硅微机械陀螺具有体积小、重量轻、低成本的特点,在民用和军用领域有着重要的应用价值。随着微加工工艺的改善和测控电路的优化,微机械陀螺性能已经达到战术级水平,使其在某些领域代替昂贵的大尺寸高端陀螺仪成为可能。轴对称结构的圆盘谐振陀螺(Disk Resonator Gyroscope,DRG)具有结构对称性好、能量传递效率高和抗振性好等优点,已成为高性能微机械陀螺的重要候选方案。陀螺的零偏误差反映着检测分辨率和长期稳定性等核心性能参数,决定了陀螺的检测精度。本文以课题组自主设计的真空封装类蛛网型DRG(Cobweb-like DRG,CDRG)为研究对象,以提高陀螺的零偏稳定性和检测分辨率为目的,分析了影响零偏的误差因素,重点在测控技术方面提出了解决问题的方法。主要研究工作和创新点如下:(1)分析了零偏形成机制以及影响零偏的误差因素,为提升陀螺性能提供思路。从结构不对称性、结构电馈通、测控电路和环境变化这几个方面分析了影响零偏的误差因素,以及这些因素对零偏的作用机制,为解决这些问题提供了切入点。主要包括结构不对称引起的正交和同相误差,电极间耦合电容引入的信号馈通,测控电路中的相移和噪声,以及环境温度变化导致的频率和Q值变化等。(2)构建力平衡(Force to Rebalance,FTR)闭环检测系统,推导出FTR闭环下的传递函数,为分析闭环特性提供理论基础。从传递函数入手,给出了FTR闭环下的标度因数和带宽的表达式,并与开环检测进行对比。重点分析了在FTR闭环检测下,谐振子频率和Q值对检测输出的影响,证明了FTR闭环能够很好地抑制由频率裂解和Q值变化带来的标度因数和零偏漂移误差,提高检测输出对结构不对称性和环境温度变化的鲁棒性。(3)提出一种FTR闭环检测下的电路相移补偿方法,降低正交误差对零偏的影响。相位是谐振器控制中的一个重要因素,为此在调制-解调FTR检测系统中,分析了各部分电路相移对检测输出的影响。得出了在驱动和敏感模态信号拾取电路一致的情况下,敏感检测输出与驱动模态电路相移相关的重要结论。当相移补偿不准确时,则会将正交误差引入到检测输出中,导致存在较大零偏和随环境温度变化的漂移。在相位分析的基础上,提出了一种电路相移自补偿系统。实验结果表明,该方法能够准确计算并补偿电路相移,大大降低了正交误差对检测输出的影响,改善了零偏稳定性和零偏温度灵敏度等性能指标。(4)提出一种FTR闭环检测下的系统噪声模型,为降低噪声对零偏的影响提供解决方案。系统噪声直接决定陀螺的检测分辨率,为此在调制-解调FTR闭环系统中,分析了4种噪声对检测输出的影响,在频域上给出了噪声等效角速率表达式。与现有闭环噪声模型不同,该模型中考虑了在采用机电幅度调制(Electromechanical Amplitude Modulation,EAM)检测技术时,存在反馈电路中载波频率处噪声的电馈通情况,并阐述了反馈电路中两路噪声在EAM检测电路的传递路径。基于理论噪声模型,给出了改善各种噪声对检测输出不利影响的方法。实验结果表明,对于所采用的电路系统,当对馈通噪声进行抑制后,能够有效降低检测输出中的噪声水平,改善角度随机游走(Angle Random Walk,ARW)等性能指标。使用FPGA实现FTR闭环检测系统,在采用上述相位补偿和噪声优化后,使陀螺的零偏不稳定性指标由7.663°/hr下降到了0.617°/hr,ARW指标由0.209°/√hr下降到了0.017°/√hr,0℃-70℃范围内的零偏温度灵敏度从0.055°/s/°C降低到了0.001°/s/°C。陀螺零偏的性能得到明显改善,达到了预期-目标,为后续实现高精度、高稳定性测量打下良好基础。