提出了具有增益补偿功能的数字化驱动闭环方法，以便提高微机械陀螺标度因数的稳定性。介绍了微机械陀螺的工作原理，对其运动方程的分析显示: 为了提高标度因数的稳定性，需要提高陀螺驱动模态振动速度的稳定性; 而振动速度的稳定性与驱动环路中C/V转换电路增益的稳定性相关。为此，设计了增益补偿算法，配合自动增益控制环节和锁相环环节构建了具有增益补偿功能的数字化驱动闭环。仿真结果表明，在C/V转换电路增益相对变化量为7.4%时，振动速度幅值的相对变化量由无增益补偿时的7.29%降到了有增益补偿时的0.12%。实验结果表明，增加增益补偿环节后，标度因数的温度系数在-40℃到60℃的降幅达到了90%。得到的结果验证了具有增益补偿功能的微机械陀螺数字化驱动闭环可以较大幅度地提高微机械陀螺标度因数的稳定性。

建立了以微机械陀螺驱动模态固有频率为虚拟温度传感器的温度补偿系统, 以实现对微机械陀螺标度因数和零偏的高精度温度补偿。研究了自主设计的微机械陀螺的驱动模态固有频率的温度特性, 通过实验手段获得了频率的温度系数为(-26.9±2.03)×10-6 ℃, 且温度测量精度1 s平均时为0.075 ℃, 20 s平均时为0.004 ℃。在分析微机械陀螺标度因数和零偏温度特性的基础上, 提出了一种二阶温度补偿方案, 并给出了补偿原理和算法示意图。最后, 利用驱动模态固有频率对标度因数和零偏进行了温度自补偿。实验结果表明, 在-40 ℃到60 ℃, 标度因数的最大相对变化量从补偿前的2.1%下降到了0.05%; 零偏的最大相对变化量从补偿前的8.9%下降到了0.1%; 室温下2 h的零偏实验表明, 温度补偿后微机械陀螺的零偏不稳定性由4.1(°)/h降到了0.42(°)/h, 满足了微机械陀螺温度补偿的高精度要求。

通过研究脉冲密度反馈力对微机械陀螺性能的影响,设计了基于机电结合∑Δ调制器原理的微机械陀螺检测闭环电路。首先, 根据微机械陀螺敏感模态的等效形式, 分析得出脉冲密度反馈力对敏感模态的影响机理可以分为负刚度效应和增益效应两部分, 且负刚度效应与输入角速度无关。然后, 根据闭环检测理论建立了角速度和反馈脉冲密度之间的关系、量程与反馈脉冲高电平之间的关系。最后, 利用量程设计指标和实际微机械陀螺参数, 理论计算了所需的反馈脉冲高电平, 并在Simulink中进行了仿真。仿真结果表明, 所选参数满足了设计指标, 且在正交误差等效输入角速度为0、30和50(°)/s 3种情况下, 仿真得到平均脉冲密度和角速度之间的非线性分别为3.6×10-6、3.07%和5.12%。对正交误差等效输入角速度分别为30.4(°)/s和47.3(°)/s的I号陀螺和II号陀螺进行实验, 结果表明, 脉冲密度反馈力对负刚度的影响不随脉冲密度的变化而变化; 得到的平均脉冲密度和角速度之间的非线性分别为2.9%和4.8%, 实验与仿真结果符合得到较好。

针对微机电系统(MEMS)特征尺寸小, 常用的动态测试方法和系统还有一定的缺点等问题, 本文在介绍MEMS常见的三种动态测试方法的基础上, 给出了一种基于高速摄影的微陀螺振动动态测试系统。介绍了系统的硬件架构和软件功能。在动态测试的关键算法上, 应用Otsu算法对图像进行分割, 使用感兴趣区域(ROI)和不变矩方法得到振动曲线, 通过幅频分析得到微机械陀螺的振动特性。实验结果表明: 使用这种方法测量振幅的精度达到了0.1 μm; 频域测量的重复性和一致性也较好。这种动态测试方法稳定可靠、精度高、抗干扰能力强, 可以极大地减少计算量, 提高系统运行速度。

为了进一步增强硅微机械陀螺仪驱动模态的控制精度与稳定性，提出了一种基于自激振荡原理，以现场可编程门阵列(FPGA)为主要数字信号处理平台的驱动电路。以陀螺仪驱动模态特性为出发点，分析了自激振荡原理对驱动电路的要求。分析并建立了驱动相位控制与驱动幅度控制模型，实现了频率测量-补偿算法控制驱动环路相位，PID控制算法控制环路幅度。实验结果表明，常温下驱动幅度控制精度达到1.5×10-5，并且能跟踪驱动模态谐振频率。由于采用了数字电路使得驱动幅度温度系数由原来模拟电路方案的7.69×10-5/℃降低到1.183×10-5/℃。相比传统模拟电路控制方案，本方案具有驱动精度高，温度适应性好的优点。

为改进振动环陀螺的模态匹配并提高其品质因数,设计了一种采用全对称结构实现模态匹配的电磁式微机械振动环陀螺。通过理论推导,建立了陀螺灵敏度和机械噪声的数学模型,分析了陀螺参数对灵敏度及分辨力的影响。采用(100)晶向的单晶硅及工艺简单,无需键合的MEMS体硅标准工艺加工了陀螺样片。器件频率响应实验结果表明,所设计的振动环陀螺驱动模态和检测模态频率之差＜0.5 Hz,大气压下品质因数约为500,在1 Pa的低真空下可达14 000。锁相放大器测试结果表明,在-200~200 °/s,陀螺分辨力为0.05 °/s,灵敏度为0.2 μV/(°/s)。测试结果表明该陀螺能够实现模态匹配和较高的品质因数,具有较高的性能指标。

为了减小振动环驱动模态和检测模态的频率差从而提高陀螺性能,提出了一种采用电磁驱动、电磁检测的全对称振动环陀螺结构。采用MEMS体硅工艺完成该微机械振动环陀螺的加工,其结构在保持镜像对称的同时,还保持了中心对称,因此整个结构高度对称,有利于减小模态频率差。为有效跟踪陀螺驱动模态的谐振频率并稳定驱动模态的幅值,设计了闭环驱动控制电路。该电路由低噪声前置放大器、相位调整环节以及自动增益放大器(VGA)组成。测试结果表明,该陀螺两个模态频率差为0.27 Hz ,实现了频率较好的匹配。在±200°/s ,测得陀螺灵敏度为8.9 mV/(°/s) ,分辨力为0.05°/s ,非线性度为0.23%。

针对振动式微机械陀螺的设计过程中对微振子动态特性的精确评价问题，提出一种测量微振子动态特性的光学方法。该方法利用高速摄像机获取陀螺微振子在振动时的时间序列图像，然后采用数字图像相关技术对序列图像进行相关计算，以获得微振子在大气中振动的位移、速度和加速度曲线，并由此计算微振子的固有频率和品质因数。该方法对位移的分辨力在亚微米量级，具有较高的测量精度。对文中被测陀螺驱动模态的固有频率测量结果为2061.67 Hz,大气压下的品质因数测量结果为66.67。提出的方法可为微陀螺动态特性的测量提供一种精确、有效的途径。