对湿度也应该接近纺织品使用季节和地区的实际数值。

优选地，根据使用季节和地域的不同，我们给各类纺织品推荐出表1所示的测试环境温度和相对湿度，只有春秋服装和寝具适合在目前的标准环境(温度20℃、相对湿度65％)下测试。

表1不同纺织品的推荐测试环境温湿度

若不在使用环境温湿度下测试，冷感时段总散热量W₁、纯冷感散热量W₂和暖感时段的省热量W₃都会与人体的实际感觉相差甚远。并且，本发明规定保温仪测试的环境温度不得高于体表或测试板温度。对于使用环境高于体表温度的纺织品热舒适性能不能用保温仪测试，应该用出汗假人或类似仪器测试。

(6)外套类服装的冷暖感和热阻应该与标准内衣组合测试

服装应该在接近使用的着装状态下测试。外套类服装的冷暖感测试，应该让仪器假体穿上标准内衣经过非稳态传热进入稳态传热以后再套试样，测得的热功率曲线才能显示该外套的冷暖感，冷暖感各指标的计算方法如上所述。标准内衣为已知热阻等性能的内衣。而外套类服装热阻＝标准内衣与外套组合服装的总热阻-标准内衣热阻。

本发明的有益效果是：

(1)科学控制了模拟体表的仪器测试板加热功率，使之与人体真实的散热规律更加一致，测得物理量更能有效地表征人的生理感觉。

(2)关于纺织品冷感和暖感，给出了具有明确物理含义的暖感指标定义，以及冷感和暖感的起止时间点的确定方法，可避免试验工操作速度、仪器参数等影响，能够科学合理地检测分析纺织品的冷感和暖感指标。

(3)本专利规范出不同保温性能或在不同环境下使用的纺织品冷感或暖感测试所需的环境温湿度，以及外套类服装冷暖感的测试方法，有利于更加准确地测得纺织品的冷暖感和保温性指标。

附图说明

图1为现有技术确定的冷感起止点示意图；

图2为模拟人体散热规律并受仪器参数影响的测试板加热功率曲线的一般形态；

图3为有暖感的热功率曲线；

图4为图2曲线的椭圆形框处的局部放大和滤波后效果；

图5为有冷感的热功率曲线图；

图6为实例1羊毛衫的热功率曲线；

图7为实例2卫衣的热功率曲线；

图8为实例3卫衣与羽绒服组合的热功率曲线；

图9为实例4旧棉被的热功率曲线；

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐明本发明。

实施例1：羊毛衫的冷感测试

一、试样信息

羊毛衫，原料为羊毛65％，天丝35％，横机编织，厚度1.81mm，考虑在江南春秋穿用。

二、试样热学性能测试和冷感计算

(1)采用仪器为LD-1型服装保温性能测试仪，控制测试板的最大加热功率＝150W/m²，并且若加热功率出现小于20W/m²的情况时发出警示信息。

(2)测试环境温湿度确定：根据表1，确定测试环境温度为20℃、相对湿度为65％的3级标准环境。将待测试样在该环境下通过吸湿平衡24小时以上，使试样内外温度和回潮率达到平衡，然后进行测试。

(3)测试该羊毛衫，获得测试板的加热功率曲线如图6所示，可以看到该曲线与人体的散热规律更加一致，并且根据本专利判断试样有明显冷感。

(4)冷感指标的分析计算：将热功率曲线进行滤波后，选用曲线初始上升到平均功率的对应时刻作为冷感起始点t₀，则并且选用热功率曲线从高峰下降到1.2的对应时刻作为冷感终止点t₁，t₁＝565(s)，则冷感时间计算获得稳态传热阶段的平均加热功率根据发明专利201410531445.2的定义，冷感时段总散热量而纯冷感散热量

实施例2：卫衣的冷感测试

一、试样信息

卫衣，原料为84.5％棉+15.5％聚酯纤维，针织圆机起绒织物，厚度1.544mm，考虑在江南春秋穿用。

二、试样热学性能测试和冷感计算

(1)采用仪器和测试板的最大、最小加热功率控制同实施例1。

(2)测试环境温湿度和预先平衡处理同实施例1。

(3)测试该卫衣，获得测试板的加热功率曲线如图7所示，根据本专利判断该试样有明显冷感。

(4)冷感指标的分析计算：冷感起始点t₀和冷感终止点t₁的确定方法同实施例1。计算获得稳态传热阶段的平均加热功率冷感时间冷感时段总散热量纯冷感散热量

实施例3：烤热服装的暖感效果

一、试样信息

卫衣与薄羽绒服的组合服装。卫衣同实施例2；羽绒服面料为100％涤纶，填充料为90％鸭绒，厚度3.027mm，考虑在江南冬季穿用。

二、试样热学性能测试和冷暖感计算

(1)采用仪器和测试板的最大、最小加热功率控制同实施例1。

(2)测试环境温湿度确定：根据表1，确定待测试样的测试环境温度为10℃、相对湿度为60％。将待测试样在该环境下平衡24小时以上，使试样内外温度和回潮率达到平衡，然后进行测试。

