随着大规模集成电路技术和无线网络通信技术的进步和发展,无线传感器网络应用越来越广泛。目前,无线传感器节点的供能方式以电池为主。由于这些传感器往往数量大、分布广,更换电池工作量大、成本高。低功耗技术和高效储能技术的飞速发展使得能量收集器有望取代电池为传感器节点持续有效地供能。在各种能量收集器中,悬臂梁式压电振动能量收集器由于功率密度高、结构简单、易于集成,而且在微弱的激励下就能获得较大的应变,近年来受到持续关注。但由于悬臂梁上应力应变分布不均匀,不同部位压电单元之间并联工作可能会降低整体平均应变,从而影响输出性能,因此优选的电极覆盖率对获得最佳输出性能至关重要。本文以不同电极覆盖率的压电悬臂梁振动能量收集器为研究对象,基于Euler-Bernoulli梁理论和广义Hamilton原理,综合考虑非线性刚度、线性及非线性机械阻尼,建立了非线性压电梁在基座简谐激励下受迫振动的双向耦合分布参数理论模型。基于谐响应分析给出了线性模型的多模态及单模态解析解,基于谐波平衡法给出了非线性模型的数值求解方法。基于线性模型研究了带质量块和不带质量块压电悬臂梁的耦合强度和输出功率峰值与有效电极覆盖率之间的相互关系,给出了基于耦合强度分析的电极覆盖率优化设计方法。结果表明,不同电极覆盖率的压电悬臂梁的俘能性能主要受耦合强度的影响。当系统机械阻尼比相对较小时,两种压电梁总体为强耦合系统,各自有不同的临界电极覆盖率。当电极覆盖率低于临界值时,压电梁为弱耦合状态,输出功率峰值随电极覆盖率增大而增长;当电极覆盖率高于临界值时,压电梁为强耦合状态,输出功率峰值达到最大值并保持恒定。当系统机械阻尼比相对较大时,两种压电梁总体为弱耦合系统,此时压电梁的输出功率峰值随电极覆盖率先增大后减小,在有效机电耦合系数取最大值处俘能效率最高。对于总体为弱耦合的系统,过高的电极覆盖率导致俘能效率降低的原因在于系统的有效机电耦合系数的降低;对于总体呈强耦合的系统,系统的俘能效率与应变分布的不均匀性没有显著关系,电极覆盖率大于临界值时均能获得最佳俘能效率。基于等效线性刚度及等效线性粘滞阻尼引入等效的机电耦合系数和等效线性机械阻尼比用于评估非线性系统的耦合强度。数值计算结果表明,等效参数的引入能有效评估非线性系统的耦合强弱和功率极限。在相同强度激励条件下,两种压电梁获得强耦合条件的临界电极覆盖率显著高于线性系统,获得最大输出功率的电极覆盖率应略高于临界电极覆盖率。非线性压电梁在高强度激励下的功率响应特性与线性压电梁在高阻尼比条件下的响应特性类似,获得最大功率的最优电极覆盖率与线性压电梁几乎一致。使用PZT压电片和304不锈钢基底制作了带质量块和无质量块的可变电极压电悬臂梁,基于电磁激振器搭建了半自动频率扫描能量采集测试平台。以正弦激励为驱动,测试了不同电极覆盖率条件下两种压电梁驱动特征负载电阻时的输出功率频率响应,实验结果与数值计算结果吻合良好,理论模型及分析得到了充分验证。基于近开路谐振频率与有效机电耦合系数之间的正相关性提出了一种耦合谐振调频机制,基于线性理论模型研究了压电材料、质量块以及悬臂梁的层合结构对谐振频移宽度的影响,采用PZT及PZN-PT分别制作了可变电极压电悬臂梁,对耦合谐振调频机制的可行性进行了验证。研究结果表明,压电梁的近开路谐振频率主要与有效机电耦合系数有关,因此改变有效电极覆盖率的大小能在保证输出功率的同时实现近开路谐振频率的调节。压电材料的性能显著影响的谐振频移的大小,采用压电单晶材料能够获得更大的耦合调频范围。质量块与悬臂梁之间的质量比对谐振频移峰值影响较小,但是决定了谐振频移峰值对应的电极覆盖率的大小。合理地选取质量块能让谐振频移随电极覆盖率单调增长,提高悬臂梁的利用率。在一定范围内增加压电层的相对厚度有助于增大谐振频移,而过厚的压电层反而会导致谐振频移降低。基于PZT双晶片压电梁实现了耦合调频宽频响应能量收集器,与单一电极覆盖率的压电梁相比,四种电极覆盖率组合后的频带宽度及频带范围内的平均输出功率均得到了显著提高。基于PZN-PT制作的单晶片压电梁在电极覆盖率为100%时获得了14.4%最大频移宽度,验证了基于压电单晶构建耦合调频宽频响应能量收集器的可行性。