基于虚拟仪器构建服装测量用温湿度仪.pdf

第2 8 卷第5 期 2 0 0 7 年5 月 纺织学报 J o u H l a lo fT b x t i l eR e s e a r c h V 0 1 2 8N o 5 M a v2 0 0 7 文章编号：0 2 5 3 ，9 7 2 1 ( 2 0 0 7 ) 0 5 一0 1 1 7 0 5 基于虚拟仪器构建服装测量用温湿度仪 陈益松，杨凯，张渭源 ( 东华大学服装学院，上海2 0 0 0 5 1 ) 摘要温度和相对湿度是服装热湿舒适性研究领域中2 个重要的测量参数，对其进行精确的动态实时测量是服 装领域的实用技术。以美国国家仪器( N I ) 公司的虚拟仪器为架构，在L a b V I E w 为系统软件的开发环境下，研制了 l 台温湿度测量仪。该仪器具有多路信号输入，数据连续采集与处理，图形化显示，文件存储，超限报警等多项功能， 并具有设置灵活，方便修改的特点，可用于服装热湿舒适性测量及其他相关领域，并在实验中取得了良好的结果。 关键词虚拟仪器；温湿度；服装；热湿舒适性；L a b V I E w 中图分类号：佟1 0 1 9 2 3文献标识码：A D e V d o p m e n to ft h et e m p e r a t u r ea l l dh 吣i m t yi 璐t r u m e n tf o r c l o t b j n gm e a s u r e m e n tb a s e do nv i r t I l mi 璐t r I l m e n t C H E NY i s o n g ，Y A N GK a i ，Z H A N GW e i y u a n ( 胁拓抛o ，凡s 面n ，D o 啦洒瑙蚵，咖i2 0 0 0 5 l 。吼讹) A _ b s 妇c t T e m p e r a t u r ea n dr e l a t i v eh u I l l i d i t ya r et w oi m p o r t 粕tp a r a m e t e r si nr e s e a I c ho ft h e 珊a la n dm o i s t u r e c o m f o r tp m p e r t i e so fd o t h e s ，a n dm a k i n ga c c u r a t ea n dr e a l t i m em e a s u r i n go ft h e mi sap r a c t i c a lt e c h n o l o g y T h i sa n i c l ei n t m d u c e st I l et e m p e m t u r ea n dh u I l l i d i t ym e a L s u r i n gi n s t l l l m e n tw h i c hi sd e v e l o p e do nN Iv i r t u a l i n s t m m e n tt e c h n o l o 婀a n dL a b V I E Ws o f t w a r e 7 r h i si n s t l l l l e n th a s 呦n yf u n c t i o n s ， s u c ha sm u l t i c h a n n e l s i g n a l si n p u t ，r e a l - t i I n ed a t aa c q u i r i n g a n dp r o c e s s i n g ，g m p h i c a ld i s p l a y ， 壬i l e p r e s e n r a t i o n ， a n do V e m l n a l 枷n g T h i si I l s t m l e n tc a I lb eu s e di nt h e 珊a l m o i s t u r ec 0 1 I d b r tm e a s u r e m e n to fc l o t h e sa n ds o m eo t h e r r e l a t i v ef i e l d s ，w h i c hi sn e