(3)测试该组合冬装。首先给仪器的假体穿上卫衣，启动仪器预热20分以上，同时将羽绒服在电暖器上方烘烤20分钟，而后穿在卫衣外开始测试，获得测试板的加热功率曲线如图8所示，根据本专利判断该试样有明显暖感。

(4)暖感指标的分析计算：将热功率曲线进行滤波后，计算获得稳态传热阶段的平均加热功率暖感时间暖感时段省热量实施例4：旧棉被的冷感测试

一、试样信息

旧棉被，芯料旧棉花胎，克重800g/m²；面料100％棉；江南冬季使用。

二、试样保温性能测试和冷感计算

(1)所用仪器为LDMG-1型寝具保温仪，控制测试板的最大加热功率＝165W/m²，并且若加热功率出现小于20W/m²的情况时发出警示信息。

(2)测试环境温湿度确定：根据表1，确定待测试样的测试环境温度为10℃、相对湿度为60％。试样预先平衡处理同实施例1。

(3)测试该旧棉被，获得测试板的加热功率曲线如图8所示，根据本专利判断该试样有明显冷感。

(4)冷感指标的分析计算：将热功率曲线进行滤波后，冷感起始点t₀和冷感终止点t₁的确定方法，计算获得稳态传热阶段的平均加热功率冷感时间冷感时段总散热量纯冷感散热量

Claims (4)

1.模拟人体生理感觉的纺织品冷暖感的测试方法，包括以下步骤：

a)控制服装保温仪和寝具保温仪的测试板温度和加热功率

仪器测试板的表面温度控制在体表温度30～36℃范围内的一个特定数值上，控制仪器测试板的最大加热功率不得超过64.7W/m²的3倍；同时，测试开始20分钟以后进入稳态传热阶段，测试板加热功率的最小值不得低于20W/m²，否则表明设置的测试环境温度不当；

b)设置测试环境温湿度

设置测试环境湿度，接近纺织品使用季节和其地区的实际数值；

服装的测试环境温度按照如下公式进行设置：

T₂＝33-64.7(R+R₀)

式中，R为纺织品试样热阻，单位为m²·k/w；

R₀为仪器的空体热阻，单位为m²·k/w；

T₂为测试环境温度，单位为℃；

c)判定纺织品试样的冷感或暖感

首先对测试板的加热功率曲线进行滤波，去除高频噪声，并按现有热阻分析方法确定出稳态传热阶段测试板的平均加热功率而后作如下分析；

当测试初期的加热功率曲线表现为先上升再下降而后逐渐过渡到稳态传热的变化规律，则判定该纺织品具有冷感；

当测试初期的加热功率曲线表现为先下降再上升而后逐渐过渡到稳态传热的变化规律，则判定该纺织品具有暖感；

当测试初期的加热功率曲线与稳态传热阶段无明显差异，则判定该纺织品无明显冷暖感；

若判定该试样具有冷感；若判定该试样具有暖感；若 则判定该试样无明显冷暖感；

d)纺织品试样的冷感/或暖感指标的定量分析

规定冷感起始时间点t₀为测试开始后热功率曲线上升到的1.0～1.2倍范围某一值f的对应时刻；规定冷感结束时间点t₁为热功率曲线下降到的1.0～1.2倍范围某一值的对应时刻，而后按如下公式计算冷感时间t、冷感时段总散热量W₁、纯冷感散热量W₂；

冷感时间t＝t₁-t₀

冷感时段总散热量

纯冷感散热量

规定暖感起始时间点t₀为测试开始后热功率曲线下降到的0.8～1.0倍范围某一值f的对应时刻；暖感结束时间点为热功率曲线从最小值上升到的0.8～1.0倍范围某一数值f的对应时刻；

时间t′＝t₁-t₀

暖感时段的省热量

2.根据权利要求1所述的一种模拟人体生理感觉的纺织品冷暖感的测试方法，其特征在于：所述的服装测试环境温度按照如下根据公式进行设置：

T₂＝33-64.7R

式中，R为纺织品试样热阻，单位为m²·k/w；T₂为测试环境温度，单位为℃。

3.根据权利要求1所述的一种模拟人体生理感觉的纺织品冷暖感的测试方法，其特征在于：测试环境温湿度按照下表进行设置：

4.根据权利要求1所述的一种模拟人体生理感觉的纺织品冷暖感的测试方法，其特征在于：外套类服装的冷暖感测试时，让仪器假体穿上标准内衣经过非稳态传热进入稳态传热以后再套试样，测得的热功率曲线显示该外套的冷暖感，外套类服装热阻＝标准内衣与外套组合服装的总热阻-标准内衣热阻。