CN110186946A - 用于纺织品测试的皮肤模型及模拟温度和出汗的控制方法 - Google Patents

用于纺织品测试的皮肤模型及模拟温度和出汗的控制方法 Download PDF

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郭颖
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Abstract

本发明公开了一种用于纺织品红外管理特性测试的皮肤模型及模拟温度和出汗的控制方法，所述皮肤模型包括热源层、汗源层、微循环系统、表层，所述的热源层、汗源层和表层紧密贴合组成三层膜(11)形式，其中所述热源层位于最底层，所述汗源层位于中间层，所述表层位于顶层，所述热源层由可控电加热膜(15)和测试传感器构成，所述的汗源层包括疏水膜(18)、吸水保湿薄膜(17)，所述的微循环系统包括汗源恒温容器(4)、控制阀门、微量柱塞泵(5)、分水接头(8)、细软管(9)、注水针头(10)，所述表层包括微孔滤膜(21)和测试传感器。本发明通过对皮肤模型温度与出汗量的控制，实现模拟用于纺织品红外管理特性测试的人体皮肤稳定温度以及不同模式的出汗功能。

Description

用于纺织品测试的皮肤模型及模拟温度和出汗的控制方法
技术领域
本发明涉及纺织品物理特性测试技术领域，具体地说是一种用于纺织品测试的皮肤模型及模拟温度和出汗的控制方法。
背景技术
服装对于人们来说其最终要的实际意义就是保暖，而服装的热舒适性是评价服装性能的一项重要指标，随着纺织品聚合物材料应用领域的不断扩大，以及新材料的研制，一些研究表明热辐射性能对于织物的热传递性能有着重要的影响。而热辐射传导与红外辐射有着密切的联系，热体、服装、环境之间主要以红外辐射进行辐射传热。服装是人体与环境之间能量传递的介质，不同材料制成的纺织品，由于吸收系数与辐射系数的不同，其在红外辐射中所表现出的特点也不一样，即使是相同的材料，当其形态结构及表面状态不同时，红外辐射性能也不一样。因此对纺织品对红外管理特性测试，即纺织品对红外辐射的反射、透射、吸收与发射性能进行测试就显得格外有意义。
就目前国际上对于纺织品的红外辐射性能的测试广泛使用的温升法、发射率法和人体实验法来看，温升法通过辐射源、样品、红外测温仪组合装置以温升速率为指标从侧面反映纺织品材料的辐射热性能；人体实验法通过试穿者穿着体验进行评分作为评价指标，比较主观；发射率的测试能直接客观的反映织物的红外辐射性能，但相关的测试技术只是从单一方面及稳态下考虑其辐射性能，对于纺织品材料两面红外发射量的差别并没有考虑，对于纺织品材料从接收红外辐射到达到稳态平衡，没有建立起一个动态的、整体综合的测试方法及评价体系，来综合评价纺织品对红外反射，透射，吸收以及发射各个方面的综合管理性能，且现有的测试方法都没有考虑多孔聚合物材料和皮肤的耦合作用。
中国专利CN 106033651 A公开了一种模拟人体皮肤温度调节和出汗装置，使用一空心导热铜管来模拟皮肤，通过向其内部注入温水来控制其温度，并通过喷头来实现出汗的功能。
中国专利CN 101169401 B提出了一种织物动态热湿传递特性的测量设备，在其测试设备中使用了一仿生皮肤模型，通过在一排汗容器上方放置一能够吸收并透水的织物材料来模拟人体皮肤的出汗功能，并用来对织物进行热湿传递性能的测试。中国专利CN100520406C提出了一种用于测量织物的红外辐射属性的装置和方法，
以上方法只是使用了空心铜管或织物简单代替了单层皮肤，并不能够模拟人体皮肤构造，更不能对皮肤模型内核温度进行控制、模拟，以及根据皮肤表层温度的不同对其出汗量进行控制。
发明内容
有鉴于此，本发明针对上述现有测试方法及技术存在的没有考虑皮肤对纺织品耦合作用的技术问题，提供了一种用于纺织品测试的皮肤模型及模拟温度和出汗的控制方法，能够良好地模拟人体皮肤，并实现模拟温度和出汗控制，便于纺织品红外管理特性的测试。
