半球谐振陀螺仪是一种谐振子高度对称,无磨损部件的新兴陀螺仪,因具有性能稳定、可靠性强、工作寿命长、抗辐射性能好、启动速度快和耐冲击等优点而被誉为本世纪最具有发展潜力的哥氏振动陀螺仪。微机械电子技术的应用使半球陀螺谐振子内部结构缩小至微米量级,从而向着微型化、智能化、集成化、多功能、重量轻和低功耗的方向发展。本文以微型半球陀螺仪为研究对象,深入研究了微半球陀螺的正交误差、模态失配和温度漂移等,并基于闭环驱动方式和力平衡检测方式设计了完整的FPGA数字化系统。主要的研究内容如下:(1)微半球陀螺数字力平衡模式检测技术。根据陀螺的动力学方程等基本理论,设计了基于PI控制器的力平衡检测回路,随后建立仿真模型分析系统的静态性能和动态性能,调试参数使系统满足闭环稳定性要求,并在数字化电路控制系统中实现。(2)微半球陀螺正交误差的研究。将结构不对称视为质量扰动和刚度扰动来建立非理想微型半球陀螺的动力学方程,分析耦合误差对陀螺检测造成的干扰。随后推导微半球陀螺面外电容的静电力方程,由此说明正交刚度校正原理,随后设计了正交刚度校正闭环控制电路,应用于测控系统中。(3)模态失配和标度因数的改善。基于非理想微半球陀螺的动力学方程,分析质量缺陷和刚度缺陷对陀螺驱动模态和检测模态的谐振频率以及检测灵敏度的影响。基于面外电容的静电力方程,说明了模态失配的解决方案即静电调谐原理,通过静电调谐实现了模态匹配并提高了标度因数,随后分析了温度对标度因数的影响,并在测控电路中实现温度补偿。(4)低噪声高压模块的设计。设计了一套低噪声高压模块,解决了驱动、检测和调谐上的供电问题,同时避免了电源可能引入的噪声等。(5)微半球陀螺仪测试试验。参照国产微机械陀螺仪测试细则,对微机械半球陀螺仪进行了整机试验与性能测试。实验结果表明,采用正交刚度校正、静电调谐和力平衡模式检测等技术,微机械半球陀螺部分性能得到了较为明显的改善。微机械半球陀螺仪的研究在本实验室尚处开始阶段,因而性能和误差抑制等多方面的效果稍显初步,希望本文的研究为后续深入研究积累经验和指明方向。