石英微机电陀螺是一种哥氏(Coriolis)振动陀螺，其敏感芯片采用音叉式结构，工作时音叉处于谐振状态。敏感芯片具有多阶模态，前9阶模态覆盖频率为3~21 kHz。敏感芯片的部分模态易受外部振动影响而导致敏感芯片产生共振，使陀螺产生零位偏移误差，陀螺的零位偏移误差可达0.5 (°)/s。该文分析了敏感芯片模态共振误差机理，提出通过结构错频设计避免外部环境特定频率对敏感芯片的影响，从而抑制了零位偏移误差，零位偏移误差减小到约0.03 (°)/s，提高了陀螺的振动环境适应性。

针对环形振动陀螺结构对称、模态特性参数相同与抗干扰特性好的特点, 提出了一种新型的电容式环形微机电振动陀螺。设计了S形弹性支撑梁形式的硅基环形振动陀螺敏感结构, 并仿真分析了陀螺的工作模态与幅频响应特性。根据环形振动陀螺的动力学特性, 研究了陀螺的机电接口形式与硅基电极的设置方法, 建立了硅基电极的电学参数模型与陀螺的角速度敏感模型。基于深离子刻蚀技术设计了简单可行的传感器制备流程, 并成功制备了陀螺的敏感结构。实验测试结果显示, 该环形微机电振动陀螺驱动与检测模态的谐振频率分别为9 028.86 Hz与9 036.15 Hz, 品质因数分别为25 051与25 026, 标度因数为0.589 7 mV/((°)·s-1)。实验结果验证了陀螺设计与研究方法的正确性, 为高性能硅基微机电陀螺的研制提供了一种可行的方案。

针对高Q值微机电陀螺的快速起振问题, 研究其驱动轴控制方法。分析了高Q值谐振器的振动相位随频率的变化率, 阐明了锁相环方案启动时间长且对初始频率偏差敏感的原因。用平均法推导了自激振荡方案下起振初始阶段振幅随时间的变化规律。提出了“自激-锁相”驱动轴控制方案, 先采用自激振荡方式使陀螺快速起振, 再转为锁相环方式使振动频率精确稳定。经实验测试, 采用锁相环方案, 当初始频率偏差在±10 Hz以内, 陀螺的启动时间为2 s; 采用自激-锁相方案, 只要初始频率偏差在±1 000 Hz以内, 陀螺均可在0.3 s内达到频率误差小于0.01%, 在0.4 s内达到振幅误差小于0.1%。“自激-锁相”方案大幅度缩短了陀螺的启动时间, 而且对陀螺初始频率的设置偏差不敏感, 对环境温度变化的适应性好, 适用于微机电陀螺的批量生产。

针对微机电陀螺耦合刚度的辨识, 提出了以驱动轴、检测轴、驱动-转动耦合和驱动-检测耦合频率响应特性为基础的耦合刚度辨识方法。设计了一种驱动轴和检测轴双向位移解耦的双质量线振动微机电陀螺, 基于经过简化的梁的刚度特性建立了微陀螺平面运动动力学方程, 导出了结构在存在耦合刚度情况下驱动轴、检测轴、驱动-转动耦合和驱动-检测耦合的传递函数。根据耦合传递函数把刚度耦合产生的根源定位到特定的几组梁之间的刚度误差。通过驱动-转动耦合与驱动轴幅频特性之比辨识出驱动-转动耦合刚度系数, 通过驱动-检测耦合与检测轴幅频特性之比辨识出转动-检测耦合刚度系数。实验测试了设计加工的微陀螺的频率响应特性, 利用提出的耦合刚度辨识方法得到陀螺的驱动-转动和转动-检测耦合刚度系数分别为0.14 N和0.054 33 N。得到的耦合刚度的辨识结果可为微陀螺梁刚度的激光修调提供参数依据。

以微机电陀螺在高精度光电稳定跟踪装置中的应用为背景,研究了陀螺输出噪声对光电稳定跟踪平台精度的影响.结果表明,陀螺噪声会引起平台基准轴的抖动和缓慢漂移.根据微机电陀螺的实测数据,分析了其噪声特性.基于AR模型建立了微机电陀螺的噪声统计模型.研究了基于Kalman滤波的陀螺去噪算法,给出了去噪结果,分析了该算法不能够取得较好滤波效果的原因.针对Kalman滤波在微机电陀螺信号低频去噪方面的局限性,将基于阈值决策的小波去噪方法应用于微机电陀螺的信号处理中,给出了滤波结果.实测结果表明由于后者不依赖于噪声的精确模型,可根据噪声在不同频段的统计特性采用阈值决策滤波,具有更好的抑噪效果.最后给出了两种滤波算法的比较.