基于机械杠杆的位移放大效应, 提出了一种具有微杠杆结构的电容检测式微机械陀螺结构, 所设计的杠杆放大机构设置在陀螺的检测模态中, 通过杠杆将科氏质量块的检测位移放大传递到检测框上, 以提升检测位移。建立杠杆结构陀螺的二阶振动微分方程, 分析了杠杆结构对微机械陀螺结构静刚度和固有频率的影响, 探讨了在不同结构条件下杠杆结构对检测位移的放大效果。通过仿真验证了理论的准确性与可行性, 结果表明, 在陀螺谐振情况下, 可有效增大检测框位移60%以上, 提升了检测位移, 进而提升检测灵敏度。

针对微机械陀螺零偏受温度影响较大的问题, 提出一种粒子群优化(PSO)算法和支持向量机(SVM)相结合的陀螺零偏温度补偿方法。首先, 将平滑处理后的陀螺数据作为样本点, 采用基于径向基核函数的支持向量机方法构建漂移模型, 把数据从低维空间映射到高维空间, 并进行线性拟合, 保证泛化能力。然后, 利用粒子群算法对支持向量机的惩罚参数、核函数参数以及不敏感系数进行优化, 避免了人为选择参数的盲目性且提高了建立模型的精度。实验结果表明：经PSO调节支持向量机算法补偿后, 陀螺输出精度更高; 与最小二乘法、BP神经网络法相比, 陀螺输出数据方差分别减小了81.3%和57%, 最大误差分别减小54.7%和48.5%。

针对传统预测方法不能对MEMS陀螺仪随机漂移进行精确预测的缺点, 提出了一种基于模糊信息粒化的支持向量机模型的区间预测方法。该模型首先利用模糊信息粒化算法对原始数据进行预处理, 将样本空间划分为多个粒（子空间）, 降低样本规模, 减小时间复杂度; 然后将模糊粒化后的数据进行相空间重构和归一化, 利用SVM进行回归分析, 同时利用交叉验证选出最优的调节参数, 避免出现过学习和欠学习; 最后利用训练得到的模型进行随机漂移预测。实验结果表明, 该方法能够有效预测随机漂移变化趋势和变化区间, 具有良好的工程应用前景。

本文意在寻求双质量硅微机械陀螺仪正交校正最优方案。首先介绍了带有正交校正和检测力反馈梳齿的双质量硅微机械陀螺结构, 量化分析了正交误差对输出信号的影响并进行了仿真, 结果显示解调相角变化为±2°, 200(°)/s的正交误差等效输入角速率可引起15(°)/s的输出信号变化。然后, 对目前3种比较主流的硅微机械陀螺仪正交校正方法(电荷注入法(CIM)、正交力校正法(QFCM)和正交耦合刚度校正法(QCSCM))进行了实验研究, 从理论上证明了这3种方法的可行性。对未加入正交校正环节的陀螺进行了实验, 结果显示其左、右质量块输出的正交误差信号峰峰值分别为150 mV 和300 mV。针对两质量块正交误差不等的实际问题提出了质量块单独校正的方案。采用CIM、QFCM和QCSCM对校正前零偏及其稳定性分别为-4.589(°)/s和378(°)/h的陀螺进行了实验校正, 结果显示3种方法均可有效消除检测通道中正交信号, 3种方法的零偏及零偏稳定性结果分别为-8.361(°)/s和423(°)/h, 2.419(°)/s 和82(°)/h, 1.751(°)/s和25(°)/h, 证明了正交耦合刚度校正法为3种方法中的最优方案。

为了提高硅微机械陀螺(SMG)的性能,研究了一种基于四阶机电结合带通Σ-Δ调制器(SDM)的硅微机械陀螺力反馈闭环检测方法。基于谐振器级联谐振前馈(CRFF)结构设计了该方法的仿真模型,并利用商用软件SD TOOLS计算了环路参数。采用MATLAB/SIMULINK对设计结果进行了行为级仿真,结果表明,1 Hz条件下环路的信噪比达到了109.2 dB,符合设计预期。在此基础上,以现场可编程门阵列(FPGA)为数字处理核心搭建了硅微机械陀螺数字化测控电路并进行了性能测试。结果表明,采用带通SDM闭环检测技术和数字化闭环驱动技术后,硅微机械陀螺的Allan方差零偏不稳定性约为1.15(°)/h,角度随机游走约为7.74×10-2(°)/√h,且信噪比参数满足了设计目标。 得到的结果证明了设计方法的正确性;显示提出的带通SDM力反馈闭环检测方法有助于提高SMG的性能,拓展其应用领域。

分析了温度在高真空环境下对硅微机械陀螺品质因数的影响机理.阐述了热弹性阻尼的复频率模型和硅材料的温度特性,建立了品质因数温度特性理论模型,并对理论模型进行了仿真验证和实验验证.理论计算得到常温下品质因数的温度系数为-9.76×10-3/℃.利用ANSYS对品质因数的温度系数进行仿真分析,得到常温下品质因数温度系数的仿真值为-9.96×10-3/℃.对硅微机械陀螺进行品质因数温度实验,得到常温下品质因数的温度系数为-9.02×10-3/℃,与理论计算结果相差8.20%.实验结果表明:高真空环境下建立陀螺品质因数温度特性的理论模型可为陀螺的温度误差补偿提供理论依据,为陀螺的优化设计提供实际指导.

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。

提出了一种基于微机械陀螺仪测控电路进行温度补偿的方法。介绍了本课题组自主研发的SHH17#陀螺结构，分析了温度变化对陀螺的影响，并对驱动和检测模态的谐振频率，品质因数以及标度因数和零偏进行了测试。分析了陀螺结构的动力学方程以及测控电路，指出了标度因数与驱动幅度和检测回路增益成正比，与两模态频差成反比。以热敏电阻为补偿元件在检测次级放大器中补偿标度因数，然后以直流叠加的方法在低通滤波器模块对零偏的温度系数和输出值进行了补偿，并介绍了补偿参数的配置方法。实验显示，经过温度补偿，标度因数和零偏的温度系数分别由393×10-6·℃-1和75(°)·h-1·℃-1减小到了73×10-6·℃-1和20(°)·h-1·℃-1，补偿后0 ℃零偏值由89.59 mV减小到7.33 mV，标度因数和零偏的温度系数分别减小了80%和73%。得到的结果证明了补偿方法的正确性和可行性。

微机械陀螺作为小型化光电稳定平台中的核心传感器,由于存在随机漂移,直接影响了其使用精度。小波算法以其多分辨特性，适合于非平稳信号的去噪，应用小波分析算法，实现了微机械陀螺的实时滤波。通过仿真及实验验证了算法的效果。结果表明,应用小波分析算法可以将漂移均方差降低为处理前的5%以内。