本发明的技术解决方案是，提供一种以下结构的包括热源层、汗源层、微循环系统和表层，所述的热源层、汗源层和表层自下而上紧密贴合形成三层膜结构，以对用于纺织品红外管理特性测试的人体皮肤进行模拟，所述热源层包括可控电加热膜和第一测试传感器，所述第一测试传感器设置在所述可控电加热膜的外表面上，所述的汗源层包括疏水膜和吸水保湿薄膜，所述的微循环系统包括恒温水浴装置、汗源容器、微量柱塞泵和多个注水针头，所述多个注水针头排布在所述疏水膜和吸水保湿薄膜之间，所述汗源容器设置在所述恒温水浴装置上，所述微量柱塞泵通过管路从汗源容器抽取汗水，并通过管路泵向所述多个注水针头，所述表层包括微孔滤膜和第二测试传感器，所述第二测试传感器设置于所述微孔滤膜外表面。
作为可选，所述的第一测试传感器包括温度传感器A，所述第二测试传感器包括温度传感器B和温度传感器C，所述温度传感器A紧贴于所述可控电加热膜下方中央位置，所述温度传感器B和温度传感器C紧贴于所述微孔滤膜上表面。
作为可选，所述的微循环系统还包括控制阀门、分水接头和细软管，所述控制阀门设置在所述微量柱塞泵的进出管路上，所述的输入端微量柱塞泵的出口连通，所述分水接头的多个输出端分别与多个注水针头相连通。
作为可选，所述的汗源层位于三层膜中的中间层，所述的疏水膜紧贴于所述的可控电加热膜上方，以防止汗水渗透到所述可控电加热膜，所述的吸水保湿薄膜紧紧覆盖于所述的疏水膜上方，以吸收并保存由所述微循环系统所输送过来的汗水。
作为可选，所述的微量柱塞泵有设有进液口与出液口，作为汗水的抽取与输送提供动力，所述控制阀门包括电磁阀A与电磁阀B，所述的电磁阀A设置在汗源与微量柱塞泵进液口之间，所述的电磁阀B设置在微量柱塞泵出液口处，当所述的微量柱塞泵不工作时，电磁阀A与电磁阀B都处于关闭状态，当所述的微量柱塞泵开始抽取汗水时，电磁阀A打开，电磁阀B关闭，当微量柱塞泵抽液完成，开始向所述的汗源层输送汗水时，电磁阀A关闭，电磁阀B打开。
作为可选，所述微循环系统通过若干所述分水接头组合的形式将所述微量柱塞泵输送过来的汗水分为多条支路，每条支路末端通过所述注水针头将汗水送到所述汗源层中。其中，所述注水针头从所述疏水膜与所述吸水保湿薄膜的贴合面之间扎入到所述汗源层中。
作为可选，所述的微孔滤膜紧紧贴合于所述吸水保湿薄膜的上方，在所述微孔滤膜上表面的对角线位置贴有两个点状温度传感器B与温度传感器C，用以监测所述皮肤膜表层的温度。
本发明的另一技术解决方案是，提供一种以下的模拟温度和出汗的控制方法，基于上述用于纺织品红外管理特性测试的皮肤模型，包括以下步骤：
首先使用所述可控电加热膜通电，使皮肤模型内核温度上升，通过贴附于所述可控电加热膜的温度传感器A对其温度进行实时监测，并与所设定的温度上下限进行比较判断，进而控制所述可控电加热膜电源的通断，实现皮肤模型内核温度维持在一个稳定的温度值37℃。
作为可选，所述表层通过所述汗源层的传热性能将其温度控制在33.5℃附近，当外界辐射使其所述表层温度上升并高于出小汗温度限时，所述微循环系统将(0.37±0.13)ml/100cm2的汗水量输送至所述汗源层，并通过所述吸水保湿薄膜渗透至所述微孔滤膜表层，以实现皮肤模型出小汗功能，通过汗水蒸发作用将所述表层温度控制在一定范围。
作为可选，当外界辐射致使所述表层温度持续升高并超过出大汗温度限时，所述微循环系统将(1.15±0.21)ml/100cm2的汗水量输送至所述汗源层，并通过所述吸水保湿薄膜渗透至所述微孔滤膜表层，以实现皮肤模型出大汗功能，通过汗水蒸发作用将所述表层温度控制在一定范围。
