随着MEMS和CMOS传感器的飞速发展和数据处理能力的快速提升,人们进入了万物互联的时代,随之而来的传感器供电问题引起了越来越多的人的关注。由于传统化学电池在应用时所表现出的寿命短、体积大、无法长期存储等缺点,使得从环境中可以直接将振动能转化为电能的振动俘能器成为近年来的研究热点。静电俘能器作为振动俘能器的一种,由于具有成本低、易于MEMS工艺兼容等优点吸引了越来越多人的注意力。本文针对基于驻极体的静电俘能器(V-VEHs),分别通过理论计算、仿真分析和实验测试的方法对其俘能特性进行了深入研究。针对驻极体静电俘能器(V-VEHs)目前存在的机电耦合机理不清晰、环境敏感频率高、俘能带宽窄和俘能效率低等问题,通过建立理论模型、优化关键参数和改进振动结构等方法给出了有效的解决方案。本文的主要研究成果如下:(1)根据哈密尔顿原理从能量的角度建立了梁式静电振动俘能器的控制方程,揭示了静电俘能器的动态规律,为静电俘能器的研究提供了理论基础。针对基于双端固支梁的变间距驻极体静电俘能器,推导出了小位移情况下驻极体静电俘能器振动响应、输出电流与功率的表达式,揭示了机械振动单元与静电俘能单元间的耦合作用机理,静电俘能单元通过改变机械振动单元的等效阻尼和等效刚度进而影响其动力学响应,进而又改变了自身的电学输出。首次建立了基于双端固支梁的变间距驻极体静电俘能器不同驻极体长度时的可变电容模型,利用有限元仿真软件COMSOL验证了该模型的精度。分别通过理论分析、数值计算和实验测试的方法研究了负载电阻、初始空气间隙、驻极体表面电位和驻极体长度对驻极体静电俘能器谐振频率、半功率带宽和输出功率的影响规律。根据研究结果给出了负载电阻、初始空气间隙、驻极体表面电位和驻极体长度等参数的优化设计建议,在保证驻极体静电俘能器具有较高的输出功率的同时还能获得较大的半功率带宽。(2)为了降低驻极静电俘能器的环境敏感频率,首次在驻极体静电俘能器中引入了上变频结构。通过实验测试的方法研究了上变频结构的变频机理,结合实验测试结果建立了基于上变频结构的驻极体静电俘能器的完全非弹性碰撞机电耦合模型,推导出了俘能器振动响应和输出电压的表达式。研制了基于上变频结构的驻极静电俘能器样机,实验测试了高频梁阻尼比和高频梁固有频率对俘能器输出特性的影响,结果显示高频梁阻尼比越小,俘能器的输出性能越好,存在一个最优的高频梁固有频率使得俘能器的输出功率达到最大值。引入上变频结构后,驻极体静电俘能器在幅值为8 m/s~2的激励载荷作用下,可以将振动频率为1-70 Hz内的部分振动能转换为电能。(3)首次提出了一种环境敏感频率可调的非线性上变频驻极体静电俘能器,建立了非线性上变频结构的动力学模型,推导出了低频梁自由端振幅与激励加速度幅值、激励频率和非线性因子间的数学表达式。数值计算和实验测试结果显示,引入非线性斥力后,随着非线性斥力的增加驻极体静电俘能器的环境敏感频率降低,俘能带宽增大,输出电压幅值显著提高。引入非线性吸力后,随着非线性吸力的增大,驻极体静电俘能器的环境敏感频率增加,俘能带宽先增大然后趋于稳定,输出电压幅值随着非线性吸力的增大先增大后减小。(4)针对单一驻极体静电俘能器俘能效率低的问题,在上变频驻极体静电俘能器的基础上,在不增加其体积的情况提出了一种静电-压电-电磁多模复合式上变频振动俘能器。通过实验测试的方法分别研究了多模复合式上变频振动俘能器在谐波激励和随机环境激励下的输出特性。实验结果显示本文设计的多模复合式上变频振动俘能器在幅值为10 m/s~2的激励载荷下可以将2-36 Hz内的部分振动能转换为电能。相对于单一的上变频驻极体静电俘能器,谐波激励下多模复合式上变频振动俘能器的俘能效率提高了292%。