《Micromachines》：Research on Temperature Compensation Technology for a Flexible Capacitive Pressure Sensing System
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航空航天飞行器的实时压力场测量具有挑战性，因为柔性传感器阵列必须在曲面和热-压力耦合条件下工作。在这项研究中，研究人员通过集成一个8 × 8柔性传感器阵列、基于时分复用和同步检测的多通道读出电路以及一个粒子群优化-反向传播（PSO-BP）神经网络模型，开发了一
航空航天飞行器的实时压力场测量具有挑战性，因为柔性传感器阵列必须在曲面和热-压力耦合条件下工作。在这项研究中，研究人员通过集成一个8 × 8柔性传感器阵列、基于时分复用和同步检测的多通道读出电路以及一个粒子群优化-反向传播（PSO-BP）神经网络模型，开发了一种用于航空航天应用的温度补偿柔性电容式压力传感系统。标定结果显示高线性度，相关系数为0.9998，最大相对误差为2.23%。在5–150 kPa和10–110 °C的耦合温度-压力条件下，平均测量误差保持在6%以下。飞行实验进一步验证了有效的飞行中数据采集以及关键飞行事件期间的趋势级压力变化，证实了所提方法在分布式航空航天压力监测中的可行性。
**温度补偿柔性电容式压力传感系统的研究：从实验室标定到飞行验证**
**研究背景与问题**
航空航天飞行器在飞行过程中，其外部壁面、仪器舱和级间段等关键结构承受复杂的气动载荷、瞬态压力冲击和大梯度压力变化，对压力场监测系统提出了严苛要求。传统压力测量技术（如谐振式传感器、压力敏感涂料和光纤传感系统）在曲面共形部署、分布式测量以及在恶劣飞行环境中稳定运行方面存在局限。近年来，柔性压力传感器阵列在可穿戴电子、健康监测和人机界面等领域展现出潜力，但应用于航空航天时仍面临两大挑战：一是柔性电容式传感器在热-压力耦合条件下易受温度漂移影响；二是大规模阵列需要可靠的多通道读出系统实现选择性寻址和稳定测量。现有研究多集中于传感材料或柔性蒙皮本身的性能表征，缺乏从阵列传感、读出电路到温度补偿的完整系统集成和飞行验证。因此，研究人员旨在开发一套集成化、温度补偿的柔性电容式压力传感系统，用于航空航天飞行器的分布式压力场监测，并在真实飞行环境中验证其可行性。相关论文发表在《Micromachines》期刊上。
**关键技术方法概述**
研究人员设计并集成了以下核心技术方法：首先，采用8 × 8行-列复用架构的柔性电容式压力传感器阵列，每个传感单元为双平行板电容结构，以高温聚酰亚胺（PI）纳米纤维膜为多孔介质层，并在真空下封装以抑制介电常数随气压变化。其次，构建基于时分复用和同步检测的多通道读出电路，通过100 kHz正弦激励信号和AD734模拟乘法器实现电容-电压（C-V）转换，以逐点寻址方式测量64个单元。最后，引入粒子群优化-反向传播（PSO-BP）神经网络模型，将温度和电容作为输入、压力作为输出，利用2562组实验数据训练模型以补偿温度漂移。飞行实验在中国某运载火箭的级间段平台进行，柔性传感器阵列安装于平台内壁，商用温度传感器记录内部环境温度，读出电路和数据采集模块通过遥测链路传输数据。
**研究结果**
**3.1 标定结果**
通过使用精密表贴电容阵列标定自制电容读出电路，研究人员发现输出电压与参考电容之间呈现高度线性关系（相关系数0.9998），最大相对误差为2.23%（由公式（11）计算）。这表明自制读出电路与商用LCR表具有良好一致性。
**3.2 PSO-BP温度补偿性能**
PSO-BP模型在训练集中经过1053次迭代后，决定系数（R2）达到0.9421，均方根误差（RMSE）逐渐下降并稳定。在测试集上，预测压力值在整个测量范围内跟随参考趋势，尤其在5 kPa和150 kPa边界附近存在较大偏差，表明模型较好地捕捉了温度-电容-压力间的非线性耦合关系；与传统多项式拟合相比，PSO-BP模型在测量范围边界处表现更优。
**3.3 飞行实验压力测量结果**
在175秒有效飞行数据中，依据飞行前标定结果排除了3个异常传感单元（基本误差>10%），剩余61个有效单元用于压力重建。飞行过程中，平台内部温度变化范围狭窄，而高度持续上升直至级间分离。经PSO-BP温度补偿后，61个单元的重建压力趋势在起飞前接近大气压，发射后持续下降，与同平台商用高温压力传感器（外部安装，10 Hz采样）的趋势一致。在起飞后约71–73秒，多个单元检测到约14 kPa至2 kPa的阶跃式压力下降，对应级间分离相关事件。研究人员进一步重建了0–5 s、25–30 s、70–75 s和140–145 s四个时段的空间压力场分布图，证实系统能提供分布式压力场信息而非单点平均值。
**讨论与结论**
讨论部分指出：本研究实现了从阵列传感、电容采集到温度补偿压力重建和飞行验证的完整测量链，在实验室标定中表现出高线性度（相关系数0.9998）和低误差（最大2.23%），在5–150 kPa和10–110 °C耦合条件下平均重建误差低于6%。PSO-BP模型通过捕捉非线性耦合简化补偿流程，但其规模较大，未来需优化为轻量化架构以适配机载边缘计算。机械迟滞效应在循环载荷下影响传感器性能，未来应量化迟滞误差和恢复时间。飞行实验虽受遥测带宽限制（有效数据率约1 Hz），但成功捕获了关键飞行事件的压力趋势，验证了系统在真实飞行环境中的可行性。现有配置中单一温度传感器提供的空间分辨率有限，未来需集成分布式温度传感器以应对非均匀热场。异常传感单元的原因可能在于人工制造中的微皱褶、粘合剂分布不均或真空封装局部退化，需提升制造一致性。
结论部分翻译：
在这项研究中，研究人员通过集成一个8 × 8柔性传感器阵列、多通道读出电路和PSO-BP神经网络模型，开发了一种用于航空航天飞行器的温度补偿柔性电容式压力传感系统。所提出系统表现出高标定线性度，相关系数为0.9998，最大相对误差为2.23%。在耦合温度-压力条件下，平均测量误差保持在6%以下，表明所提出的补偿策略可有效抑制温度漂移。此外，共获得175秒有效飞行数据，成功捕获了关键飞行事件相关的压力变化。这些结果证实了所提出系统在分布式航空航天压力监测中的可行性。
