中国经济长期保持高速发展,对矿产资源的需求量逐渐增加,导致供不应求,因此必须加大对矿产资源的勘探。地震勘探方法被广泛地应用于海洋及陆地油气资源勘探。地震数据采集是整个地震勘探的重要基础,地震检波器作为地震数据采集的关键仪器,其性能的好坏直接影响地震勘探的效果。随着矿产资源需求量的增大,我国需要加大地震勘探的深度,在深层地震勘探过程中,地震检波器接收的反射波主要以低频信号为主。自然频率是地震检波器的一项重要性能指标,随着自然频率的减小,地震检波器能够检测微弱低频信号的能力越强,为实现深层地震勘探需要依靠更低自然频率的地震检波器。利用力平衡反馈技术能够使地震检波器的性能不完全依靠其内部机械结构,通过改变反馈网络参数,就可以在机械结构不变的条件下改变地震检波器的自然频率和频带范围,在地震检波器研究中引入力平衡反馈技术具有重要意义。目前在深层地震勘探中使用的力平衡反馈地震检波器主要有动圈式、差容式和电化学式三种。它们利用电磁致动器产生一个平衡力延长敏感单元结构的自振周期,反馈网络多为模拟PID电路,具有结构复杂、控制不精准等缺点。本文设计了一种基于力平衡反馈的压电地震检波器。以回字形悬臂梁结构作为基底,在其上下表面粘贴PVDF压电薄膜,分别用作压电传感器和压电致动器,悬臂梁和压电薄膜组成地震检波器的敏感单元结构。压电传感器用于检测振动信号,由于输出的电荷信号比较微弱,设计的信号调理电路有放大和滤波的作用,可以将其转换成单片机能够识别和处理的电压信号。STM32F407单片机内置的ADC将模拟电压信号转换成数字信号,一方面进行数据存储,另一方面按照预先设计好的PID控制算法进行计算输出数字控制量。单片机内置的DAC将数字控制量转换成模拟控制信号,模拟控制信号通过压电驱动电源输出高压驱动信号作用于压电致动器,压电致动器由于逆压电效应产生形变,平衡悬臂梁结构的振动,延长其自振周期,进而降低其自然频率。主要内容如下:首先,分析了压电材料的基本性质,选用PVDF压电薄膜作为传感器和致动器。分析了悬臂梁结构的振动特性,利用COMSOL Multiphysics 5.4软件进行有限元仿真分析,研究不同结构参数和材质以及有无粘贴致动器的悬臂梁的固有频率大小。仿真结果表明粘贴致动器可有效降低悬臂梁结构的自然频率,设计了力平衡反馈闭环控制系统。其次,针对PVDF压电薄膜内阻高的特点,设计了基于CA3140运算放大器的电荷放大电路和基于OP07运算放大器的电压放大电路以及滤波电路,设计了STM32F407单片机最小系统及其外围电路用于数据存储和PID控制。通过MATLAB Simulink模块对PID控制策略进行仿真分析,并完成软件设计。最后,采用绝对校准法对压电地震检波器进行了性能测试与标定。实验结果表明:本文所研究的压电地震检波器的输出灵敏度达到245m V/m/s~2左右,失真度为0.46%左右,动态范围约为102d B。与无力平衡反馈的压电地震检波器相比,自然频率降低,由5Hz降至3Hz,验证了该压电地震检波器的有效性。