x i b l e ，v e r s a t i l ea n do b t a i n sg o o dr e s u l t si ne x p e r i m e n t s K e yw o r d s v i r t u a li n s t m m e n t ；t e m p e r a t u r ea n dh u r I l i d i t y ；c l o t h i n g ；h e a t - m o i s t u r ec o m f o r t ；I J a b V I E W 在服装热湿舒适性研究领域，温度和相对湿度 是2 项重要的测量指标。现代研究表明，人体与服 装及环境之间热、湿方面的相互耦合作用是影响服 装舒适性的重要因素。通过温湿度的测量，可以 评价服装选材、结构合理与否的人体舒适程度，所以 温湿度测量是服装领域内常见的实用技术。但多年 来使用的温湿度测量方法，主要是依靠简单的原始 仪器进行测量，通常数据记录过程繁琐，精度低，连 续性差，给现场实时测量与分析带来了诸多不便。 现代虚拟仪器( v i r t u a li n s t m m e n t ) 技术的诞生为解决 这些问题提供了技术平台。本文以虚拟仪器的概念 为架构，利用虚拟仪器方便简捷的特点，并以 L a b v I E w 虚拟仪器软件为平台开发了服装热湿舒适 性温湿度测量仪，该仪器具有多功能性和设计灵活 性，完成了对温湿度信号的数据采集、分析处理、图 形化显示、文件存储、超限报警等任务。 1 虚拟仪器简介 虚拟仪器是由美国国家仪器公司( N a t i o n a l I n s t m m e n t s ，N I ) 于1 9 8 6 年提出的。它是一种可同时 完成多种任务、实时更新的柔性仪器系统。虚拟仪 器是在以计算机为核心的硬件平台上，通过配置I O 接口设备，将传感器采集到的信号送往计算机，利用 计算机显示器来模拟传统仪器的控制面板，通过用 户编写不同测试功能的软件，对采集到的信号进行 收稿日期：2 0 0 6 0 9 0 5修回日期：2 0 0 7 0 l 0 5 作者简介：陈益松( 1 9 6 4 一) ，男，副教授，博士。主要研究领域为服装舒适性。E m a i l ：c y s d h u e d u c n 。 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the watermark · 11 8 · 纺织学报第2 8 卷 分析处理并输出、显示。其基本结构如图1 所示。 虚拟仪器的出现，打破了传统仪器由厂家定义，用户 无法修改的工作模式，使得用户可以根据自己的需 求，设计自己的仪器系统心。自从虚拟仪器出现至 今，虚拟仪器以其区别于传统仪器的显著优点，得到 了广泛的应用和迅速的发展。构造一个虚拟仪器系 统，关键在于软件的选择。美国N I 公司的h b V I E w 软件功能最为完善，在欧美等发达国家应用相当广 泛，在中国也正在迅速普及“ 。 网 1 一 图l 虚拟仪器基本结构图 F i g 1 B a s i cs t r u c t u r a ld i a g r a mo fv i n u a li n s t m m e n t 2 基于虚拟仪器的温湿度测量仪设计 2 1 系统硬件结构设计 系统由温湿度传感器、信号调理卡、数据采集 卡、计算机几部分组成，其原理结构如图2 所示。外 界的温湿度物理信号通过传感器转变为电信号，然 后经过调理卡进行信号调理( 隔离、滤波、放大) ，随 即通过数据采集卡将调理后的电信号送到计算机内 存中，最后通过L a b v I E W 软件的设计达到对温湿度 测量的目的。 霎蓬蓦昏幽蓑燃 阿磊非砸磊丽忙吲堡广 莸黑 图2 系统原理结构图 F i g 2S y s t e m ss l r u c t u r a ld i a g r a m ：。 系统的精度很大程度上取决于传感器的精度， 故温湿度传感器的选择至关重要。温度传感器的种 类很多4 。，常用的有热敏电阻温度传感器，热电偶、 热电阻温度传感器等。热敏电阻温度传感器体积 小，灵敏度高，价格便宜，但精度低，稳定性差，有老 化现象，一般不适合高精度的温度测量。热电偶测 温范围广，测量精度较差，对引线有特定的要求，另 外还要进行冷端补偿。