近年来,随着低能耗微电子设备和无线传感器的迅速发展,无源供电技术成为研究热点。传统的电池供电方式具有寿命有限、更换和维护成本高以及容易污染环境等缺点。因此,利用能量收集装置从周围环境中获取能量(如动能、热能、光能、风能等),并将其转换为电能的技术和方法成为解决可替代能源问题的关键技术之一。其中,基于压电振动的微能量收集方式由于能量密度高、无需单独电源、实现方式简单而得到广泛地应用,成为了一种可以给微电子设备持久供电的有效解决方案。虽然传统的压电悬臂梁结构能量收集装置结构简单、平均应变大,但是在非谐振状态下能量收集效果急剧下降。本文以碰撞作用下的压电悬臂梁为研究对象,以人体运动为动力源,从理论建模、有限元仿真和实验三个层次对碰撞驱动作用下压电能量收集方法进行全面的研究。本文结合压电碰撞振动能量收集方法的研究现状及其存在的问题,提出了一种并行驱动压电碰撞能量收集器的设计方案,该方法可将低频的人体步行运动通过质量碰撞驱动压电梁的高频谐振,利用上变频原理在低频环境下提高压电梁的能量收集效率。然后描述其设计原理及科学性,并详述其创新性结构设计和工作原理,分析碰撞力大小、碰撞接触面设计和碰撞时间间隔等关键技术因素对压电梁能量转换性能的影响,得到能量收集装置的最佳设计方案,并在此基础上进一步提出了提升功率密度的设计和方法。论文建立了压电梁振动条件下的耦合场数学模型,并通过有限元方法验证其正确性,研究了外部激励条件、机械阻尼比和外接负载对压电梁输出电压和频率的影响,并在此基础上分析了压电耦合系数和机械阻尼比对外接优化电阻的影响;建立碰撞作用下压电梁的数学计算模型并进行数值模拟,分析了碰撞力大小对能量转换性能的影响,研究了碰撞作用下压电梁的最大输出功率及外接优化电阻,并与激振作用下的效果相比较;在上述模型分析的基础上,并在非谐振和开路电压相等条件下,比较振动和碰撞作用下压电梁的输出特性,揭示了碰撞致上变频特性对提高输出功率的影响规律。论文完成了实验原型的设计、加工制造和组装,搭建了实验平台并测试了实验原型装置的性能:首先测试和验证了压电梁在振动条件下的能量转换特性,然后以人体运动为动力源,并在不同步行速度和外接电阻的条件下研究碰撞作用下压电梁的功率输出特性,并与理论分析做比较;接着以碰撞接触面为研究对象,建立力学模型并进行数值模拟与分析,研究了非对称圆弧面的设计对能量收集装置能量转化的影响关系,并通过实验来验证理论分析的结论。论文研究了碰撞时间间隔与振动周期之比对能量收集效果的影响,结合能量收集装置的结构设计特点和碰撞振动原理,分析了圆柱滑块和压电悬臂梁在碰撞作用前后的运动特性,得出了重叠距离的极值表达式和最优碰撞时间间隔的理论值,并进行数值模拟分析和比较,从理论上评估和分析了碰撞时间间隔对能量转换的影响规律;设计并制作了具有不同碰撞时间间隔作用性能的实验装置,并进行实验测试和验证。在上述实验研究的基础上,论文最后对碰撞压电能量收集装置在提升功率密度方面进行了探讨,根据压电碰撞能量收集装置的工作原理和性能,结合前面的力学和运动分析,对实验装置提出改进方案,评估和预测功率密度可提升的理论值。另外,针对压电梁输出的交流电特性,设计了一种采用电容作为储能介质的能量储存电路,将压电装置收集的电能以稳定的直流电输出。通过试验测试和比较改进前后压电能量收集装置的功率密度,并对实验与理论值的误差进行了分析和讨论。本文所提出新型压电碰撞能量收集技术及方法,可将人体步行所产生的动能转换和储存为稳定的直流电,能够为便携式微传感器以及生物传感器供电,实现真正意义上的无源传感设备。本文的研究成果,在能量收集技术方面不仅拥有重要的实用价值,也为进一步理论研究奠定基础。