基于虚拟仪器构建服装测量用温湿度仪

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温湿度

第28卷第5期

2007年5月

纺织学报

JouHlalofTbxtileResearch

V01.28Mav

No.52007

文章编号:0253,9721(2007)05一0117.05

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200051)

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(NI)公司的虚拟仪器为架构,在LabVIEw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;LabVIEw中图分类号:佟101.923

文献标识码:A

DeVdopmentofthetemperaturealld

clotbjngmeasurementbased

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CHENYisong,YANGKai,ZHANGWeiyuan

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Keywords

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virtualinstmment;temperatureandhurIlidity;clothing;heat-moisturecomfort;IJabVIEW

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(virtualinstmment)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LabvIEw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(NationalInstmments,NI)于1986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:2006—09—05修回日期:2007—0l—05

作者简介:陈益松(1964一),男,副教授,博士。主要研究领域为服装舒适性。E—mail:cys@dhu.edu.cn。

万方数据

温湿度

118

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mm

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NI公司的hbVIEw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"。。

本文选用Ptl00铂电阻温度传感器,尺寸为5

(长)×2mm(宽)×1Hun(厚),温度范围为一50℃~100℃,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Honeyweu公司制造的HIH3610型

Fig.1

1................一

图l虚拟仪器基本结构图

Basicstructuraldiagramofvinualinstmment

高分子膜(热固性树脂膜)湿敏电容传感器,其尺寸为8.9mm(长)×3.8mm(宽)×0.6mm(厚),电源电压5V直流,精度2%冗H。

2基于虚拟仪器的温湿度测量仪设计

2.1

针对测量外界温湿度多路信号,本系统选用NIPcI石024E数据采集卡进行设计,其技术参数为:

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

12.Bit,200ks/s,16Input,精度为212。信号调理卡采

channels,

用sCxI.1122型号,其技术参数为16

100s/s,2excitation

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

sources。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。

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LabvIEW软件的设计达到对温湿度测量的目的。

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windowsxP操作系统支持下,采用LabVIEw7.1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whileloop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bvIEw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。

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图2系统原理结构图

Fig.2

System’sslructuraldiagram

:。

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

系统采用文件I,O模板进行数据的存储。由于

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‘119

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whileloop循环“开始采集数据”按钮

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叫黼H磲觥H幸鹭翟卜

11“暂停采集数据”按钮

I停止I

图形化显

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图3系统程序不意图

F培.3

System’sprogramchan

使用的Ptl00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

图4系统前面板

Fig.4

System7sfrontpanel

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(excel)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scanbacklog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。

7065

18℃,相对湿度30%;环境温度20℃,相对湿度40%;环境温度22℃,相对湿度50%;环境温度24℃,相对湿度55%;环境温度26℃,相对湿度60%;环境温度28℃,相对湿度65%。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

15

rnin记录一次数据,共记录20次,所测温度和相

对湿度的变化如图5所示。

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11

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时间,×15min(a)温度曲线

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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

耋||

3025

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15

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19

时间,×15min

(b)相对湿度曲线

图5性能实验中的温度和相对湿度曲线

Fig.5

T色mperature(a)andrelativehumidity(b)curvesin

peIfbHnanceexperiments。

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

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

温湿度

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纺织学报第28卷

地存在系统误差和随机误差,这就使得所测值皆不极限误差《。)和变异系数cy描述随机误差,用测

相同。

量值与真值的偏差艿描述系统误差和随机误差的统计学上一般用多次测量值的标准差吼(或算综合影响m8|。上述实验结果的数据处理见表1、术平均值标准差仃:)、极限误差s:。(或算术平均值

表2。

表1温度值的数据处理结果

Tab.1

Da协pmce鹤ing

reslll缸of姗pe髓hlre

注:买验次数均为20次。

从表中数据及图5可以看出,温度测量值始终图6显示了在模拟皮肤出汗瞬间,4种不同纤在较小范围内波动,说明本系统具有良好的稳定性维织物内表面的温湿度动态变化情况,达到动态平