热电阻温度传感器是利用物 质在温度变化时本身的电阻也随之发生变化的特性 来测量温度，其主要的材料有铂、铜、镍，由于铂电阻 具有良好的稳定性和测量精度，主要用于高精度的 温度测量和标准测温装置，是经典的温度传感器，故 本文选用P t l 0 0 铂电阻温度传感器，尺寸为5m m ( 长) ×2m m ( 宽) ×1H u n ( 厚) ，温度范围为 一5 0 1 0 0 ，精度O 1 ，且带有自粘性保护 套，可粘贴在皮肤和服装上，使用方便。 目前广泛使用的湿度传感器主要有氯化锂湿敏 元件、金属氧化物陶瓷湿敏元件、高分子膜湿敏元件 等。氯化锂湿敏元件采用真空镀膜工艺制成，稳定 性好，精度高，响应快，但非线性大，尺寸较大，有结 露时易失败。金属氧化物陶瓷湿敏元件是由金属氧 化物经烧结等工艺制成，其稳定性好，但温度系数 大，体积也较大。高分子膜湿敏元件是利用相对湿 度的变化影响聚合物的介电常数，从而改变元件的 电容值制造的，该类传感器尺寸小，线性好，响应快。 故本文选用美国H o n e y w e u 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 m ( 宽) ×0 6m m ( 厚) ，电源电 压5V 直流，精度2 冗H 。 针对测量外界温湿度多路信号，本系统选用N I P c I 石0 2 4 E 数据采集卡进行设计，其技术参数为： 1 2 B i t ，2 0 0k s s ，1 6I n p u t ，精度为2 1 2 。信号调理卡采 用s C x I 1 1 2 2 型号，其技术参数为1 6c h a n n e l s ， 1 0 0s s ，2e x c i t a t i o ns o u r c e s 。并采用差分测量系统输 入( 8 对模拟输入通道) ，不但能有效地避免接地回 路的干扰，还能避免外界环境的干扰。 2 2 系统软件结构设计 软件部分是整个温湿度测量系统的核心，本系 统是在w i n d o w sx P 操作系统支持下，采用L a b V I E w 7 1 软件开发的。程序示意图如图3 所示。程序框 图总体上是1 个w h i l el o o p 循环结构，完成不同时间 段内数据的连续采集，在此循环结构中还内嵌1 个 分支结构和1 个循环结构。程序主要完成数据采 集、图形化显示、数据存储、超限报警等功能。 数据采集部分采用I 丑b v I E w 功能模块进行连 续采集。首先对数据采集卡硬件进行配置，并控制 数据采集的速率、样本数以及硬件触发器的使用。 然后进入循环结构进行数据采集，即每隔一定时间 进行一次连续的数据采集，每次采集所需的扫描点 数以及持续时间均可由用户在前面板上进行设置。 本系统设计为对8 路信号( 不同的温湿度信号可自 由组合) 进行数据采集，便于在同一时间监测多路温 湿度信号的变化情况。该模块灵活简洁，用户可自 行设置参数，可对温湿度信号进行长时间的连续 监测。 、1；j 系统采用文件I ，O 模板进行数据的存储。由于 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the watermark 第5 期陈益松等：基于虚拟仪器构建服装测量用温湿度仪 1 1 9 · 引 W h i l e l 唧循环 1 关 蓁一 降入文件( “c e l ) r龌 kJ 叫连续数据采集I 萋 上 H 雠H 各鹭酽卜1 谍 L 错 误 l | | | 叫黼H 磲觥H 幸鹭翟卜 处 理 置 w h i l e l o o p 循环 图 “开始采集数据”按钮 时间延迟 形 化 1 1“暂停采集数据”按钮 I 停止I 显 刁i 图3 系统程序不意图 F 培3S y s t e m sp r o g r a mc h a n 使用的P t l 0 0 铂电阻温度传感器已标准化，其电压 值自动显示为温度值( ) ；而湿度传感器无参数存 储和转换设置，需在程序中人工将电压值转化为相 对湿度值( ) ，其转化程序由传感器制造商提供。 另外，为了减小外界信号的于扰，将每一路信号每次 采集的全部数据取平均值，然后组成数组写入文件 中，该文件以电子表格( e x c e l ) 形式读取，便于数据的 调用及后续处理。 