采用以上结构和方法，本发明与现有技术相比，具有以下优点：本发明由表层、汗源层、热源层所构成的皮肤模型模拟了人体皮肤的构造，能够通过可控电加热膜与模拟出汗方式将皮肤表层温度控制在33.5℃左右，能够经历不出汗、出小汗((0.37±0.13)ml/100cm2)、出大汗((1.15±0.21)ml/100cm2)三种不同的出汗模式，可以应用于纺织品检测行业，实现基于皮肤耦合作用的纺织品红外管理特性的测试，在皮肤模型对纺织品的耦合作用下，获取纺织品红外辐射的动态信息。
附图说明
图1为本发明用于纺织品红外管理特性测试皮肤模型的整体结构图；
图2为本发明皮肤模型三层膜结构示意图；
图3为皮肤模型热源层内部结构示意图；
图4为皮肤模型汗源层结构示意图；
图5为皮肤模型表层的结构示意图；
图中所示：1、恒温水浴装置，2、汗源容器，3、电磁阀A，4、微量柱塞泵进口，5、微量柱塞泵，6、微量柱塞泵出口，7、电磁阀B，8、分水接头，9、细软管，10、注水针头，11、三层膜结构，12、表层，13、汗源层，14、热源层，15、可控电加热膜，16、温度传感器A，17、吸水保湿薄膜，18、疏水膜，19、温度传感器B，20、温度传感器C，21、微孔滤膜。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
本发明涵盖任何在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。为了使公众对本发明有彻底的了解，在以下本发明优选实施例中详细说明了具体的细节，而对本领域技术人员来说没有这些细节的描述也可以完全理解本发明。此外，本发明之附图中为了示意的需要，并没有完全精确地按照实际比例绘制，在此予以说明。
如图1-5所示，示意了一种用于纺织品红外管理特性测试的皮肤模型，包括热源层、汗源层、微循环系统、表层，所述的热源层、汗源层和表层紧密贴合组成三层膜形式，以对人体皮肤进行模拟，其中所述热源层位于最底层，所述汗源层位于中间层，所述表层位于顶层，所述热源层由可控电加热膜15和测试传感器构成，所述的汗源层包括疏水膜18、吸水保湿薄膜17，所述的循环系统包括恒温水浴装置1、汗源容器2、控制阀门、微量柱塞泵5、分水接头8、细软管9、注水针头10，所述表层包括微孔滤膜21和测试传感器。所述的微量柱塞泵5设有进液口4与出液口6，为汗水的抽取与输送提供动力，所述控制阀门包括电磁阀A3与电磁阀B7，所述的电磁阀A3设置在汗源容器2与微量柱塞泵进液口4之间，所述的电磁阀B7设置在微量柱塞泵出液口6处，所述微循环系统通过若干所述分水接头8组合的形式将所述微量柱塞泵5输送过来的汗水分为8条支路，每条支路末端通过所述注水针头10将汗水送到所述汗源层中。当所述的微量柱塞泵不工作时，电磁阀A3与电磁阀B7都处于关闭状态，当所述的微量柱塞泵5开始抽取汗水时，电磁阀A3打开，电磁阀B7关闭，当微量柱塞泵7抽液完成，开始向所述的汗源层输送汗水时，电磁阀A3关闭，电磁阀B7打开。
图2所示，所述皮肤模型三层膜结构11由热源层14、汗源层13以及表层12各自紧密贴合而组成。
图3所示，所述热源层由可控电加热膜15和测试传感器构成，其中所述的测试传感器为温度传感器A16，所述温度传感器A16紧贴于所述可控电加热膜15下方中央位置。
图4所示，所述的汗源层13属于三层膜结构11中的汗源层，由所述的疏水膜18与所述的吸水保湿薄膜17组成，所述注水针头从所述疏水膜18与所述吸水保湿薄膜17的贴合面之间扎入到所述汗源层中。其中所述的疏水膜18紧贴于所述的可控电加热膜15上方，防止汗水渗透到所述可控电加热膜15，所述的吸水保湿薄膜17紧紧覆盖于所述的疏水膜18上方，能够快速吸收并保存由所述微循环系统所输送过来的汗水。
图5所示，所述皮肤模型表层由所述微孔滤膜21和测试传感器组成，其中所述测试传感器包括温度传感器B19和温度传感器C20，且所述温度传感器B19和温度传感器C20紧贴于所述微孔滤膜21上表面。