能。另外,温度测量值的si。<O.352O℃,

34

s:,。<O.0787℃,cy<0.49%;相对湿度测量值的32si。<1.8212%,sji。<0.4072%,cy<1.56%,说明p

30本仪器的系统精密度良好。温度测量值与相对真值髓赠

28的最大偏差不超过0.01℃,相对湿度测量值与相对26真值的最大偏差不超过o.07%,说明该仪器的精确24

10l

201

301

40l

度良好。

时间,×3

另外,为了验证该仪器对不同温湿度测量的差(a)温度曲线

异性及对不同织物热湿舒适性的评价,进行了如下90实验:采用模拟出汗装置测试在模拟皮肤出汗瞬间,莲

80织物对热、湿的动态传递性能∽o。将市售机织试样蜊

70嫡靛

6e(100%棉,100%羊毛,loo%涤纶,100%丙纶)在人罂

50工气候室24℃,50%环境下经过24h调湿处理后,固40

定在试样架上,将一对温湿度传感器固定于面料下101

201

301

方(面料内表面),另一对温湿度传感器固定于面料时间,×3s(b)相对湿度曲线

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图6不同纤维织物内表面的温湿度动态变化曲线

内外两面的温湿度变化情况,其温湿度值保存在Fig.6

Temperature(a)aIld

relative

humidity(b)v鲥ation

excel格式的文件中。

curves

ininfIersuIfaeeofdi矗Ierent

f炳cs

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。121。

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。.

参考文献:

rL1

1j

F0hr

JP,CoutonD,TerguierG.Dynamicheatand

th加ugh

layered

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以虚拟仪器为平台,以图形化编程语言I丑bvIEw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。

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基于虚拟仪器构建服装测量用温湿度仪

作者:作者单位:刊名:英文刊名:年,卷(期):被引用次数:

陈益松, 杨凯, 张渭源, CHEN Yisong, YANG Kai, ZHANG Weiyuan东华大学,服装学院,上海,200051纺织学报

JOURNAL OF TEXTILE RESEARCH2007,28(5)3次

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此外,本文还对基于TCP/IP协议、浏览器、DataSocket远程测控技术和共享变量进行了研究,并综合运用这几种技术模拟了远程数据的采集和数据共享,通过对这几种技术在实时性、可靠性、远程控制和开发难度方面进行了比较,个人认为浏览器和DataSocket技术更符合本系统的设计要求,并以此实现了温、湿度的远程检测和控制。

9.期刊论文 韩成浩.李柏峰.高晓红.陈伟利.HAN Chenghao.LI Baifeng.GAO Xiaohong.Chen WEI Li 智能小区温湿度检测系统设计 -长春理工大学学报(自然科学版)2009,32(3)

设计了一种完全符合单总线协议的温湿度监测系统.该系统由用户终端、中继站、小区物业管理中心组成:用户终端采用集成线性湿度传感器和DS2438温度传感器构成单总线温湿度传感器,实时将各房间的温湿度通过CAN总线传送到中继站;中继站将采集到的数据进行存储,并通过无线网将数据传送到物业管理中心;物业管理中心采用LabVIEW虚拟仪器软件进行实时检测各用户的温湿度并加以补偿.

10.期刊论文 郑明.智勇.刘晓辉 基于虚拟仪器的温湿度测控系统 -中国测试技术2003,29(4)

随着计算机技术的发展,人们开始用PC机来开发新一代的测控系统,最终形成了虚拟仪器技术.虚拟仪器是仪器技术与计算机技术的结合,是全新概念的仪器.虚拟仪器可代替传统的测量仪器;可组成自动控制系统;可自由构建成专有仪器系统.它的出现使测量仪器与计算机之间的界限消失,开始了测量仪器的新时代.温度和湿度的测量广泛应用于科研、工业等领域.本文采用虚拟仪器技术构建一个温湿度测控系统.系统的软件部分采用美国NI公司的LabVIEW图形编程环境创建.硬件部分使用NI公司的PCI-6023E DAQ卡进行数据采集.

引证文献(2条)

1.汤倩.肖居霞.魏取福 运动服动态压力测试系统的构建与评价[期刊论文]-纺织学报 2009(9)2.杨凯.陈益松.张渭源 基于NI LabVIEW平台的织物动态热湿测试仪开发[期刊论文]-纺织学报 2008(3)

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下载时间:2011年1月12日

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