数据显示部分使用波形控件显示连续扫描的数 据，从前面板的波形控件中可直观形象地观察温湿 度的连续变化情况。另外，本系统采用布尔双色指 示灯进行超限报警，通过观察前面板上指示灯的变 化，可随时了解温湿度值是否超出了正常范围。 系统前面板的设计形象地模拟了传统仪器的外 观，如图4 所示。在“参数设置”区进行通道号、采样 率等的设置后，将布尔开关指向“开始”，即开始温湿 度数据的连续采集、存储、显示，通过观察s c a n b a c k l o g 的值来调整每次读取的扫描数，避免缓冲区 中的数据溢出。将布尔开关指向“暂停”则系统处于 待机状态。点击“停止”按钮退出系统。 3 仪器性能分析 一个系统的性能主要取决于它的研究开发、设 计和制造水平，对其性能进行科学的定性分析与定 量分析是验证它的设计理论、测试结果正确性及可 靠程度的重要手段“。对于一个测试设备或仪 器，一般从它的稳定性及精度等方面进行分析，并根 据分析结果对系统的性能做出综合评价。 为了判定本仪器的性能，在人工气候室中，分别 在以下6 种环境条件下进行了性能实验：环境温度 图4 系统前面板 F i g 4S y s t e m7 sf r o n tp a n e l 1 8 ，相对湿度3 0 ；环境温度2 0 ，相对湿度 4 0 ；环境温度2 2 ，相对湿度5 0 ；环境温度 2 4 ，相对湿度5 5 ；环境温度2 6 ，相对湿度 6 0 ；环境温度2 8 ，相对湿度6 5 。实验时系统 仅连接一对温湿度传感器，并将它静止放置于空气 中测量人工气候室的温度和相对湿度，系统每 1 5r n i n 记录一次数据，共记录2 0 次，所测温度和相 对湿度的变化如图5 所示。 p 魁 赠 2 9 2 7 2 5 2 3 2 1 1 9 1 7 7 0 6 5 摹6 0 耋| | 3 0 2 5 一 * _ P - _ P + q - ' _ d - H * 4 k ，r J k * ，崔 h P ·叫r ·| 广·- r ·、卜' _ 广·1 b ·1 - t - P - _ P H h d _ o - _ - ·q h - ·_ p - 1 卜· ，¨ 135791 11 3 1 5 1 7 1 9 时间，×1 5 m i n ( a ) 温度曲线 一一一 - - 、1 r 1 r _ - _ 电_ 卜t 1 - 1 卜 | _ P 一 p 、h ' - o l35791 11 3 1 5 1 7 1 9 时间，×1 5 m i n ( b ) 相对湿度曲线 图5 性能实验中的温度和相对湿度曲线 F i g 5T 色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 u r v e si n p e I f b H n a n c ee x p e r i m e n t s 。 应用该仪器对温湿度进行多次测量时，由于系 统本身的不稳定性及环境等因素的影响，不可避免 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the watermark · 1 2 0 · 纺织学报第2 8 卷 地存在系统误差和随机误差，这就使得所测值皆不 相同。 统计学上一般用多次测量值的标准差吼( 或算 术平均值标准差仃：) 、极限误差s ：。( 或算术平均值 极限误差。) 和变异系数c y 描述随机误差，用测 量值与真值的偏差艿描述系统误差和随机误差的 综合影响m8 | 。上述实验结果的数据处理见表1 、 表2 。 表1 温度值的数据处理结果 T a b 1 D a 协p m c e 鹤i n gr e s l l l 缸o f 姗p e 髓h l r e 注：买验次数均为2 0 次。 从表中数据及图5 可以看出，温度测量值始终 在较小范围内波动，说明本系统具有良好的稳定性 能。另外，温度测量值的s i 。 O 3 5 2O ， s ：，。 O 0 7 87 ，c y 0 4 9 ；相对湿度测量值的 s i 。 1 8 2 12 ，s j i 。 0 4 0 72 ，c y 1 5 6 ，说明 本仪器的系统精密度良好。温度测量值与相对真值 的最大偏差不超过0 0 1 ，相对湿度测量值与相对 真值的最大偏差不超过o 0 7 ，说明该仪器的精确 度良好。 