本发明一种应用于纺织品红外管理特性测试的皮肤模型的控制方法，具体步骤如下：首先使用所述可控电加热膜15通电，使皮肤模型内核温度上升，通过贴附于所述可控电加热膜的温度传感器A16对其温度进行实时监测，并在程序中与所设定的温度上下限进行判断，进而控制所述可控电加热膜15的通断，实现皮肤模型内核温度维持在一个稳定的温度值，同时所述表层通过所述汗源层的传热效果将其温度控制在33.5℃左右。
当外界辐射使其所述表层温度上升并高于出小汗温度限时，所述微循环系统将(0.37±0.13)ml/100cm2的汗水量输送至所述汗源层，并通过所述吸水保湿薄膜17渗透至所述微孔滤膜21表层，以实现皮肤模型出小汗功能，通过汗水蒸发作用将所述表层温度控制在一定范围。
当外界辐射致使所述表层温度持续升高并超过出大汗温度限时，所述微循环系统将(1.15±0.21)ml/100cm2的汗水量输送至所述汗源层，并通过所述吸水保湿薄膜17渗透至所述微孔滤膜21表层，以实现皮肤模型出大汗功能，通过汗水蒸发作用将所述表层温度控制在一定范围。
控制与测试开始前，设置环境温度为21±1℃，相对湿度为65±2％RH，通过labview程序启动皮肤模型控制测试程序，首先启动可控电加热膜15，加热内核温度到设定值37℃，当温度达到设定上限时，加热完成指示灯亮起，可控电加热膜15自动断开，温度保持在其设定范围内，当温度缓慢下降时，并低于设定下限时，温度过低指示灯亮起，可控电加热膜15自动开启，温度继续上升，程序能够根据每次的波动范围自动调整上下限，此时表层通过汗源层13的传导作用将温度保持在33.5℃左右。此时开启红外光源，直接照射到皮肤模型上，皮肤表层12温度开始上升，当温度到达出小汗温度限时，微量柱塞泵5接受程序命令，抽取0.5ml汗液并通过微循环系统输送到汗源层，皮肤表层微孔滤膜21渗出汗液，并通过汗液的蒸发作用将温度稳定在恒定值。移动红外光源，使其接近皮肤模型，此时，皮肤表层12温度持续升高，温度达到出大汗温度限，微量柱塞泵5接受程序命令，抽取1ml汗液并通过微循环系统输送到汗源层，皮肤表层微孔滤膜21渗出汗液，并通过汗液的蒸发作用将温度稳定在恒定值。关闭红外光源，皮肤膜表层12温度下降至稳定值，关闭系统，完成一次控制与测试。
通过皮肤模型对纺织品耦合作用，对纺织品红外管理特性进行测试，得到纺织品基于皮肤耦合作用下的红外辐射动态信息，对纺织品材料的热舒适进行评价。
虽然以上将实施例分开说明和阐述，但涉及部分共通之技术，在本领域普通技术人员看来，可以在实施例之间进行替换和整合，涉及其中一个实施例未明确记载的内容，则可参考有记载的另一个实施例。
以上仅就本发明较佳的实施例作了说明，但不能理解为是对权利要求的限制。本发明不仅局限于以上实施例，其具体结构允许有变化。总之，凡在本发明独立权利要求的保护范围内所作的各种变化均在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种用于纺织品红外管理特性测试的皮肤模型，包括热源层、汗源层、微循环系统和表层，其特征在于：所述的热源层(14)、汗源层(13)和表层(12)自下而上紧密贴合形成三层膜结构(11)，以对用于纺织品红外管理特性测试的人体皮肤进行模拟，所述热源层(14)包括可控电加热膜(15)和第一测试传感器，所述第一测试传感器设置在所述可控电加热膜(15)的外表面上，所述的汗源层(13)包括疏水膜(18)和吸水保湿薄膜(17)，所述的微循环系统包括恒温水浴装置(1)、汗源容器(2)、微量柱塞泵(5)和多个注水针头(10)，所述多个注水针头(10)排布在所述疏水膜(18)和吸水保湿薄膜(17)之间，所述汗源容器(2)设置在所述恒温水浴装置(1)上，所述微量柱塞泵(5)通过管路从汗源容器(2)抽取汗水，并通过管路泵向所述多个注水针头(10)，所述表层(12)包括微孔滤膜(21)和第二测试传感器，所述第二测试传感器设置于所述微孔滤膜(21)外表面。
2.根据权利要求1所述的用于纺织品红外管理特性测试的皮肤模型，其特征在于：所述的第一测试传感器包括温度传感器A(16)，所述第二测试传感器包括温度传感器B(19)和温度传感器C(20)，所述温度传感器A(16)紧贴于所述可控电加热膜(15)下方中央位置，所述温度传感器B(19)和温度传感器C(20)紧贴于所述微孔滤膜(21)上表面同一对角线两四分之一分割点位置。
3.根据权利要求1所述的应用于纺织品红外管理特性测试的皮肤模型系统，其特征在于：所述的微循环系统还包括控制阀门、分水接头(8)和细软管(9)，所述控制阀门设置在所述微量柱塞泵(5)的进出管路上，所述的输入端微量柱塞泵(5)的出口连通，所述分水接头(8)的多个输出端分别与多个注水针头(10)相连通。
4.根据权利要求2或3所述的用于纺织品红外管理特性测试的皮肤模型，其特征在于：所述的汗源层(13)位于三层膜结构(11)中的中间，所述的疏水膜(18)紧贴于所述的可控电加热膜(15)上方，以防止汗水渗透到所述可控电加热膜(15)，所述的吸水保湿薄膜(17)紧紧覆盖于所述的疏水膜(18)上方，以吸收并保存由所述微循环系统所输送过来的汗水。
5.根据权利要求3所述的用于纺织品红外管理特性测试的皮肤模型，其特征在于：所述的微量柱塞泵(5)设有进液口(4)与出液口(6)，所述控制阀门包括电磁阀A(3)与电磁阀B(7)，所述的电磁阀A(3)设置在汗源容器(2)与微量柱塞泵进液口(4)之间，所述的电磁阀B(7)设置在微量柱塞泵出液口(6)处，当所述的微量柱塞泵不工作时，电磁阀A(3)与电磁阀B(7)都处于关闭状态，当所述的微量柱塞泵(5)开始抽取汗水时，电磁阀A(3)打开，电磁阀B(7)关闭，当微量柱塞泵(5)抽液完成，开始向所述的汗源层输送汗水时，电磁阀A(3)关闭，电磁阀B(7)打开。
6.根据权利要求3所述的用于纺织品红外管理特性测试的皮肤模型，其特征在于：所述微循环系统通过若干所述分水接头(8)组合的形式将所述微量柱塞泵(5)输送过来的汗水分为多条支路，每条支路末端通过所述注水针头(10)将汗水送到所述汗源层中；其中，所述注水针头从所述疏水膜(18)与所述吸水保湿薄膜(17)的贴合面之间扎入到所述汗源层中。
7.根据权利要求2所述的用于纺织品红外管理特性测试的皮肤模型，其特征在于：所述的微孔滤膜(21)紧紧贴合于所述吸水保湿薄膜(17)的上方，在所述微孔滤膜(21)上表面的一条对角线两四分之一分割点位置各贴有两个点状温度传感器B(19)与温度传感器C(20)，用以监测所述皮肤膜表层的温度。
8.一种模拟人体皮肤温度和出汗的控制方法，基于权利要求1-7之一所述的用于纺织品红外管理特性测试的皮肤模型，其特征在于：首先使所述可控电加热膜(15)通电，使皮肤模型内核温度上升，通过贴附于所述可控电加热膜的温度传感器A(16)对其温度进行实时监测，并与设定的温度上下限进行比较判断，进而控制所述可控电加热膜(15)电源的通断，实现皮肤模型内核温度维持在一个稳定的温度值37℃。
9.根据权利要求8所述的模拟人体皮肤温度与出汗控制的方法，其特征在于：所述表层通过所述汗源层的传热性能将其温度控制在33.5℃附近，当外界辐射使其所述表层温度上升并高于出小汗温度限时，所述微循环系统将(0.37±0.13)ml/100cm2的汗水量输送至所述汗源层，并通过所述吸水保湿薄膜(17)渗透至所述微孔滤膜(21)表层，以实现皮肤模型出小汗功能，通过汗水蒸发作用将所述表层温度控制在一定范围。
10.根据权利要求9所述的模拟人体皮肤温度与出汗控制的方法，其特征在于：当外界辐射致使所述表层温度持续升高并超过出大汗温度限时，所述微循环系统将(1.15±0.21)ml/100cm2的汗水量输送至所述汗源层，并通过所述吸水保湿薄膜(17)渗透至所述微孔滤膜(21)表层，以实现皮肤模型出大汗功能，通过汗水蒸发作用将所述表层温度控制在一定范围。
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