另外，为了验证该仪器对不同温湿度测量的差 异性及对不同织物热湿舒适性的评价，进行了如下 实验：采用模拟出汗装置测试在模拟皮肤出汗瞬间， 织物对热、湿的动态传递性能o 。将市售机织试样 ( 1 0 0 棉，1 0 0 羊毛，l o o 涤纶，1 0 0 丙纶) 在人 工气候室2 4 ，5 0 环境下经过2 4h 调湿处理后，固 定在试样架上，将一对温湿度传感器固定于面料下 方( 面料内表面) ，另一对温湿度传感器固定于面料 上方( 面料外表面，裸露于空气中) ，开启模拟出汗装 置和温湿度测量仪，从前面板中可形象地观察面料 内外两面的温湿度变化情况，其温湿度值保存在 e x c e l 格式的文件中。 图6 显示了在模拟皮肤出汗瞬间，4 种不同纤 维织物内表面的温湿度动态变化情况，达到动态平 p 髓 赠 莲 蜊 嫡 靛 罂 3 4 3 2 3 0 2 8 2 6 2 4 9 0 8 0 7 0 6 e 5 0 4 0 1 0 l2 0 13 0 1 时间，×3s ( a ) 温度曲线 4 0 l 1 0 1 2 0 1 3 0 1 时间，×3 s ( b ) 相对湿度曲线 图6 不同纤维织物内表面的温湿度动态变化曲线 F i g 6T e m p e r a t u r e ( a ) a I l dr e l a t i v eh u m i d i t y ( b ) v 鲥a t i o n c u r v e si ni n f I e rs u I f a e eo fd i 矗I e r e n tf 炳c s 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the watermark 第5 期陈益松等：基于虚拟仪器构建服装测量用温湿度仪 。1 2 1 。 衡后温湿度从大到小依次是羊毛织物、棉织物、涤纶 织物和丙纶织物。人体大量出汗时，棉、羊毛等亲水 性织物由于吸水性很好，导致织物内表面湿度高，人 体会产生闷湿的感觉。而涤纶、丙纶等疏水性织物 与水分子的结合力小于亲水性织物，吸收水分少，织 物内表面的湿度反而小于棉和羊毛织物，人体穿着 的热湿舒适性反而好于亲水性的棉、羊毛织物。 4结论 以虚拟仪器为平台，以图形化编程语言 I 丑b v I E w 为工具开发的温湿度测量仪可完成对多路 温湿度信号的数据采集、处理、图形化显示、文件存 储、超限报警的设计，解决传统仪器对服装温湿度测 量不便的问题，经过实验验证，实现了灵活便捷的虚 拟仪器温湿度测量。以此为基础可以更好地开展服 装热湿舒适性及其他相关领域的研究。黼 参考文献： F 0 h rJP ，C o u t o nD ，T e r g u i e rG D y n a m i ch e a ta n dm o i s t u r e t 姗s f e rt h 加u g hl a y e r e df 抽r i c s J r e x t i l eR e s e a r c h J o u m a l ，2 0 0 2 ，7 2 ( 1 ) ：1 1 2 杨乐平，李海涛，肖凯，等虚拟仪器技术概论 M 北京：电子工业出版社，2 0 0 3 ：1 0 1 2 邓焱，王磊I 丑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 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 陈林才，张鄂精密仪器设计 M 北京：机械工业出 版社，1 9 9 l ：1 3 8 薛实福精密仪器设计 M 北京：清华大学出版社， 1 9 9 1 ：l 一2 6 肖明耀实验误差估计与数据处理 M 北京：科学 出版社，1 9 8 0 ：7 3 1 0 9 费业泰误差理论与数据处理 M 北京：机械工业 出版社，1 9 8 7 ：1 0 5 6 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 1 j 1I 11j 1 j 1 2 3 4 5 6 7 黾 9 r L rrrl r L 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the watermark